Термостабілізовані керамічні нагрівачі для систем забезпечення працездатності малолітражних дизельних двигунів енергоагрегатів.

Вибрано оптимальні хімічні склади для створення нагрівних елементів на основі сегнетоелектричної напівпровідникової кераміки. Проаналізовано процеси, що протікають при синтезі кераміки з позитивним температурним коефіцієнтом електричного опору на основі титанату барію, легованого ітрієм. До...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2009
Main Authors:	Білоус, А.Г., В’юнов, О.І., Ступін, Ю.Д., Грицюк, О.В., Дороженко, О.М.
Format:	Article
Language:	Ukrainian
Published:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2009
Subjects:	Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/14847
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Термостабілізовані керамічні нагрівачі для систем забезпечення працездатності малолітражних дизельних двигунів енергоагрегатів / А.Г. Білоус, О.І. В’юнов, Ю.Д. Ступін, О.В. Грицюк, О.М. Дороженко // Наука та інновації. — 2009. — Т. 4, № 1. — С. 34-45. — Бібліогр.: 9 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860249432189042688
author	Білоус, А.Г. В’юнов, О.І. Ступін, Ю.Д. Грицюк, О.В. Дороженко, О.М.
author_facet	Білоус, А.Г. В’юнов, О.І. Ступін, Ю.Д. Грицюк, О.В. Дороженко, О.М.
citation_txt	Термостабілізовані керамічні нагрівачі для систем забезпечення працездатності малолітражних дизельних двигунів енергоагрегатів / А.Г. Білоус, О.І. В’юнов, Ю.Д. Ступін, О.В. Грицюк, О.М. Дороженко // Наука та інновації. — 2009. — Т. 4, № 1. — С. 34-45. — Бібліогр.: 9 назв. — укр.
collection	DSpace DC
description	Вибрано оптимальні хімічні склади для створення нагрівних елементів на основі сегнетоелектричної напівпровідникової кераміки. Проаналізовано процеси, що протікають при синтезі кераміки з позитивним температурним коефіцієнтом електричного опору на основі титанату барію, легованого ітрієм. Досліджено фактори, які впливають на електрофізичні характеристики кераміки. В Інституті загальної та неорганічної хімії ім. В.I. Вернадського НАН України були розроблені різноманітні термостабілізовані керамічні нагрівні елементи на основі легованого метатитанату барію, робоча температура яких підтримується автоматично. На основі цих елементів в Казенному підприємстві "Харківське конструкторське бюро з двигунобудування" були створені пристрої для підігріву масла в маслобаці енергоагрегату ЕА-10М, що дало можливість значно (на 10—20 °С) знизити температуру запуску його дизельного двигуна в холодну пору. Выбраны оптимальные химические составы для создания нагревающих элементов на основе сегнетоэлектрической полупроводниковой керамики. Проанализированы процессы, которые протекают при синтезе ПТКС керамики c положительным температурным коэффициентом электрического сопротивления на основе легированного иттрием титаната бария. Исследованы факторы, которые влияют на электрофизические характеристики керамики. В Институте общей и неорганической химии им. В.И. Вернадского НАН Украины были разработаны различные термостабилизированные керамические нагревающие элементы на основе легированного метатитаната бария, рабочая температура которых поддерживается автоматически. На основе этих нагревающих элементов в Казенном предприятии "Харьковское конструкторское бюро двигателестроения" были созданы устройства для подогрева масла в маслобаке энергоагрегата ЭА-10М, что позволило значительно (на 10—20 °С) снизить температуру запуска его дизельного двигателя в холодное время. The optimal chemical compositions have been chosen for the development of heating elements based on ferroelectric-semiconducting ceramics. The processes, which take place during the synthesis of the PTCR yttrium-doped barium titanate ceramics, have been analysed. The factors affecting ceramics electrophysical properties have been studied. In V.I. Vernadskii Institute of General and Inorganic Chemistry of NAS of Ukraine various doped by barium titanate thermo-stabilized ceramic heating elements with working temperature automatic control have been developed. These heating elements have been used by State Enterprise "Kharkiv design office for engine building" as a basis of oil heating devices which have been developed for the utilization in oil tanks of "ЕА-10М" power units. This allowed a significant (by 10—20 °С) reduction of the starting temperature of a diesel engine in a cold season. Key words: barium titanate, doping, grain boundaries, heating elements, oil heating device, diesel engine.
first_indexed	2025-12-07T18:41:27Z
format	Article
fulltext	36 Сьогодні на території СНД експлуатується велика кількість автотракторної техніки з дизе� лями відомих фірм "Texas Instruments", "Ford" (США), "Deutz" (Німеччина), "Fiat" (Італія), "Volvo" (Швеція), "Valment" (Фінляндія) тощо. Проте попит на таку техніку стримується знач� ними витратами на її експлуатацію та техніч� не обслуговування. Однією з причин витрат є необхідність використання паливно�мастиль� них матеріалів (ПММ) імпортного виробни� цтва, оскільки значно дешевші вітчизняні ди� зельні масла поступаються їм при низькій температурі по фізико�хімічних параметрах. Крім того, при низьких температурах з ди� зельного пального виділяються кристали нафтового парафіну, які залишаються в рідині в завислому стані. Температуру початку фор� мування кристалів називають точкою по� мутніння; температуру, при якій кристали згущують дизельне пальне, називають точкою плинності. При температурі трохи нижче точ� ки помутніння, але вище точки плинності в результаті збільшення вмісту кристалів наф� тового парафіну закупорюється фільтр паль� ного дизельного двигуна, що призводить до втрати потужності і зупинки двигуна. Зазви� чай цю проблему вирішують використанням дорогих і часто неефективних присадок. Біль� ше того, деякі присадки для палива (напр., бен� зин) потенційно небезпечні, тоді як інші мо� жуть пошкодити двигун. Очевидно, що криста� ли, які утворилися, можна вилучити тільки шляхом підігрівання. Для підвищення техніко�експлуатаційних параметрів автотракторних дизелів, особливо А. Г. Білоус 1, О.І. В'юнов 1, Ю.Д. Ступін 1, О.В. Грицюк 2, О.М. Дороженко 2 1 Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В.I. Вернадського НАН України, Київ 2 Казенне підприємство "Харківське конструкторське бюро з двигунобудування", Харків ТЕРМОСТАБІЛІЗОВАНІ КЕРАМІЧНІ НАГРІВАЧІ ДЛЯ СИСТЕМ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ПРАЦЕЗДАТНОСТІ МАЛОЛІТРАЖНИХ ДИЗЕЛЬНИХ ДВИГУНІВ ЕНЕРГОАГРЕГАТІВ Наука та інновації. 2009. Т 5. № 1. С. 36–45. Вибрано оптимальні хімічні склади для створення нагрівних елементів на основі сегнетоелектричної напівпровідникової кераміки. Проаналізовано процеси, що протікають при синтезі кераміки з позитивним температурним коефіцієнтом елект" ричного опору на основі титанату барію, легованого ітрієм. Досліджено фактори, які впливають на електрофізичні характе" ристики кераміки. В Інституті загальної та неорганічної хімії ім. В.I. Вернадського НАН України були розроблені різноманітні термостабілізовані керамічні нагрівні елементи на основі легованого метатитанату барію, робоча температура яких підтри" мується автоматично. На основі цих елементів в Казенному підприємстві "Харківське конструкторське бюро з двигунобу" дування" були створені пристрої для підігріву масла в маслобаці енергоагрегату ЕА"10М, що дало можливість значно (на 10—20 °С) знизити температуру запуску його дизельного двигуна в холодну пору. К л ю ч о в і с л о в а: титанат барію, легування, границі зерен, нагрівні елементи, пристрій для підігріву масла, дизельний двигун. © А. Г. БІЛОУС, О.І. В'ЮНОВ, Ю.Д. СТУПІН, О.В. ГРИЦЮК, О.М. ДОРОЖЕНКО, 2009 в холодну пору, необхідно підтримувати їх у нагрітому стані з метою постійної готовності до пуску. Для цього можна було б використо� вувати надлишкове тепло, яке автотракторні дизелі виділяють при роботі, проте цьому пе� решкоджають дві принципові особливості. По�перше, після довгої перерви в роботі хо� лодний двигун вже не може бути джерелом тепла. По�друге, система утилізації тепла дви� гуна, як правило, громіздка і неефективна. Для збереження тепла більш ефективним може бу� ти локальне електропідігрівання критичних точок у дизелі перед пуском, враховуючи, що електричними нагрівачами можуть керувати сучасні електронні та мікропроцесорні засоби автоматики, які отримують на автомобілях і тракторах все більшого поширення. Складність технічного вирішення проблеми електропідігрівання полягає ось у чому: 1) бажано, щоб джерелом енергії для нагрів� них елементів був тільки акумулятор, енерге� тична ємність якого обмежена і, звичайно, не� достатня для підігріву всього дизеля і пально� го. Тому треба виявити найбільш критичні вузли (точки), які необхідно підігрівати, ви� користовуючи енергію акумулятора; 2) необхідно розробити енергозберігаючі нагрівні елементи, які споживали б лише не� обхідний мінімум енергії, але давали можли� вість точно підтримувати потрібну температу� ру і могли знаходитися в рідинному середови� щі (в т. ч. в дизельному пальному). Враховуючи, що кількість енергії, яку мож� на використовувати для електропідігрівання, обмежена можливостями акумулятора, важ� ливо визначити окремі ділянки (критичні точки) в дизелі, при нагріванні яких можна покращити техніко�експлуатаційні параметри автотракторних дизелів. Одним з можливих шляхів вирішення проблем запуску дизельних двигунів в холод� ну пору є розробка саморегулюючих (тобто таких, що автоматично підтримують певну температуру) керамічних нагрівних елемен� тів, використання яких дало б можливість ре� алізувати локальне підігрівання критичних точок у двигуні. При цьому необхідно, щоб нагрівні елементи споживали мінімально не� обхідну кількість енергії акумулятора і забез� печували необхідний тепловий режим в кри� тичних точках дизеля. Такі нагрівні елементи можуть бути розроблені на основі сегнетоеле� ктриків�напівпровідників, в яких проявляєть� ся ефект позитивного температурного коефі� цієнта електричного опору (ПТКО). Метою даного дослідження була розробка та впровадження у виробництво термостабілі� зованих керамічних нагрівачів систем забез� печення працездатності дизельного двигуна енергоагрегатів для забезпечення пуску при їх експлуатації в холодну пору або для тривало� го підтримання необхідного теплового стану двигуна. Дані дослідження проводилися в Інституті загальної та неорганічної хімії ім. В.I. Вернадського НАН України (ІЗНХ НАНУ) та в Казенному підприємстві "Харківське конс� трукторське бюро з двигунобудування" (КП ХКБД). Характерною особливістю сегнетоелектриків� напівпровідників є різке збільшення електрич� ного опору (на три�чотири порядки) у вузько� му температурному інтервалі (10÷100) °С. За долі секунди такий елемент при прикладанні до нього електричної напруги нагрівається до робочої температури. Кераміка збільшує опір на декілька порядків і елемент, так би мовити, "відключає" себе від живлення. Споживання енергії зменшується до мінімуму, необхідного для підтримування досягнутої температури. Елемент підтримує цю температуру не пе� регріваючись. Властивості сегнетоелектриків� напівпровідників великою мірою залежать від хімічного складу, якості вихідних компо� нентів, режимів синтезу. Тому створення низькоомних керамічних нагрівних елементів з стабільними електричними параметрами, які живляться від низьких напруг, є складним науково�технічним завданням. З метою одер� жання низькоомної кераміки досліджувався вплив природи донорної добавки на електро� Науково4технічні інноваційні проекти Національної академії наук України Наука та інновації. № 1, 2009 37 фізичні властивості, вибиралися шляхи роз� ширення температурного інтервалу віднов� лення напівпровідникової кераміки на основі BaTiO3 при спіканні в окислювальній атмос� фері. Дані досліджень дали можливість вста� новити основні закономірності взаємозв'язку хімічного складу — технології одержання — властивостей матеріалу, що необхідно знати при розробці керамічних нагрівних елементів, а також оптимiзувати вибір добавок при син� тезі позисторної кераміки, яка може застосо� вуватися в пристроях для двигунів внутріш� нього згоряння. Всі зразки для досліджень виготовляли з ви� користанням стандартного методу твердофаз� них реакцій. Особливо чисті BaCO3, TiO2, SiO2 і хімічно чисті оксиди рідкісноземельних еле� ментів використовувались як вихідні реаген� ти. Фазові перетворення досліджували тер� могравіметричним методом з використанням пристрою Q 1000 OD 102. Рентгенівські дослідження проводили на дифрактометрі DRON�4�07 з CuKα�випромінюванням. Пара� метри кристалічної структури уточнювали методом повнопрофільного аналізу Рітвельда. Для вимірювання електрофізичних власти� востей використовували зразки, синтезовані при 1340÷1360 °C. Омічні контакти виготов� ляли, випалюючи нанесену на поверхні зраз� ків алюмінієву пасту. Мікроструктуру кера� міки досліджували за допомогою електронно� го мікроскопу (EPMA, JEOL JCXA 733, Ja� pan). Порівняння залежностей питомого опору при кімнатній температурі (ρ20 °C) і середнього роз� міру зерен (dAV) при введенні рідкоземельних елементів показало, що найширший концент� раційний інтервал, в якому існують напівпро� відникові властивості, спостерігається при введенні ітрію (рис. 1). Дослідження впливу природи рідкіснозе� мельного іону на електрофізичні властивості окремих областей зерна кераміки проводили методом комплексного імпедансу. На рис. 2 наведені частотні залежності Z'' і M'' зразків систем (Ba1–xYx)TiO3 і (Ba1–xSmx)TiO3 (залеж� ності для кераміки складів (Ba1–xLax)TiO3 і (Ba1–xNdx)TiO3 подібні), досліджених в темпе� ратурному діапазоні, в якому виявляється ефект ПТКО. На основі цих експерименталь� них даних було проведено розрахунок зна� чень опору зерна, зовнішнього шару і границь зерен кераміки систем (Ba1–xLnx)TiO3, де Ln — Y, La, Nd, Sm; х = 0,001—0,005 і їх температур� них змін. В системі (Ba1–xYx)TiO3 при х = 0,004 величина і характер температурної залеж� ності опору зовнішнього шару та зерна ке� раміки мають напівпровідниковий характер, основний внесок в ефект ПТКО дають зміни електрофізичних властивостей границь зерен. При збільшенні значення х до 0,005 елект� рофізичні властивості зерен практично не змінюються, тоді як внесок в ефект ПТКО да� ють електрофізичні властивості границь зе� рен і зовнішнього шару зерен. Відмінністю ке� раміки складів (Ba1–xLnx)TiO3, де Ln — La, Nd, Sm, є те, що незалежно від вмісту рідкіснозе� мельного елементу помітний внесок в ефект ПТКО дають електрофізичні властивості гра� ниці зерен та зовнішнього шару зерен. Для з'ясування причини зміни електрофі� зичних властивостей (зниження кратності змі� ни опору, розмиття температурної області ефек� ту ПТКО і підвищення варисторного ефекту) Науково4технічні інноваційні проекти Національної академії наук України Наука та інновації. № 1, 200938 Рис. 1. Питомий опір і середній розмір зерен кераміки (Ba1–xLnx)TiO3 в залежності від ступеня гетеровалент� ного заміщення (x): Ln—Y, La, Nd, Sm, Dy Наука та інновації. № 1, 2009 39 позисторної кераміки (Ba1–хLnх)TiO3, де Ln — Y, La, Nd, Sm, при підвищенні вмісту гетеро� валентного іону було проведено розрахунок величини потенційного бар'єра на границі зерен. З підвищенням вмісту гетеровалент� ного іону самарію в кераміці (Ba1–xSmx)TiO3 величина потенційного бар'єра змінюється більше у порівнянні зі зміною величини по� тенційного бар'єра на границі зерен кераміки (Ba1–xLnx)TiO3, де Ln — La, Nd, що пов'язано зі значним зменшенням опору границь зерен. Результати розрахунків показують, що в ке� раміці (Ba1–xLnx)TiO3, де Ln — В, La, Nd, Sm з підвищенням вмісту рідкісноземельного еле� мента (РЗЕ) в сегнетоелектричній області температур опір зразка (ρ I 0) збільшується, при цьому зменшується енергія активації про� відності (Εa I); в параелектричній області тем� ператур опір зразка (ρ 0 III) і енергія активації провідності (Ε a III) підвищуються (табл. 1). З підвищенням вмісту РЗЕ в сегнетоелектрич� ній напівпровідниковій кераміці величина по� тенційного бар'єра на границях зерен знижуєть� ся, що і пояснює зміну електрофізичних власти� востей матеріалу. У формуванні ПТКО�властивостей при спі� канні на повітрі важливу роль відіграють про� цеси окислення границь зерен при охолоджен� ні. Досліджувати ці процеси, пов'язані зі зміною хімічного складу границь зерен легова� ного титанату барію, дифракційними метода� ми складно, оскільки рівень легування складає частки відсотка і, крім того, окислюються зви� чайно тільки поверхневі шари зерен. Тому з метою з'ясування процесів, що протікають при легуванні титанату барію, можна вивчати про� цеси окислення відновленої форми в дрібно� дисперсному вигляді. Це дає можливість істот� но збільшити поверхню окислення та застосу� вати дифракційні методи для визначення фаз, що утворюються на границях зерен. Крім того, для відновленої форми титанату барію, синте� Науково4технічні інноваційні проекти Національної академії наук України Рис. 2. Частотні залежності Z'' и M'' кераміки (Ba0.996Y0.004)TiO3 (a); (Ba0.995Y0.005)TiO3 (б); (Ba0.999Sm0.001)TiO3 (в); (Ba0.998Sm0.002)TiO3 (г) при різних температурах Науково4технічні інноваційні проекти Національної академії наук України Наука та інновації. № 1, 200940 зованої у відновному середовищі, область іс� нування твердих розчинів заміщення іонів ба� рію іонами РЗЕ істотно розширюється в по� рівнянні з синтезом в атмосфері повітря. Дос� ліджуючи відновлену форму титанату барію після окислення, можна одержати інфор� мацію про фази, що утворюються при малих (які звичайно використовують при синтезі матеріалів з ПТКО) і великих концентраціях РЗЕ (при яких синтезовані на повітрі зразки діелектричні і ефект ПТКО відсутній). Такий підхід використали автори [1], вивчаючи зміни мікроструктури при окисленні віднов� леної форми титанату барію, легованого лан� таном. Було показано, що при окисленні відновленої форми легованого донорами BaTiO3 виділялися збагачені титаном фази Ba6Ti17O40 і BaLa2Ti4O12. Однак при легуванні титанату барію іонами РЗЕ, що мають середній іонний радіус (наприклад, ітрієм) окислюваль� но�відновні процеси мають певні особливості [2]. Кераміка на основі легованого ітрієм тита� Рис. 3. Дифрактограми відновленої форми легованого донорами титанату барію номінального складу до (1) і після (2) окислення в атмосфері повітря (20 год при 1150 °C): BT = BaTiO3, B6T17 = = Ba6Ti17O40, YT = Y2Yi2O7 3 3 0.025 4 0.9750.0250.975 OTiTiYBa ++ Примітка: R I 0 і Ε a I — відповідно опір зразка й енергія активації провідності в сегнетоелектричній області температур; 4nS 2/nD — співвідношення поверхневих концентрацій акцепторних станів ns і об'ємної концентрації електронів nD; R 0 III і Ε a III — відповідно опір зразка й енергія активації провідності при температурах вище області ПТКО. Зразок мав товщину 1 мм і діаметр 10 мм. Таблиця 1 Вплив РЗЕ на властивості сегнетоелектричної напівпровідникової кераміки (Ba1–хLnх)TiO3, де Ln — Y, La, Nd, Sm Параметр (Ba1–хYх)TiO3 (Ba1–хLaх)TiO3 (Ba1–хNdх)TiO3 (Ba1–хSmх)TiO3 х = 0,004 х = 0,005 х = 0,001 х = 0,002 х = 0,001 х = 0,002 х = 0,001 х = 0,002 R I 0, Ом Ε a I , еВ 4nS 2/nD, см–1 R 0 III, Ом Ε a III, еВ 1,5 0,09 9,1 · 108 107 0,2 2,1 0,07 9,8 · 108 115 0,4 0,26 0,037 5,7 · 108 101 0,43 0,32 0,01 5,96 · 108 106 0,60 0,48 0,031 5,22 · 108 102 0,38 0,87 0,01 1,3 · 109 125 0,57 0,27 0,024 1,08 · 109 103 0,36 1,0 0,019 1,12 · 109 124 0,69 нату барію має високі електрофізичні характе� ристики. Водночас інформація про зміну мік� роструктури при окисленні поверхневого шару зерен полікристалічного титанату барію, лего� ваного ітрієм, є важливою, оскільки дає змогу зрозуміти процеси, що протікають на границях зерен при синтезі ПТКО�матеріалів на осно� ві титанату барію. На рис. 3 показані дифрак� тограми зразка відновленої форми легованого донорами BaTiO3 з номінальною формулою до і після окислен� ня при 1 150 °С впродовж 20 год в атмосфері повітря. Як видно з рисунка, зразки перовс� китної фази до і після окислення характери� зуються тетрагональною деформацією (прос� торова група P4mm [3]). При окисленні зразків у вигляді таблеток при температурі 1 150 °С тільки області поблизу по� верхні зразків ставали світлими, що вказувало на їх окислення, у той час як усередині таблет� ка мала темний колір, що відповідає віднов� леній формі. Області всередині таблетки були однофазними, а поверхня зразка була багато� фазною (див. рис. 3, дифрактограма 2). Крім пе� ровскитної фази з'являлися фази Y2Ti2O7 зі структурою пірохлору (просторова група Fd3 m (227) [4]) і моноклінна сполука Ba6Ti17O40 (просторова група C2/c (15) [5]). На рис. 4 по� казана мікроструктура окисленого матеріалу біля поверхні зразка. Дослідження мікрострук� тури кераміки показали, що як у зразку з малою концентрацією ітрію, так і в зразку з великою його концентрацією після окислення з'являєть� ся фаза Ba6Ti17O40, що узгоджується з результа� тами рентгенівських досліджень. Ця фаза пере� важно розміщувалася всередині зерен матриці. Сполуку Ba6Ti17O40 спостерігали також при окислюванні спеченого при відновних умовах титанату барію, легованого лантаном [1] і церієм [6]. Другою фазою, що виділялася при окисленні зразка з великою концентрацією ітрію ( ), була фаза Y2Ti2O7. Частки цієї фази знайдені у двох різних формах: у вигляді малих прямокутних об'ємних фаз, а також у формі сферичних часток. Отримані результати показують, що у віднов� леній формі легованого ітрієм титанату барію проходить компенсація надлишкового заряду іт� рію електронами за рахунок часткового перехо� ду Ti4+ до Ti3+. Коли відновлена форма леговано� го ітрієм титанату барію ( ) піддається термообробці в окисних умовах, ме� ханізм компенсації донорів змінюється. Ком� пенсація заряду в цьому випадку відбувається за рахунок утворення вакансій у підгратці ти� тану з виділенням збагаченої титаном фази: (1) де y = x (1 — 3/22 x). Такий механізм компенсації заряду спостері� гається в зразках, легованих малою кількістю ітрію (яка не перевищує межі розчинності ітрію в позиції барію в умовах окислення). Якщо кількість ітрію перевищує межу роз� чинності, то при окисленні крім фази Ba6Ti17O40 додатково виділяється фаза Y2Ti2O7: де y = xC (1 — 3/22 x); z = x / (1–x). Використовуючи вказані вище напрацю� вання Інституту загальної та неорганічної хімії ім. В.І. Вернадського НАН України по створен� ню нагрівних елементів на основі напівпровід� никової кераміки, казенне підприємство "Хар� Науково4технічні інноваційні проекти Національної академії наук України Наука та інновації. № 1, 2009 41 3 3 0.025 4 0.9750.0250.975 OTiTiYBa ++ 3 3 x 4 x1xx1 OTiTiYBa ++ − • − 3 3 0.025 4 0.9750.0250.975 OTiTiYBa ++ 23 3 x 4 x1xx1 OOTiTiYBa 4 x+++ −– ,44 x y x 401763x/4 "" Ti 4 x/41xx1 OTiBaO)(VTiYBa ++ −−⎯→ ⎯→ 23 3 xx 4 )x(x1xx)x(x1 OOTiTiYBa 4 xx C CCCC +++ + + +−++− +⎯→ + −− 3/4x "" Ti 4 /4x1xx1 OVTiYBaz)–(1 CCCC C )(y x ⎯→ , + 44 xC 72240176 OTiOTiBa Y+ Рис. 4. Фаза Ba6Ti17O40 (а) і Y2Ti2O7 (б) у зернах матриці зразка номінальної складу після окислення в атмосфері повітря (20 год. при 1150 °C) 3 3 0.025 4 0.9750.0250.975 OTiTiYBa ++ a б Науково4технічні інноваційні проекти Національної академії наук України Наука та інновації. № 1, 200942 ківське конструкторське бюро з двигунобуду� вання" розробило і впровадило у виробництво малолітражних автотранспортних дизельних двигунів типу 2ДТ, 3ДТ та 4ДТ ряд пристроїв для полегшення пуску двигунів при низьких температурах (–5÷–20 °С) навколишнього се� редовища [7—9]. Для поліпшення пускових якостей розроб� леного в КП ХКБД енергоагрегату ЕА�10М доцільним було використання для підігріван� ня масла в його маслобаці термостабілізова� них керамічних нагрівачів. Для проведення досліджень був виготовлений дослідний зра� зок підігрівача масла, який складається з вось� ми секцій (рис. 5, a). В кожну секцію входив корпус, виготовлений із електроізолюючого матеріалу, двох тарілчастих пружин, негатив� ного і позитивного електродів та керамічного нагрівача (рис. 5, б). Зібраний пристрій вмон� Рис. 7. Температура масла у відсіку підігрівача масла в маслобаці енергоагрегату ЕА�10М (а) та на виході з маслобаку (б) при нагріванні нагрівачів: 1 — морозиль� на камера, 2 — лабораторний стенд, 3 — ЕА�10М Рис. 6. Схема закріплення термопар в маслобаці з боку двигуна (а) і корпуса енергоагрегату (б) а б а б Рис. 5. Підігрівач масла в маслобаці енергоагрегату ЕА�10 М з керамічними нагрівачами (а) та елементи сек� ції підігрівача масла (б) Науково4технічні інноваційні проекти Національної академії наук України Наука та інновації. № 1, 2009 43 тували в маслобак енергоагрегату. Для конт� ролю за температурою при підігріванні масла бак був оснащений термопарами. Схема зак� ріплення термопар наведена на рис. 6. Вип� робування нагрівача проводили при різних температурах як окремо, так і в складі енер� гоагрегату з використанням високов'язкого моторного масла "Галол" М4042ТД (М16). Температуру контролювали у різних точках (позначення t1—t6). Маслобак енергоагрегату виконаний таким чином, що нагрівач розміщується поблизу фільтра забірника і відгороджений екраном від основної ємності бака. Це дозволяє швид� ше прогріти масло біля фільтрозабірника (t2). У порожнині розміщення підігрівача (t6) мас� ло нагрівається від –20 до +60 °С за 6—7 хв (рис. 7). В подальшому завдяки саморегулю� ванню струм, споживаний керамічними нагрі� вачами, і, як наслідок, їх потужність значно зменшуються. Це дає можливість уникнути пе� регрівання масла біля нагрівача і поступово нагріти масло поблизу забірного фільтра. Нап� риклад, через 30 с від початкового розрахунко� вого струму 160 А він знижується до 30—40 А, а впродовж основного часу нагрівання масла (30 хв) — до 8—12 А. Середня споживана потуж� ність нагрівача знаходиться в межах 300 Вт. При проведенні випробувань в морозиль� ній камері масло найбільш інтенсивно прогрі� вається біля забірного фільтра на виході з ба� ку (рис. 7). В інших точках нагрівання менш інтенсивне і найменше у найвіддаленішій точ� ці маслобаку (t5). Це пояснюється тим, що по� рожнина установки фільтра і підігрівача від� городжена екраном від основного баку, а та� кож малою теплопровідністю масла. Але, незважаючи на це, в морозильній камері мас� ло в баці нагрілось від –20 °С до позитивної температури (табл. 2). При проведенні випро� бувань на стенді бак з маслом охолоджувався в морозильній камері до температури –20 °С. Далі нагрівач підключався до джерела жив� лення і через 30 хв насосом прокачувалося Таблиця 2 Значення струму через нагрівач (А) і температури (°С) в різних точках при підігріванні масла в маслобаці енергоагрегату ЕА!10М τ, хв 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 25 30 В морозильній камері I, А t6 t1 t2 t3 t4 t5 — –23 –20 –21 –18 –18 –18 11,6 –21 –20 –20 –18 –18 –18 9,6 –19 –16 –20 –16 –16 –16 9,4 –15 –13 –20 –14 –12 –15 9,4 –10 –8 –13 –11 –8 –13 9,3 –7 –3 –2 –10 –5 –12 9,2 –5 0 2 –8 –3 –11 9 –3,5 +3 22 –5 –1 –10 8,9 –1,5 6,5 31 –3 0 –9 8,6 0 11 35 0 1 –8 8,4 1 14 40 2 2 –7 8,0 2 22 49 4 3 –3 7,8 3 26 52 8 5 1 τ, c 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 25 30 На стенді, де насосом прокачується масло, після охолодження в морозильній камері до –20 °С I, А t6 t2 t3 t4 — –20 –13 –10 –12 10,8 –16 –12 –10 –11 9,2 20 –10 –6 –6 9,2 55 –6,5 –3,5 –3,5 9 62 5 –1 –1 9 66 14 0 0 8,8 68 20,5 0,5 1 8,4 69 29 1 1,5 8,2 70,5 36,5 2 3 8,0 73 43 4 4,5 7,6 75 49 8 7 7,5 76 55 11 8 7,2 77,5 59 15 11 масло. При цьому температура трубопроводів по всій трасі підвищувалась, а масло, що по� верталося в бак після прокачування, мало температуру до +10 °С. Випробування підігрі� вача масла в енергоагрегаті проводилося при температурі навколишнього середовища –1 °С. Підігрівання масла виконувалося протягом 14 хв, при цьому масло на виході з бака прог� рілось до 56 °С (t2), а на вході в маслонасос — до 10 °С. При прокачуванні масла через двигун тиск в масляний системі досягав 0,5 кгс/см2 че� рез 6 с, після чого двигун миттєво запустився. Таким чином, проведені випробування по� казали ефективність запропонованого підігрі� вача з керамічними нагрівачами. Такий підіг� рівач дає можливість застосувати для дизеля енергоагрегату ЕА�10М масло в'язкістю 16 сСт (сантистокс, 1 сСт = 1 мм2/c) при температурі навколишнього середовища до –20 °С. ВИСНОВКИ 1. Виникнення напівпровідникових власти� востей при введенні в титанат барію рідкіснозе� мельних елементів пов'язане з формуванням твердого розчину Ba2+Ti4+O3—Ln3+Ti3+O3. Визна� чені концентраційні інтервали, в яких існують напівпровідникові властивості в (Ba1–XLnX)TiO3, де Ln — Y, La, Nd, Sm, Dy. Показано, що найшир� ший концентраційний інтервал, в якому фор� муються напівпровідникові властивості, спос� терігається при гетеровалентному заміщенні барію ітрієм. Гетеровалентне заміщення іонів в кристалографічній підгратці барію має в ря� ді випадків більш широку область концентра� цій гетеровалентних заміщень, в якій існують сегнетоелектрики�напівпровідники. Це важли� во при оптимізації вибору хімічної основи для створення нагрівних елементів. 2. Дослідження сегнетоелектричної напівпро� відникової кераміки (Ba1–хLnх)TiO3, де Ln — Y, La, Nd, Sm методом комплексного імпедансу показав, що в ітрієвмісній кераміці основний внесок в ефект ПТКО дають електрофізичні властивості границь зерна. В той же час в лан� тан�, самарій� і неодимвмісній кераміці поміт� ний внесок в ефект ПТКС дають електрофізич� ні властивості як границь зерен, так і зовнішнь� ого шару. Незалежно від природи РЗЕ темпера� турна залежність провідності об'єму зерна має напівпровідниковий характер. Підвищення сту� пеня заміщення іонів барію іонами РЗЕ приво� дить до зниження величини потенційного бар'є� ра на границі зерен. 3. Окислення титанату барію, легованого малими концентраціями ітрію, відбувається з виділенням фази Ba6Ti17O40. Після окислення при 1 150 °C фаза Ba6Ti17O40 виділяється у двох різних формах: у вигляді об'ємних виді� лень при гетерогенному зародженні й у виг� ляді пластин при гомогенному зародженні, а після окислювання при 1 350 °C — у вигляді кулястих частинок. Окислення титанату барію, легованого великими концентраціями ітрію, відбувається з виділенням фаз Ba6Ti17O40 і Y2Ti2O7. Частки фази Y2Ti2O7 виділяються у двох різних формах: у вигляді прямокутних об'ємних виділень і у вигляді великих куляс� тих виділень. На підставі отриманих резуль� татів можна судити про процеси, що протіка� ють при синтезі ПТКО кераміки на основі ти� танату барію, легованої ітрієм. 4. В Інституті загальної та неорганічної хі� мії ім. В.I. Вернадського НАН України були розроблені різноманітні термостабілізовані керамічні нагрівні елементи на основі легова� ного метатитанату барію, робоча температура яких підтримувалась автоматично. На основі цих нагрівних елементів у Казенному підпри� ємстві "Харківське конструкторське бюро з двигунобудування" були розроблені пристрої для підігрівання масла в маслобаці установки енергоагрегату ЕА�10М, що дало можливість значно (на 10—20 °С) знизити температуру запуску дизельного двигуна в холодну пору. ЛІТЕРАТУРА 1. Makovec D., Drofenik M. Microstructural Changes dur� ing the Reduction / Reoxidation Process in Donor�Do� ped BaTiO3 Ceramics // J. Am. Ceram. Soc. — 2008. — V. 3, № 10. — P. 2593—2599. Науково4технічні інноваційні проекти Національної академії наук України Наука та інновації. № 1, 200944 Науково4технічні інноваційні проекти Національної академії наук України Наука та інновації. № 1, 2009 45 2. Belous A.G., V'yunov O.I., Yanchevskii O.Z., Kovalenko L.L. Thermodynamic and Experimental Investigation of the Effect of Rare�earth Ions (Ln3+) Nature on the Posistor Properties of Ba1–xLn3+ xTiO3 // Key Engineering Mate� rials. — 1997. — 132—136, Part 1. — P. 1313—1316. 3. Evans H.T. An X�Ray Diffraction Study of Tetragonal Bari� um Titanate // Acta Cryst. — 1961. — 14. — P. 1019—1026. 4. Kato M., Kubo T. Solid State Reaction in the System of Y2O3 — TiO2 // J. Chem. Soc. Jpn. — 1967. — 70, № 6. — P. 840—843. 5. Negas T., Roth R.S., Parker H.S., Minor D. Subsolidus Phase Relations in the BaTiO3 — TiO2 System // J. So� lid Stale Chem. —1981. — № 9. — Р. 287—307. 6. Makovec D., Kolar D. Internal Oxidation of Ce3+ — BaTiO3 Solid Solutions // J. Am. Ceram. Soc. — 1997. № 80 [1] — Р. 45—52. 7. Бородин Ю.С., Грицюк А.В., Дороженко А.Н., Деми$ денко Д.В., Кондратенко В.Г. Устройство локального предпускового подогрева коренных подшипников коленчатого вала дизеля на основе позисторной ке� рамики // Двигатели внутреннего сгорания. —2003. — № 1—2. — С. 15—19. 8. Грицюк О.В., Демиденко Д.В., Білоус О.Г., Ступін Ю.Д. Досвід застосування позисторної кераміки в пристро� ях локального передпускового підігріву вузлів і сис� тем автотракторного дизеля // Авіаційно�космічна техніка і технологія. — 2006. — № 7(33). — С. 109—113. 9. Грицюк А.В., Кондратенко В.Г., Щербаков Г.А. Совер� шенствование конструкции топливной системы ав� тотракторного дизеля для улучшения её работы в ус� ловиях зимней эксплуатации // Двигатели внутрен� него сгорания. — 2006. — № 1. — С. 109—114. А. Г. Белоус, О.И. Вьюнов, Ю.Д. Ступин, О.В. Грицюк, О.М. Дороженко ТЕРМОСТАБИЛИЗИРОВАННЫЕ КЕРАМИЧЕСКИЕ НАГРЕВАТЕЛИ ДЛЯ СИСТЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ МАЛОЛИТРАЖНЫХ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЭНЕРГОАГРЕГАТОВ Выбраны оптимальные химические составы для соз� дания нагревающих элементов на основе сегнетоэлект� рической полупроводниковой керамики. Проанализи� рованы процессы, которые протекают при синтезе ПТКС керамики c положительным температурным ко� эффициентом электрического сопротивления на основе легированного иттрием титаната бария. Исследованы факторы, которые влияют на электрофизические харак� теристики керамики. В Институте общей и неоргани� ческой химии им. В.И. Вернадского НАН Украины бы� ли разработаны различные термостабилизированные керамические нагревающие элементы на основе легиро� ванного метатитаната бария, рабочая температура кото� рых поддерживается автоматически. На основе этих наг� ревающих элементов в Казенном предприятии "Харько� вское конструкторское бюро двигателестроения" были созданы устройства для подогрева масла в маслобаке энергоагрегата ЭА�10М, что позволило значительно (на 10—20 °С) снизить температуру запуска его дизельного двигателя в холодное время. К л ю ч е в ы е с л о в а: титанат бария, легирование, границы зерен, нагревающие элементы, устройство для подогрева масла, дизельный двигатель. A.G. Belous, O.I. V'yunov, Yu.D. Stupin, A.V. Grytsyuk, O.M. Dorozenko THERMAL STABILIZED CERAMIC HEATERS FOR WORK�SUPPORT SYSTEM OF LOW�CAPACITY AUTOMOBILE DIESEL ENGINES OF POWER UNIT The optimal chemical compositions have been chosen for the development of heating elements based on ferroelectric� semiconducting ceramics. The processes, which take place during the synthesis of the PTCR yttrium�doped barium titanate ceramics, have been analysed. The factors affecting ceramics electrophysical properties have been studied. In V.I. Vernadskii Institute of General and Inorganic Chemist� ry of NAS of Ukraine various doped by barium titanate ther� mo�stabilized ceramic heating elements with working tem� perature automatic control have been developed. These hea� ting elements have been used by State Enterprise "Kharkiv design office for engine building" as a basis of oil heating devices which have been developed for the utilization in oil tanks of "ЕА�10М" power units. This allowed a significant (by 10—20 °С) reduction of the starting temperature of a diesel engine in a cold season. K e y w o r d s: barium titanate, doping, grain boundari� es, heating elements, oil heating device, diesel engine. Надійшла до редакції 17.04.08.
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-14847
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1815-2066
language	Ukrainian
last_indexed	2025-12-07T18:41:27Z
publishDate	2009
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
record_format	dspace
spelling	Білоус, А.Г. В’юнов, О.І. Ступін, Ю.Д. Грицюк, О.В. Дороженко, О.М. 2010-12-29T13:07:51Z 2010-12-29T13:07:51Z 2009 Термостабілізовані керамічні нагрівачі для систем забезпечення працездатності малолітражних дизельних двигунів енергоагрегатів / А.Г. Білоус, О.І. В’юнов, Ю.Д. Ступін, О.В. Грицюк, О.М. Дороженко // Наука та інновації. — 2009. — Т. 4, № 1. — С. 34-45. — Бібліогр.: 9 назв. — укр. 1815-2066 DOI: doi.org/10.15407/scin5.01.036 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/14847 Вибрано оптимальні хімічні склади для створення нагрівних елементів на основі сегнетоелектричної напівпровідникової кераміки. Проаналізовано процеси, що протікають при синтезі кераміки з позитивним температурним коефіцієнтом електричного опору на основі титанату барію, легованого ітрієм. Досліджено фактори, які впливають на електрофізичні характеристики кераміки. В Інституті загальної та неорганічної хімії ім. В.I. Вернадського НАН України були розроблені різноманітні термостабілізовані керамічні нагрівні елементи на основі легованого метатитанату барію, робоча температура яких підтримується автоматично. На основі цих елементів в Казенному підприємстві "Харківське конструкторське бюро з двигунобудування" були створені пристрої для підігріву масла в маслобаці енергоагрегату ЕА-10М, що дало можливість значно (на 10—20 °С) знизити температуру запуску його дизельного двигуна в холодну пору. Выбраны оптимальные химические составы для создания нагревающих элементов на основе сегнетоэлектрической полупроводниковой керамики. Проанализированы процессы, которые протекают при синтезе ПТКС керамики c положительным температурным коэффициентом электрического сопротивления на основе легированного иттрием титаната бария. Исследованы факторы, которые влияют на электрофизические характеристики керамики. В Институте общей и неорганической химии им. В.И. Вернадского НАН Украины были разработаны различные термостабилизированные керамические нагревающие элементы на основе легированного метатитаната бария, рабочая температура которых поддерживается автоматически. На основе этих нагревающих элементов в Казенном предприятии "Харьковское конструкторское бюро двигателестроения" были созданы устройства для подогрева масла в маслобаке энергоагрегата ЭА-10М, что позволило значительно (на 10—20 °С) снизить температуру запуска его дизельного двигателя в холодное время. The optimal chemical compositions have been chosen for the development of heating elements based on ferroelectric-semiconducting ceramics. The processes, which take place during the synthesis of the PTCR yttrium-doped barium titanate ceramics, have been analysed. The factors affecting ceramics electrophysical properties have been studied. In V.I. Vernadskii Institute of General and Inorganic Chemistry of NAS of Ukraine various doped by barium titanate thermo-stabilized ceramic heating elements with working temperature automatic control have been developed. These heating elements have been used by State Enterprise "Kharkiv design office for engine building" as a basis of oil heating devices which have been developed for the utilization in oil tanks of "ЕА-10М" power units. This allowed a significant (by 10—20 °С) reduction of the starting temperature of a diesel engine in a cold season. Key words: barium titanate, doping, grain boundaries, heating elements, oil heating device, diesel engine. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України Термостабілізовані керамічні нагрівачі для систем забезпечення працездатності малолітражних дизельних двигунів енергоагрегатів. Термостабилизированные керамические нагреватели для систем обеспечения работоспособности малолитражных дизельных двигательных энергоагрегатов Thermal Stabilized Ceramic Heaters for Work-Support System of Low-Capacity Diesel Engines of Power Units Article published earlier
spellingShingle	Термостабілізовані керамічні нагрівачі для систем забезпечення працездатності малолітражних дизельних двигунів енергоагрегатів. Білоус, А.Г. В’юнов, О.І. Ступін, Ю.Д. Грицюк, О.В. Дороженко, О.М. Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
title	Термостабілізовані керамічні нагрівачі для систем забезпечення працездатності малолітражних дизельних двигунів енергоагрегатів.
title_alt	Термостабилизированные керамические нагреватели для систем обеспечения работоспособности малолитражных дизельных двигательных энергоагрегатов Thermal Stabilized Ceramic Heaters for Work-Support System of Low-Capacity Diesel Engines of Power Units
title_full	Термостабілізовані керамічні нагрівачі для систем забезпечення працездатності малолітражних дизельних двигунів енергоагрегатів.
title_fullStr	Термостабілізовані керамічні нагрівачі для систем забезпечення працездатності малолітражних дизельних двигунів енергоагрегатів.
title_full_unstemmed	Термостабілізовані керамічні нагрівачі для систем забезпечення працездатності малолітражних дизельних двигунів енергоагрегатів.
title_short	Термостабілізовані керамічні нагрівачі для систем забезпечення працездатності малолітражних дизельних двигунів енергоагрегатів.
title_sort	термостабілізовані керамічні нагрівачі для систем забезпечення працездатності малолітражних дизельних двигунів енергоагрегатів.
topic	Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
topic_facet	Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/14847
work_keys_str_mv	AT bílousag termostabílízovaníkeramíčnínagrívačídlâsistemzabezpečennâpracezdatnostímalolítražnihdizelʹnihdvigunívenergoagregatív AT vûnovoí termostabílízovaníkeramíčnínagrívačídlâsistemzabezpečennâpracezdatnostímalolítražnihdizelʹnihdvigunívenergoagregatív AT stupínûd termostabílízovaníkeramíčnínagrívačídlâsistemzabezpečennâpracezdatnostímalolítražnihdizelʹnihdvigunívenergoagregatív AT gricûkov termostabílízovaníkeramíčnínagrívačídlâsistemzabezpečennâpracezdatnostímalolítražnihdizelʹnihdvigunívenergoagregatív AT doroženkoom termostabílízovaníkeramíčnínagrívačídlâsistemzabezpečennâpracezdatnostímalolítražnihdizelʹnihdvigunívenergoagregatív AT bílousag termostabilizirovannyekeramičeskienagrevatelidlâsistemobespečeniârabotosposobnostimalolitražnyhdizelʹnyhdvigatelʹnyhénergoagregatov AT vûnovoí termostabilizirovannyekeramičeskienagrevatelidlâsistemobespečeniârabotosposobnostimalolitražnyhdizelʹnyhdvigatelʹnyhénergoagregatov AT stupínûd termostabilizirovannyekeramičeskienagrevatelidlâsistemobespečeniârabotosposobnostimalolitražnyhdizelʹnyhdvigatelʹnyhénergoagregatov AT gricûkov termostabilizirovannyekeramičeskienagrevatelidlâsistemobespečeniârabotosposobnostimalolitražnyhdizelʹnyhdvigatelʹnyhénergoagregatov AT doroženkoom termostabilizirovannyekeramičeskienagrevatelidlâsistemobespečeniârabotosposobnostimalolitražnyhdizelʹnyhdvigatelʹnyhénergoagregatov AT bílousag thermalstabilizedceramicheatersforworksupportsystemoflowcapacitydieselenginesofpowerunits AT vûnovoí thermalstabilizedceramicheatersforworksupportsystemoflowcapacitydieselenginesofpowerunits AT stupínûd thermalstabilizedceramicheatersforworksupportsystemoflowcapacitydieselenginesofpowerunits AT gricûkov thermalstabilizedceramicheatersforworksupportsystemoflowcapacitydieselenginesofpowerunits AT doroženkoom thermalstabilizedceramicheatersforworksupportsystemoflowcapacitydieselenginesofpowerunits

Термостабілізовані керамічні нагрівачі для систем забезпечення працездатності малолітражних дизельних двигунів енергоагрегатів.

Institution

Similar Items