原创 发动机热障涂层表面粗糙度对压燃发动机性能的影响（热障涂层裂纹原因分析）

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编辑|开心营业厅

前言

在单缸轻型柴油发动机中应用热障涂层和改变表面粗糙度对其性能的影响。测试发动机分为两组，使用了热障涂层和粗糙度较小的表面处理，未使用热障涂层并保持原有的表面处理。人员将分别测试这两组发动机的性能指标，燃油效率、功率和排放物等。通过比较两组测试热障涂层和表面粗糙度对发动机性能的影响。两种热障涂层及其表面粗糙度对单缸轻型柴油发动机的传热、燃烧和排放物的影响。

热障涂层材料为等离子喷涂氧化稳定锆和硬质阳极氧化铝。在活塞顶面的主要工具是高压循环的气缸压力分析，从中得出了表观放热速率、指示效率和热损失等参数。为验证计算得出的壁面传热情况，还测量了热流向活塞冷却油的情况。应用热障涂层可能会影响发动机的工作条件，充气温度和点火延迟。

一、发动机设计的影响以及未来的研究方向

高表面粗糙度会导致墙面热损失增加和燃烧延迟。在较低的发动机负载和存在烟雾沉积的情况。这些影响较小两种热障涂层均显示出循环平均壁面热损失减少的趋势，指示效率没有改善。表面粗糙度和热障涂层对碳氢化合物排放物产生了显著影响，特别是在低负载发动机操作时，它们对其他排放物的影响相对较小。不断减少道路交通的燃料消耗和CO2排放的需求导致内燃机燃烧室的热绝缘重新受到关注。

燃烧室壁面的热损失是发动机的主要能量损失之一，减少这种热损失的一种方法是应用热障涂层(TBC)。燃烧室的热绝缘有许多增加指示效率，减少关键发动机部件的热负荷，以及更小、更便宜的冷却系统。有效的绝缘还将提高排放气体温度，有两个用途在使用现代涡轮增压系统时，焓的增加可以减少泵送损失，或者可以用于废热回收系统。 更高的排气温度可以提高催化排放气体后处理系统的转化效率，对于轻负荷城市行驶和低温环境。

研究通过实验和热力学过程模拟对使用TBC进行燃烧室热绝缘进行了。大多数实验都显示出排气温度的增加和冷却液的热损失的降低，正如模拟所预测的那样。发动机效率对于TBC对指示效率的好处没有普遍的共识。在平均情况下TBC对指示效率的影响是有限的。TBC好处的变异性部分与测试的发动机硬件范围大、发动机运行条件的变化以及实验中使用的发动机技术水平有关。

变异的另一个原因是随着绝缘的增加，壁温度也会升高。这种温度升高导致充气温度升高和充气密度降低。对于压燃（CI）发动机可能导致较低的空燃比和点火延迟、燃油空气混合、排放物形成和氧化等方面的差异。特别是燃烧相位和放热速率对指示效率有显著影响。这些次要效应如何改变效率是发动机特定的，取决于发动机负荷。为了减少内燃机的燃油消耗和二氧化碳排放，重新关注对内燃机燃烧室的热隔离。

二、燃烧热释放率和相位

在方法部分中测量稳健性的提高以及表观放热率和能量平衡方程式。部分以使用的统计方法的描述结束。实验设置部分描述了测试引擎和测量设备，以及测试活塞的性质和测试序列的定义。引擎实验的结果分为三个主要部分呈现，比较和分析不同活塞的表观放热率（aRoHR）。显示燃烧运行的能量平衡和排放，空转引擎运行的能量平衡和烟碳沉积的影响。提供涂层和表面粗糙度对指示效率、热损失和引擎排放的影响。

方法测量稳健性为使测量尽可能准确，减少TBCs应用的二次效应。降低容积效率和改变点火延迟等，采取了一系列措施。冷却液、发动机油、燃料供应和进气温度的温度水平在±0.1℃内控制。进气压力和排气背压在±1kPa内控制。注入燃料量的目标设置对于每个引擎操作点是固定的。通过研究能量分配的变化，不改变燃烧条件空燃比。采取了措施使用2mg/冲程的单个预喷射来稳定主燃烧的点火时机。

每次测试运行都以清洁的燃烧室表面，清洁或首次运行的发动机部件开始。应用自动化测试序列，以针对不同活塞获得相同的时间和温度历史。包括空转引擎操作点，以评估实际压缩比，通过测试运行验证指示设备的正确功能。通过调整进气温度保持进气质量流量恒定。通过控制进气温度以达到恒定空气质量流量，测试活塞的进气阀关闭时的缸内条件应该是类似的。

燃烧过程和能量平衡的分析主要基于气缸压力测量数据。测量相可以提供时间分辨过程和完整循环能量流的信息。添加活塞冷却油散热损失的测量来补充热力学计算的散热损失，目的是验证计算出的散热损失并观察整个燃烧室和仅活塞之间的可能的散热分布差异。为了研究燃烧和循环分辨的热损失，使用方程式计算了视在热释放速率 aRoHR。

三、燃烧热释放率和燃烧相位

假设气缸充气是温度和组成均匀的，表现出理想气体的特性，具有固定的气体常数 R。比热比 γ 是平均充气温度和组成的函数。方程式中的其他变量是气缸压力 p、气缸体积 V 和曲轴角度 θ。使用Hohenberg和Killmann的模型计算γ。气缸体积是从发动机几何和曲轴角度位置计算的，根据气缸压力和惯性力的弹性引擎变形进行了校正。在比较热释放速率时，使用正确的压缩比进行气缸体积计算非常重要。

压缩比是根据无负荷外推气缸压力（motored EOPs）进行热力学确定的。通过分析热释放速率，发现部分热释放的延迟可以通过MFB75的曲轴角度位置进行适当量化。MFB75 的定义是 75% 的总视在热释放发生的曲轴角度位置。对于能量平衡的计算只考虑高压循环。根据热力学第一定律，做功 W_in、壁面散热 Q_wall 和排气损失 Q_exh 的总和等于燃料。

利用多元线性回归（MLR）模型来分析燃烧室内压力、排放物、燃烧延迟等方面的测量数据，以探究活塞表面涂层、表面粗糙度、压缩比等因素对发动机性能的影响。通过建立模型提高测量数据的精度，了解各个输入因素之间的相关性，预测新的输入组合。模型还可以提供计算结果和模型系数的95%置信区间。统计分析使用的软件为Umetrics的MODDE 11。在实验过程中，使用单缸轻型柴油机。从四缸沃尔沃生产发动机中取下缸盖和喷油系统，进行了单缸操作。

测试不同涂层和表面粗糙度的活塞，记录压缩比等实验条件进行了测试。测量系统包括高速和低速数据采集系统。高速测量包括曲轴角度分辨率的气缸压力、燃油喷射压力和喷油器电流测量。燃油喷射和燃烧期间的曲轴角度分辨率为0.1°CA（-90到120°CA BTDC），其他时间段为1.0°CA。实时气缸压力分析的部分计算结果被低速测量系统采样并存储。高速和低速数据采集同时开始。高速数据记录100个发动机循环，低速数据以10 Hz频率采样2分钟。

四、测试发动机和仪器以及测试矩阵

方程计算了对活塞冷却油的传热量，根据冷却油通道出口的油温升高和油流量计算得出。为了提高活塞出口油温度测量的准确性，将一个短管安装在冷却油通道出口，将油流引导到温度传感器处。传感器本身安装在漏斗中，可以收集活塞冷却油出口下方的油采用了Dahlström等人的方法13。测量了NOx、烟尘、CO和总烃（THCs）的排放以及O2和CO2浓度。进气气体的CO2水平也被测量以计算和控制废气再循环EGR水平。

最重要的测量变量和使用的传感器的规格。两种热障涂层（TBC）材料分别是氧化铝和氧化锆。氧化铝TBC是通过电化学阳极氧化过程从活塞表面生长的，目标厚度为200微米。氧化物的体积是铝的两倍，涂层形成的表面切削了0.10毫米。这种涂层的典型热导率和热容值为0.7-1.3 W/m K和860-890 J/kg K。氧化锆TBC的目标厚度也是200微米，通过喷涂在表面喷砂和涂敷150微米厚的金属粘结层后完成的。

粘结层和表层材料是从Oerlikon获得的，规格分别为Amdry 365-2和Metco 204b-ns。涂层的典型热导率和热容值分别为0.8-1.3 W/m K和440-460 J/kg K。为了保持与参考活塞表面轮廓的接近，涂层被涂抹的表面切削了0.35毫米。使用扫描电子显微镜（SEM）分析切割活塞的横截面，两种TBC的涂层厚度的典型变化为±40微米。六个涂有TBC的活塞分别涂在活塞顶部不同的位置。

ZrORgh和ZrOPol的活塞从上面喷涂涂层，留下了竖向碗壁和环形顶部空地未涂。竖向碗壁已经喷砂并具有粗糙的表面，ZrOTop的活塞仅在挤压表面上涂层。AlORgh和AlOPol的活塞在整个活塞顶部表面，包括环形顶部空地上都有涂层。AlOTop的活塞仅在挤压表面和环形顶部空地上涂层。对于涂有顶部涂层的活塞进行差异化处理的目的是评估Kawaguchi在活塞壁上涂覆TBC会对燃烧过程产生不利影响。

活塞顶部上涂覆TBC则能降低热损失并提高压缩效率。铝氧化物和氧化锆涂层活塞之间涂覆面积的差异是由于使用的等离子喷涂过程的限制。活塞表面粗糙度按照ISO 4287进行测量。如果活塞顶部的不同表面粗糙度不同，则将测量值乘以它们各自的表面积，相加后除以总表面积。使用这种方法假定表面粗糙度对表面积成比例，不考虑传热速率的局部差异，活塞碗与挤压区域之间的差异。

五、表面粗糙度和涂层对aRoHR的影响

为了研究表面粗糙度水平的影响，对顶部涂层活塞和两个涂有涂层的活塞的碗和顶部进行了细粒度砂纸抛光。抛光涂层会去除表面的峰值。两种TBC都具有多孔结构，表面仍会存在小孔和空穴。为了能够将表面粗糙度的影响与TBC分开评估，还将一个抛光的未涂层活塞和一个喷砂处理的未涂层活塞也包括在测试中共测试了九个不同的活塞。

在每个发动机负载点，都包含了一些参数变化。包括涡流水平、燃油喷射压力和废气再循环水平，它们对热损失有影响。涡流的变化被排除在评估之外。使用废气再循环的第二个目的是在测试期间在燃烧室壁上产生逐渐增加的碳黑沉积物。这些碳黑沉积物具有绝缘效应，将与TBC的绝缘效应进行比较。每个硬件设置在26个连续的发动机操作点（EOP）中进行测量。测试开始于EOP A、B和C的运动条件。

在高负载点C中以燃油压力的变化运行随后运行运动。中等负载点B运行时，涡流和废气再循环变化，之后进行运动。在低负载点运行时，也以涡流和废气再循环的变化以运动结束。运动操作点的目的是计算压缩比，TBC和不同碳黑沉积水平的运动热损失。测试运行是自动化的，固定时间用于稳定边界条件和记录测量数据。下一步进一步分析这种差异和表面粗糙度的影响的第一步是比较不同活塞和涂层的aRoHR。

燃烧热释放率和燃烧相位通过气缸压力计算的aRoHR显示了与活塞工作无关的气缸充气中添加或移除的能量。它显示了燃烧释放的热量和壁面的热损失，以及通过失控或燃油蒸发导致的焓损失。燃烧释放的热量和热损失同时发生在燃烧过程中，不可能将它们区分开来。TBC和表面粗糙度对燃烧和热损失的影响时。绘制了具有高表面粗糙度和参考活塞的aRoHR适用于所有三个负载情况。

第一壁-喷射交互作用，喷射结束（EOI）和预混主燃交互作用。分别为对于高负载情况EOP C，粗糙和涂层活塞的峰值aRoHR明显降低。主要发生在壁面-喷射交互开始之后，直到EOI后几个CA度。在20°CA后，粗糙活塞的aRoHR比参考活塞高，表明燃烧晚或膨胀冲程初期热损失降低。高表面粗糙度会在中负载和高负载EOP中降低峰值aRoHR，燃烧喷射与活塞壁相互作用时。

结论

对于高负载点燃烧尾部的aRoHR也显著增加，有两个机制可以引起这些变化。更长的燃烧持续时间和在壁-喷射相互作用期间增加的热损失，膨胀行程初期减少热损失。使用MLR从测量数据中创建模型。响应参数都单独建模适用于每个EOP，模型的观测数量为EOP C为22，EOP B为33，EOP A为44。为了提高模型质量，接近于零的模型系数被排除在模型之外。低置信度的系数也被删除，它们没有包含有用的信息。

模型的系数呈现和讨论模型系数和响应的选择。列出了模型的输入因素及其水平或变量范围。压缩比和表面粗糙度是连续的、定性的输入因素。考虑到能够将每个EOP的测量结果组合到一个模型中，燃油压力和EGR的变化被纳入模型。压缩比也被纳入模型其相对较大的范围和对能量平衡的影响。

参考文献

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