張全中　魏志明

摘 要：適度隔熱發(fā)動(dòng)機(jī)是對(duì)燃燒室等主要受熱零部件采取隔熱措施處理的發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，通過燃燒室表面向冷卻水的傳熱減少，可以顯著減小發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的整體尺寸。該文重點(diǎn)對(duì)表面隔熱技術(shù)和適度隔熱發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響進(jìn)行闡述，探討了適度隔熱發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：適度隔熱 發(fā)動(dòng)機(jī)性能 隔熱材料

中圖分類號(hào)：TG306 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）02（a）-0096-02

適度隔熱發(fā)動(dòng)機(jī)是對(duì)燃燒室等主要受熱零部件采取隔熱措施處理的發(fā)動(dòng)機(jī)。采取隔熱處理后，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，通過燃燒室表面?zhèn)飨蚶鋮s水的熱量減少，相應(yīng)地由冷卻水帶走的傳熱損失減小，可以顯著減小發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的整體尺寸。

從理論的角度提出隔熱發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)想由來已久，但真正實(shí)現(xiàn)則與材料科學(xué)的發(fā)展分不開。20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的碳化硅和氮化硅結(jié)構(gòu)陶瓷，為柴油機(jī)應(yīng)用陶瓷材料展示了良好的前景，金屬表面等離子噴涂氧化鋯工藝，也為柴油機(jī)燃燒室表面隔熱提供了可行的方法。20世紀(jì)70年代，美國(guó)康明斯公司為美軍研制低散熱發(fā)動(dòng)機(jī)是公認(rèn)的隔熱發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品研發(fā)的開端。

相比國(guó)外一些國(guó)家，我國(guó)適度隔熱發(fā)動(dòng)機(jī)的研究要稍晚，且研究方向主要是民用柴油機(jī)，解決的重點(diǎn)是沙漠缺水地區(qū)的發(fā)動(dòng)機(jī)使用問題。許多單位在陶瓷材料、噴涂工藝、發(fā)動(dòng)機(jī)性能研究等方面進(jìn)行了大量的工作。

1 燃燒室表面隔熱技術(shù)

1.1 隔熱材料

熱障涂層是利用陶瓷材料熱導(dǎo)率低、抗氧化、耐熱沖擊等特性制備的熱絕緣陶瓷層，在高溫載荷下，形成沿涂層厚度的高溫梯度，減弱向基體的傳熱，從而降低基體的工作溫度，提高基體的抗高溫氧化、抗腐蝕和抗磨損性能，金屬粘結(jié)層起到陶瓷涂層和基體物理兼容性的作用[1-4]，但普通隔熱陶瓷材料的機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性、耐循環(huán)性、耐久性和壽命都很難滿足要求，功能梯度材料應(yīng)運(yùn)而生。

功能梯度材料是一種與其他材料混合后會(huì)同時(shí)具備自身與被混合材料功能的材料，如圖1所示。本研究所采用的功能梯度材料為陶瓷、金屬混合材料。圖1的左側(cè)表示發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室表面，擁有100%的具有耐熱性和隔熱性的陶瓷功能，圖1的右側(cè)表示功能梯度材料與金屬部件結(jié)合面，擁有100%的金屬功能。因此，在右側(cè)結(jié)合面位置，即使在高溫下，也能夠防止功能梯度材料與金屬部件之間由于膨脹系數(shù)差異而出現(xiàn)剝離。兩材料混合比的中間區(qū)域，根據(jù)陶瓷與金屬的混合比例，具有兩種材料的中間的功能。

1.2 隔熱涂層的制備方法

目前，隔熱涂層已經(jīng)發(fā)展將近30年，隔熱涂層的制備工藝技術(shù)越來越成熟，不斷改進(jìn)創(chuàng)新。當(dāng)前，制備隔熱涂層比較成熟的方法大氣等離子體噴涂，近年來的電子束物理氣相沉積也正在日趨成熟，應(yīng)用激光處理來提高熱障涂層性能的研究也逐漸增多，化學(xué)氣相沉積方法制備隔熱涂層正在發(fā)展之中。

1.2.1 氣相沉積法

氣相沉積法是將反應(yīng)物經(jīng)氣相傳質(zhì)方式沉積在襯底材料上，通過控制溫度和原料氣體的壓力， 調(diào)節(jié)和控制薄膜的組織和結(jié)構(gòu)來制造隔熱層材料的方法。氣相沉積法根據(jù)沉積過程中沉積粒子的來源不同可以分為化學(xué)氣相法（CVD法）和物理氣相沉積法（PVD法）。

氣相沉積法的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)材料組分的連續(xù)變化，沉積速率高，膜層致密、均勻、適宜形狀復(fù)雜的工件，缺點(diǎn)是難以得到尺寸較大的厚膜材料[5]。

1.2.2 粉末冶金法

粉末冶金法其方式是先按設(shè)計(jì)的物料層數(shù)和組分分布比制備各層混合均勻物料， 然后分層布料加壓，制成一定致密度的坯體， 最后燒結(jié)而成。

林化春等采用此法已制出WC-Co、WC-Ni系功能梯度材料，日本采用此法制備出ZrO2-W、Al2O3-W-Ni-Cr系功能梯度材料，加拿大采用此法得到了Al2O3 - ZrO3 系功能梯度材料[6]。

1.2.3 等離子噴涂法

等離子噴涂法是通過改變陶瓷和合金粉料的不同配比，使層與層之間的成分達(dá)到連續(xù)變化，同時(shí)通過調(diào)節(jié)射流的速度和溫度等工藝參數(shù)，可以使組織具有一定程度的變化，得到性能比較優(yōu)越的功能梯度材料。

1.2.4 離心鑄造法

離心鑄造法的原理是利用離心力場(chǎng)中合金比重差異引起的表面沉積特性來制備梯度功能材料。此方法可制得高密度和大尺寸的梯度材料，不適用于高熔點(diǎn)的陶瓷系梯度材料。國(guó)外一些國(guó)家利用此法制備出聚合物基碳系、鋁鐵合金梯度材料[7]。

1.2.5 激光重熔法

采用激光重熔法可以降低等離子涂層的高氣孔率，組織均勻致密，表面粗糙度低，提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度！激光重熔后可改善熱障涂層耐熱循環(huán)壽命和抗氧化性，可提高2倍以上。

2 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

燃燒室采取表面隔熱措施后，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程發(fā)生了變化，導(dǎo)致性能與非隔熱發(fā)動(dòng)機(jī)有所不同，以下分別就對(duì)燃燒過程和經(jīng)濟(jì)型等方面進(jìn)行闡述。

2.1 充氣效率

充氣效率是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣能力的表征。它取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)境條件。通過增加隔熱層降低散熱量會(huì)導(dǎo)致適度隔熱發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壁面溫度升高。充氣效率應(yīng)該下降，因?yàn)闇囟容^高的壁面和殘留氣體會(huì)使吸入空氣的密度降低。正如預(yù)期，所有適度隔熱發(fā)動(dòng)機(jī)的研究顯示充氣效率下降。通過采用渦輪增壓和更加有效地利用廢氣能量可防止適度隔熱發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率的惡化。圖2所示是普通發(fā)動(dòng)機(jī)和適度隔熱發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率與制動(dòng)功率的變化關(guān)系[8]。

2.2 熱效率

熱效率是以燃料形式存在的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成有用功的實(shí)際效率。通過減少缸內(nèi)傳熱而改善發(fā)動(dòng)機(jī)效率是適度隔熱發(fā)動(dòng)機(jī)研究的主要目的。在許多研究所對(duì)適度隔熱發(fā)動(dòng)機(jī)降低散熱和獲得高效率的潛力進(jìn)行了大量研究工作。研究者將此歸結(jié)于缸內(nèi)傳熱量的降低和較低的熱通量。盡管他們的報(bào)告指出熱效率因隔熱而降低，他們將此歸結(jié)于傳熱系數(shù)的增大、較高的熱通量（缸內(nèi)傳熱增多）以及燃燒的惡化。endprint

最近日本報(bào)道，用高速照相機(jī)對(duì)燃燒室內(nèi)的燃燒情況進(jìn)行了拍攝，拍攝速度為每秒10000幀。圖3是利用該照相機(jī)拍攝的燃燒照片。圖3（a）為金屬部件構(gòu)成的燃燒室中，燃燒室壁表面溫度較低時(shí)燃料燃燒的情況；圖3（b）為陶瓷部件構(gòu)成的燃燒室中，燃燒室壁表面溫度較高時(shí)燃燒的情況。二者都為試驗(yàn)?zāi)M燃燒。圖3（b）所示的陶瓷燃燒室中，在上死點(diǎn)前，曲軸轉(zhuǎn)角-11.0°時(shí)，可以觀察到有相當(dāng)一部分燃料已經(jīng)著火，與圖3（a）相比，可以看出燃料著火提前。另外，在曲軸轉(zhuǎn)角為-7.0°時(shí)，與圖3（a）相比，圖3（b）中火焰中心附近，茶色部分較多，可以判斷火焰溫度較低，熱效率出現(xiàn)了惡化。

2.3 燃油消耗

大量研究者對(duì)缸內(nèi)隔熱對(duì)燃油消耗的影響進(jìn)行了模擬和分析。通常，與傳統(tǒng)冷卻式發(fā)動(dòng)機(jī)相比，報(bào)告稱，自然吸氣式LHR發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率為0%～10%及以上，渦輪增壓LHR發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率為0%～15%及以下。R.H.Thrimj顯示燃油消耗率降低，是由于壁面溫度升高而導(dǎo)致的摩擦減小。他還聲稱，根據(jù)涉及的熱力學(xué)，燃油消耗量的測(cè)量結(jié)果無改進(jìn)[8]，見圖4。

3 發(fā)展方向

隔熱材料的研究和應(yīng)用正在向新材料、新工藝、新的設(shè)計(jì)理念和多種表面復(fù)合處理技術(shù)的方向迅速發(fā)展。伴隨著現(xiàn)代等離子噴涂技術(shù)向數(shù)控、智能和精確噴涂發(fā)展的趨勢(shì)，應(yīng)用先進(jìn)的等離子技術(shù)和其他新技術(shù)、新工藝的結(jié)合，制備新一代長(zhǎng)壽命、高可靠性、大體積、復(fù)合/連續(xù)梯度功能隔熱材料，是今后一段時(shí)期隔熱材料發(fā)展的主要方向之一。

適度隔熱發(fā)動(dòng)機(jī)不同隔熱率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響規(guī)律未明確，需要針對(duì)某些具體機(jī)型研究不同隔熱率情況下的燃燒系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化研究，同時(shí)對(duì)整機(jī)的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行匹配優(yōu)化，適度隔熱發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際應(yīng)用提供基礎(chǔ)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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[5] 李智慧，何小鳳，李運(yùn)剛.功能梯度材料的研究現(xiàn)狀[J].河北理工學(xué)院學(xué)報(bào)， 2007，29（6）：45-50.

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[8] Jaichandar，S，Tamilporai，P.Low Heat Rejection Engines-An Overview，SAE Technical Paper 2003-01-0405，2003.endprint

最近日本報(bào)道，用高速照相機(jī)對(duì)燃燒室內(nèi)的燃燒情況進(jìn)行了拍攝，拍攝速度為每秒10000幀。圖3是利用該照相機(jī)拍攝的燃燒照片。圖3（a）為金屬部件構(gòu)成的燃燒室中，燃燒室壁表面溫度較低時(shí)燃料燃燒的情況；圖3（b）為陶瓷部件構(gòu)成的燃燒室中，燃燒室壁表面溫度較高時(shí)燃燒的情況。二者都為試驗(yàn)?zāi)M燃燒。圖3（b）所示的陶瓷燃燒室中，在上死點(diǎn)前，曲軸轉(zhuǎn)角-11.0°時(shí)，可以觀察到有相當(dāng)一部分燃料已經(jīng)著火，與圖3（a）相比，可以看出燃料著火提前。另外，在曲軸轉(zhuǎn)角為-7.0°時(shí)，與圖3（a）相比，圖3（b）中火焰中心附近，茶色部分較多，可以判斷火焰溫度較低，熱效率出現(xiàn)了惡化。

2.3 燃油消耗

大量研究者對(duì)缸內(nèi)隔熱對(duì)燃油消耗的影響進(jìn)行了模擬和分析。通常，與傳統(tǒng)冷卻式發(fā)動(dòng)機(jī)相比，報(bào)告稱，自然吸氣式LHR發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率為0%～10%及以上，渦輪增壓LHR發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率為0%～15%及以下。R.H.Thrimj顯示燃油消耗率降低，是由于壁面溫度升高而導(dǎo)致的摩擦減小。他還聲稱，根據(jù)涉及的熱力學(xué)，燃油消耗量的測(cè)量結(jié)果無改進(jìn)[8]，見圖4。

3 發(fā)展方向

隔熱材料的研究和應(yīng)用正在向新材料、新工藝、新的設(shè)計(jì)理念和多種表面復(fù)合處理技術(shù)的方向迅速發(fā)展。伴隨著現(xiàn)代等離子噴涂技術(shù)向數(shù)控、智能和精確噴涂發(fā)展的趨勢(shì)，應(yīng)用先進(jìn)的等離子技術(shù)和其他新技術(shù)、新工藝的結(jié)合，制備新一代長(zhǎng)壽命、高可靠性、大體積、復(fù)合/連續(xù)梯度功能隔熱材料，是今后一段時(shí)期隔熱材料發(fā)展的主要方向之一。

適度隔熱發(fā)動(dòng)機(jī)不同隔熱率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響規(guī)律未明確，需要針對(duì)某些具體機(jī)型研究不同隔熱率情況下的燃燒系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化研究，同時(shí)對(duì)整機(jī)的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行匹配優(yōu)化，適度隔熱發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際應(yīng)用提供基礎(chǔ)依據(jù)。

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[7] 徐智謀.功能梯度材料和低溫制備研究現(xiàn)狀及展望[J].表面技術(shù)，2000，29（2）： 1-3.

[8] Jaichandar，S，Tamilporai，P.Low Heat Rejection Engines-An Overview，SAE Technical Paper 2003-01-0405，2003.endprint

最近日本報(bào)道，用高速照相機(jī)對(duì)燃燒室內(nèi)的燃燒情況進(jìn)行了拍攝，拍攝速度為每秒10000幀。圖3是利用該照相機(jī)拍攝的燃燒照片。圖3（a）為金屬部件構(gòu)成的燃燒室中，燃燒室壁表面溫度較低時(shí)燃料燃燒的情況；圖3（b）為陶瓷部件構(gòu)成的燃燒室中，燃燒室壁表面溫度較高時(shí)燃燒的情況。二者都為試驗(yàn)?zāi)M燃燒。圖3（b）所示的陶瓷燃燒室中，在上死點(diǎn)前，曲軸轉(zhuǎn)角-11.0°時(shí)，可以觀察到有相當(dāng)一部分燃料已經(jīng)著火，與圖3（a）相比，可以看出燃料著火提前。另外，在曲軸轉(zhuǎn)角為-7.0°時(shí)，與圖3（a）相比，圖3（b）中火焰中心附近，茶色部分較多，可以判斷火焰溫度較低，熱效率出現(xiàn)了惡化。

2.3 燃油消耗

大量研究者對(duì)缸內(nèi)隔熱對(duì)燃油消耗的影響進(jìn)行了模擬和分析。通常，與傳統(tǒng)冷卻式發(fā)動(dòng)機(jī)相比，報(bào)告稱，自然吸氣式LHR發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率為0%～10%及以上，渦輪增壓LHR發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率為0%～15%及以下。R.H.Thrimj顯示燃油消耗率降低，是由于壁面溫度升高而導(dǎo)致的摩擦減小。他還聲稱，根據(jù)涉及的熱力學(xué)，燃油消耗量的測(cè)量結(jié)果無改進(jìn)[8]，見圖4。

3 發(fā)展方向

隔熱材料的研究和應(yīng)用正在向新材料、新工藝、新的設(shè)計(jì)理念和多種表面復(fù)合處理技術(shù)的方向迅速發(fā)展。伴隨著現(xiàn)代等離子噴涂技術(shù)向數(shù)控、智能和精確噴涂發(fā)展的趨勢(shì)，應(yīng)用先進(jìn)的等離子技術(shù)和其他新技術(shù)、新工藝的結(jié)合，制備新一代長(zhǎng)壽命、高可靠性、大體積、復(fù)合/連續(xù)梯度功能隔熱材料，是今后一段時(shí)期隔熱材料發(fā)展的主要方向之一。

適度隔熱發(fā)動(dòng)機(jī)不同隔熱率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響規(guī)律未明確，需要針對(duì)某些具體機(jī)型研究不同隔熱率情況下的燃燒系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化研究，同時(shí)對(duì)整機(jī)的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行匹配優(yōu)化，適度隔熱發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際應(yīng)用提供基礎(chǔ)依據(jù)。

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[6] 陳東.功能梯度材料的進(jìn)展[J].青島建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，22（4）：92-95.

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[8] Jaichandar，S，Tamilporai，P.Low Heat Rejection Engines-An Overview，SAE Technical Paper 2003-01-0405，2003.endprint