【印度】 M.A.QuaziS.Parashar

廢氣凈化

熱障涂層對非道路用柴油機(jī)性能和排放的影響

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一方面，內(nèi)燃機(jī)的性能應(yīng)隨著某些技術(shù)要求和燃料費(fèi)用的快速提高而有所改善。另一方面，由于使用替代燃料和環(huán)境的要求，也迫使人們改進(jìn)發(fā)動機(jī)使用的材料。因此，發(fā)動機(jī)材料的性能變得越來越重要。業(yè)內(nèi)對引入熱障涂層（TBC）的隔熱柴油機(jī)的試驗(yàn)研究產(chǎn)生了一些爭議。有些報(bào)道稱，發(fā)動機(jī)效率會隨著隔熱有所提高，而另一些報(bào)道的結(jié)論則為之相反，也有報(bào)道給出了喜憂參半的結(jié)論。對基本型發(fā)動機(jī)和隔熱（活塞頂采用等離子噴涂法涂覆氧化鋯涂層）柴油機(jī)放熱情況進(jìn)行的比較分析。涂層系統(tǒng)會影響到燃油消耗率、功率、燃燒效率、污染物含量和發(fā)動機(jī)零部件的疲勞壽命。采用等離子體熱噴涂法在燃燒室，包括活塞、氣缸蓋、氣缸體、進(jìn)氣門和排氣門上涂覆陶瓷層，通常會產(chǎn)生一些有利的影響。采用涂層系統(tǒng)時(shí)也存在一些缺點(diǎn)，例如會產(chǎn)生氮氧化物?；谠囼?yàn)結(jié)果，對熱障涂層的所有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行了研究。同時(shí)，還給出了效率損失原因的解釋。用1臺在活塞、氣門、氣缸蓋和氣缸套上涂覆0.5 mm厚的壓電陶瓷（PZT）和氰酸鹽改性環(huán)氧樹脂的3缸柴油機(jī)，在不同負(fù)荷工況下進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明燃油消耗率有所降低。未燃碳?xì)浠衔锖鸵谎趸嫉呐欧帕繙p少，而氮氧化物排放增加。

熱障涂層排放陶瓷涂層

0　前言

降低內(nèi)燃機(jī)成本和燃料消耗的研究和技術(shù)創(chuàng)新一直在發(fā)展。目前，可通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)來提高發(fā)動機(jī)效率，例如先進(jìn)陶瓷涂層技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用得到快速增長。為了提高發(fā)動機(jī)的性能，燃料能量必須以盡可能高的被轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。在燃燒室上涂覆低導(dǎo)熱陶瓷材料，可以提高內(nèi)燃機(jī)氣缸中的溫度和壓力，因此，發(fā)動機(jī)效率將得到改善。

在柴油機(jī)燃燒室上采用陶瓷涂層，旨在減少由氣缸內(nèi)向發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的熱損失。通過開發(fā)先進(jìn)陶瓷技術(shù)，將發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)從內(nèi)燃機(jī)中去除掉。

由于陶瓷涂層的柴油機(jī)有低散熱的特點(diǎn)，所以在壓縮行程后的溫度更高，著火延遲縮短，發(fā)動機(jī)可以更容易起燃。由于不受控燃燒引起的爆燃和噪聲很少，發(fā)動機(jī)運(yùn)行會更安靜。由于著火延遲縮短，發(fā)動機(jī)能以較低的壓縮比工作，因而可以達(dá)到更好的機(jī)械效率和燃油經(jīng)濟(jì)性。

內(nèi)燃機(jī)的另一個(gè)重要議題是廢氣排放。陶瓷涂層內(nèi)燃機(jī)的燃燒室溫度增加，能使顆粒物（PM）和CO排放量減少。當(dāng)廢氣溫度升高時(shí)，渦輪增壓和發(fā)動機(jī)總熱效率就能明顯提高。

燃燒特性是影響廢氣排放、發(fā)動機(jī)輸出功率、燃油消耗、振動和噪聲的最重要因素。在柴油機(jī)中，燃燒特性在很大程度上取決于著火延遲。著火延遲主要由燃燒室內(nèi)空氣壓縮后的溫度和壓力決定。常規(guī)柴油機(jī)空氣壓縮后的溫度和壓力較低，這是因?yàn)榘l(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)會在壓縮過程中吸收大量的熱能，考慮到熱能損失和有用功，在燃燒室上涂覆低熱傳導(dǎo)和耐高溫材料的設(shè)計(jì)想法，催生了熱障涂層發(fā)動機(jī)（也稱為低散熱發(fā)動機(jī)）。熱障涂層發(fā)動機(jī)可以被認(rèn)為是邁向絕熱發(fā)動機(jī)的重要一步。要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，優(yōu)選陶瓷為替代材料。熱障涂層主要是指在燃燒室、氣缸蓋和進(jìn)氣門/排氣門上涂覆的陶瓷涂層。如果要在氣缸壁上涂覆涂層，應(yīng)選擇具有適當(dāng)熱膨脹和耐磨性的材料。有些陶瓷材料在高達(dá)870℃時(shí)具有自潤滑性能。

常規(guī)柴油機(jī)的排氣溫度在400～500℃之間，而熱障涂層發(fā)動機(jī)的排氣溫度在600～700℃之間。當(dāng)廢氣溫度處于較高水平時(shí)，廢氣中殘留的碳?xì)浠衔铮℉C）和CO會被氧化，因而廢氣中的HC和CO污染物含量較少。

圖1示出了常規(guī)柴油機(jī)和陶瓷涂層發(fā)動機(jī)的能量平衡圖。除了陶瓷涂層低散熱發(fā)動機(jī)的這些優(yōu)點(diǎn)外，通過采用輕質(zhì)陶瓷材料，機(jī)械性能也能得以改善。由于陶瓷耐高溫和質(zhì)量輕，發(fā)動機(jī)運(yùn)動件因其慣量低和零件幾何尺寸穩(wěn)定而具有更高的耐久性。

1　先進(jìn)技術(shù)陶瓷

自從低散熱發(fā)動機(jī)開始出現(xiàn)以來，研究人員一直在使用陶瓷。與發(fā)動機(jī)中的其他材料相比，陶瓷材料具有較輕質(zhì)量和較低傳熱系數(shù)的特點(diǎn)。目前，陶瓷材料在數(shù)量和質(zhì)量上都取得了重要的發(fā)展。此外，在20世紀(jì)后25年中，被稱之為“先進(jìn)技術(shù)陶瓷”的新材料也已經(jīng)投入生產(chǎn)。先進(jìn)技術(shù)陶瓷具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）耐高溫；（2）化學(xué)穩(wěn)定性高；（3）硬度值高；（4）密度低；（5）可以在自然環(huán)境中找到原材料；（6）耐磨損；（7）傳熱系數(shù)低；（8）抗壓強(qiáng)度高。

先進(jìn)技術(shù)陶瓷由純氧化物（例如 Al2O3、ZrO2、MgO，BeO）和非氧化物組成。在表1中列出了某些先進(jìn)技術(shù)陶瓷的特性。

表1　某些先進(jìn)技術(shù)陶瓷的特性

ZrO2就其應(yīng)用領(lǐng)域和自身的固有特性而言，在涂層材料中占有重要地位?？紤]到陶瓷涂層在內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用，ZrO2最重要的特性是耐高溫。含ZrO2的陶瓷具有很高的熔點(diǎn)，并且能持久耐熱沖擊，還具有良好的耐腐蝕和耐侵蝕能力，被應(yīng)用于柴油機(jī)和渦輪機(jī)葉片，以減少傳熱［1］。

2　陶瓷涂層在內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用

用于降低傳熱的陶瓷涂層被分成2組。通常，0.5 mm以下的涂層被稱之為薄涂層，而5～6 mm以下的涂層被稱為厚涂層。薄陶瓷涂層用于燃?xì)廨啓C(jī)及汽油機(jī)和柴油機(jī)的活塞頂、氣缸蓋和氣門。在陶瓷涂層用于低散熱發(fā)動機(jī)的初期，是將整體厚陶瓷涂層涂覆在發(fā)動機(jī)零部件上，但這些涂層并不適合柴油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況［2］。因此，研究人員開始發(fā)展新的方法。

陶瓷和其他涂層材料有多種類型和體系。其中，最重要的是：（1）熱噴涂，包含等離子噴涂、線材火焰噴涂、粉末火焰噴涂、電弧噴涂、爆炸槍工藝和高速含氧燃料體系；（2）化學(xué)陶瓷涂層，包含溶膠-凝膠法、淤漿法、化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、硬質(zhì)涂層；（3）激光涂覆；（4）電弧火花合金化；（5）離子富集法。

通過降低沖刷腐蝕、摩擦磨損、使用陶瓷及改進(jìn)隔熱，可以避免材料結(jié)成團(tuán)塊。這些方法適用于非常薄的涂層，而熱噴涂層除外［2］。薄涂層已被成功用于燃?xì)廨啓C(jī)行業(yè)，主要涂覆渦輪和定子葉片，以及燃燒室。對于柴油機(jī)用的厚涂層，通常采用等離子噴涂和火焰噴涂的涂覆工藝。

3　涂層對發(fā)動機(jī)性能的影響

用于減少氣缸熱損失和將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)換成低散熱發(fā)動機(jī)的熱障涂層，可以防止涂層材料在高溫下分解。由于ZrO2的熱導(dǎo)率低和熱膨脹率高，是內(nèi)燃機(jī)最優(yōu)選的熱障涂層材料。為了避免ZrO2在較高溫度下發(fā)生相變的負(fù)面影響，應(yīng)采用穩(wěn)定劑材料對其進(jìn)行部分或完全的穩(wěn)定化處理。采用這一工藝形成的整個(gè)結(jié)構(gòu)為單一相，通常稱為立方相。通常采用MgO、Ca2O3、CeO2和Y2O3等氧化物作為穩(wěn)定劑［2］。

有些指標(biāo)能反映陶瓷熱障涂層的有效性。具體的參數(shù)可以自行進(jìn)一步查找。

在本研究中，研究了柴油機(jī)燃燒室陶瓷涂層對發(fā)動機(jī)性能和廢氣排放的影響。通過防止向冷卻水的散熱損失和減少冷卻負(fù)荷以增加機(jī)械能，并依靠增加缸壁溫度來改善燃燒，為此在氣缸蓋、進(jìn)氣門、排氣門，以及發(fā)動機(jī)活塞上用等離子體噴涂工藝，涂覆了0.21 mm的ZrO2。

然后，在不同的制動負(fù)荷和轉(zhuǎn)速下對標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機(jī)和陶瓷涂層發(fā)動機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。采用計(jì)算機(jī)軟件對試驗(yàn)裝置實(shí)測的結(jié)果進(jìn)行分析，并繪制成相應(yīng)的曲線圖。簡要來說，在額定功率工況時(shí)，燃油消耗率降低了5%～6%，CO排放下降了1%。對試驗(yàn)結(jié)果的綜合分析表明，采用ZrO2陶瓷涂層后發(fā)動機(jī)性能明顯提高。

4　試驗(yàn)裝置

適當(dāng)?shù)臏y量設(shè)備及其校準(zhǔn)狀態(tài)和操作條件對試驗(yàn)結(jié)果有重要影響。發(fā)動機(jī)主要技術(shù)規(guī)格示于表2。

表2　試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)主要技術(shù)規(guī)格

5　試驗(yàn)方法

確定陶瓷涂層對柴油機(jī)性能和排放的影響需要有性能指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值。為此，首先對沒有陶瓷涂層的發(fā)動機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)，并記錄其結(jié)果作為基準(zhǔn)值。在完成標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)測試之后，再對有陶瓷涂層的發(fā)動機(jī)進(jìn)行相同的試驗(yàn)。氣缸蓋、活塞頂、進(jìn)氣門和排氣門都采用等離子噴涂系統(tǒng)涂覆陶瓷涂層。

最關(guān)鍵涂覆的零部件是活塞，因?yàn)樗臒崤蛎浡逝c所選擇的陶瓷材料有很大不同。有報(bào)道認(rèn)為，通過Y2O3穩(wěn)定ZrO2具有較好的效果。可以在氣缸蓋、進(jìn)氣門和排氣門上安全使用。陶瓷涂層的另1個(gè)重點(diǎn)是粘合層的成分。當(dāng)采用NiCrAlY作為粘合層時(shí)，涂層耐久性會增加。

在進(jìn)行噴砂粗加工和制備陶瓷涂層之前，要清除待涂覆表面的潤滑油和其他機(jī)加工后留存的污垢。當(dāng)表面準(zhǔn)備完成后，首先在表面涂覆0.075 mm厚的粘合層，然后再涂上0.135 mm厚的陶瓷材料層。采用這種方式能有效減小涂層與目標(biāo)涂覆表面之間的熱不穩(wěn)定性（高導(dǎo)熱差）［3］，由此能降低涂層失效的風(fēng)險(xiǎn)。圖2、圖3和圖4所示為涂覆涂層后的活塞頂、氣缸蓋和氣門。

用于涂覆涂層的陶瓷材料：（1）進(jìn)、排氣門和氣缸蓋的涂覆順序?yàn)榛?0.075 mm厚NiCrAl+ 0.135 mm厚Y2O3-ZrO2；（2）活塞頂?shù)耐扛岔樞驗(yàn)榛?+0.075mm厚 NiCrAlY+0.135mm厚Y2O3-ZrO2。

表3　用作涂層的陶瓷材料

在完成涂覆處理后，將已涂覆涂層的發(fā)動機(jī)零部件安裝到發(fā)動機(jī)上。按標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機(jī)相同的方法對零部件上有涂層的發(fā)動機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。用微軟圖表程序（MS Excel）對試驗(yàn)測量值進(jìn)行評價(jià)。

在柴油機(jī)中，輸出功率、扭矩和燃油消耗率數(shù)值隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速而變化的情況被稱為發(fā)動機(jī)特性。通常用特性曲線圖來說明不同負(fù)荷和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下這些特性的差異。發(fā)動機(jī)特性曲線提供了有關(guān)發(fā)動機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的重要信息。試驗(yàn)測量并非總能直接給出所需的數(shù)據(jù)，而要通過試驗(yàn)測量值來計(jì)算出這些數(shù)據(jù)。試驗(yàn)測量值通常包括扭矩、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、燃油消耗、增壓空氣流量、冷卻水流量、環(huán)境溫度、壓力和濕度，以及排氣溫度、冷卻水進(jìn)口和出口溫度。根據(jù)這些測量結(jié)果計(jì)算出來的最重要的性能特征值是功率、平均有效壓力和燃油消耗率。

在試驗(yàn)過程中，根據(jù)發(fā)動機(jī)樣本的數(shù)值對進(jìn)氣門和排氣門進(jìn)行了調(diào)整，并對噴油器在250 MPa針閥開啟壓力下進(jìn)行了測試，并更換了活塞環(huán)。按照標(biāo)準(zhǔn)完成了廢氣成分測定，進(jìn)行了全油門性能（FTP）和部分油門性能（PTP）試驗(yàn)，以及8工況排放試驗(yàn)，包括發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在1 000～2 500 r/min之間改變的10種不同的轉(zhuǎn)速，在全負(fù)荷下改變7種不同的制動負(fù)荷。

6　討論

用標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機(jī)對涂覆2種不同陶瓷涂層的零部件進(jìn)行了比較。在第一種情況中，只對活塞頂、氣缸蓋、進(jìn)氣門和排氣門涂覆了涂層。在第二種情況中，對活塞頂、氣缸蓋、進(jìn)氣門和排氣門，以及缸套涂覆了混合聚丙烯酸涂層。在第二種情況中整個(gè)燃燒室和氣缸套都涂覆有涂層。對試驗(yàn)研究中獲得的性能曲線進(jìn)行了評價(jià)，并提供了以下在不同百分比負(fù)荷工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)：（1）全負(fù)荷工況；（2）75%負(fù)荷工況；（3）50%負(fù)荷工況；（4）25%負(fù)荷工況。

7　零部件涂覆熱障涂層的試驗(yàn)結(jié)果

對在試驗(yàn)研究中獲得的性能曲線進(jìn)行了評價(jià)，并提供不同百分比負(fù)荷下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)（圖5～圖10）。

在本項(xiàng)研究工作中，在對某些零部件采用等離子體噴涂法涂覆陶瓷熱障涂層之后，對1臺四沖程直噴3缸自然吸氣柴油機(jī)的燃油消耗率與發(fā)動機(jī)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。使用1套專用試驗(yàn)裝置，在不同負(fù)荷工況下進(jìn)行了試驗(yàn)室試驗(yàn)。在25%負(fù)荷時(shí)，燃油經(jīng)濟(jì)性改善的百分比較高，即在25%負(fù)荷時(shí)的燃油消耗率比全負(fù)荷、50%負(fù)荷，以及75%負(fù)荷時(shí)的更低。在25%負(fù)荷、1 600 r/min時(shí)的燃油消耗率改善了17 g/（kW·h）。由于采用了陶瓷涂層，使發(fā)動機(jī)所有試驗(yàn)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速工況下的燃油消耗率減少了5～15 g/（kW·h）。

8　結(jié)論

（1）在氣缸套上以NiCrAlY為粘合層涂覆Y2O3穩(wěn)定的ZrO2作為涂層材料，并涂覆混合聚丙烯酸涂層后，與鋁合金活塞配對使用取得了良好的結(jié)果，在上述試驗(yàn)工況下有效燃油消耗率改善了5%～6%。

（2）在氣缸套上涂覆混合聚丙烯酸涂層還能減少向冷卻水的散熱，因而能提高效率。

（3）作為陶瓷涂層材料，采用Y2O3穩(wěn)定的ZrO2材料在實(shí)際使用中費(fèi)用昂貴，應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的研究以降低成本。

［1］Morel T，Keribar R，Blumberg P，et al.Examination of key issues in low heat rejection engines［C］.SAE Paper 860316.

［2］Wong，V，Bauer W，Kamo R，et al.Assessment of thin thermal barrier coatings for I.C.engines［C］.SAE Paper 950980.

［3］Kamo R，Dennis N，Bryzik W.Thin thermal barrier coatings for engines［C］.Transactions of SAE，1989：606-614.

張然治譯自SAE 2015-26-0065

朱炳全校

虞展編輯

2015-07-06）