王斌，賈德民，孫楠楠，齊少豹，石磊

摘要： 在發(fā)動(dòng)機(jī)上采用隔熱技術(shù)可以減少傳熱量，降低熱損失，提高熱效率，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣能量。對(duì)一種新型的隔熱涂層——低導(dǎo)熱系數(shù)、低熱容隔熱涂層進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)，將該種新型隔熱涂層噴涂于活塞壁面后，活塞壁面溫度隨缸內(nèi)氣體溫度的變化而變化，即膨脹沖程隨缸內(nèi)溫度升高而升高，進(jìn)氣沖程隨缸內(nèi)溫度降低而降低，該屬性有效減少了壁面?zhèn)鳠崆冶苊饬诉M(jìn)氣加熱。在一臺(tái)重型發(fā)動(dòng)機(jī)上使用新型涂層活塞對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行仿真試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)具有一定材料屬性且合適厚度的新型隔熱涂層可以減少活塞的傳熱量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率和排氣能量。

關(guān)鍵詞： 發(fā)動(dòng)機(jī)；隔熱涂層；傳熱；熱效率

DOI： 10.3969/j.issn.1001-2222.2024.03.004

中圖分類號(hào)：TK124文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B文章編號(hào)： 1001-２２２２（２０24）０3-００25-０5

采用隔熱技術(shù)可以減少缸內(nèi)熱量的散失，提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率和排氣能量，降低冷卻系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。從20世紀(jì)80年代起，學(xué)者開始對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)隔熱技術(shù)進(jìn)行研究［1-3］，主要采用陶瓷基高耐熱材料，這種材料具備低導(dǎo)熱系數(shù)、高比熱容的特性。研究表明，該種形式的涂層對(duì)降低傳熱以及提高排氣溫度起到了積極作用，但在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，由于陶瓷的比熱容大，導(dǎo)致涂層的壁面始終保持在高溫狀態(tài)，因此，在進(jìn)氣沖程中易造成進(jìn)氣加熱，進(jìn)氣量減少、缸內(nèi)溫度升高，并未起到傳熱減少，熱效率提高的效果，反而惡化了相關(guān)性能。近年來隨著法規(guī)對(duì)油耗和排放要求的日趨嚴(yán)格，隔熱技術(shù)也愈發(fā)體現(xiàn)其重要性。研究表明，基于氧化鋯的低密度新型涂層材料可以實(shí)現(xiàn)良好的隔熱效果，相對(duì)于傳統(tǒng)的陶瓷隔熱涂層，這種新型的隔熱涂層導(dǎo)熱系數(shù)由10 W/（m·K）降低至2 W/（m·K）以內(nèi)，比熱容由2 000 J/（kg·K）降低至800? J/（kg·K）以內(nèi)［4-5］。

本研究對(duì)這一低熱容、低導(dǎo)熱系數(shù)的新型隔熱涂層進(jìn)行了研究，該隔熱涂層壁面溫度隨缸內(nèi)氣體溫度的變化而變化，隔熱涂層表面與缸內(nèi)氣體的溫差始終較小，可以減少傳熱量；同時(shí)，由于涂層壁面溫度隨缸內(nèi)溫度變化快，進(jìn)氣沖程時(shí)，隔熱涂層壁面溫度較低，對(duì)進(jìn)氣影響較小。因此，相對(duì)于低導(dǎo)熱系數(shù)、高比熱容的隔熱涂層，本研究中的低導(dǎo)熱系數(shù)、低比熱容新型隔熱涂層具有更大優(yōu)勢(shì)。本研究采用仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了新型隔熱涂層的傳熱特性以及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)傳熱以及性能的影響。

1新型隔熱涂層

發(fā)動(dòng)機(jī)活塞材料一般為鋁或鋼等金屬，這些金屬材料一般導(dǎo)熱系數(shù)大、比熱容小，熱量傳遞較快，因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后，活塞一般穩(wěn)定在較低的溫度。傳統(tǒng)的隔熱涂層一般采用低導(dǎo)熱系數(shù)、高比熱容的材料，缸內(nèi)向外傳熱較少，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，涂層壁面始終保持較高的溫度，遠(yuǎn)高于進(jìn)氣溫度［6］。而本研究中所研究的新型隔熱涂層，具有低導(dǎo)熱系數(shù)、低比熱容［7］的特性，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，隔熱涂層壁面溫度隨缸內(nèi)氣體溫度波動(dòng)，且波動(dòng)趨勢(shì)相同，因此，隔熱涂層壁面與缸內(nèi)氣體溫差較小，同樣可實(shí)現(xiàn)減小缸內(nèi)熱量傳遞的目標(biāo)，且導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容越小，溫度波動(dòng)趨勢(shì)越明顯，溫差越小，越有利于減少傳熱，如式（1）傳熱公式所示［8］；并且使用該種形式的隔熱涂層，進(jìn)氣沖程時(shí)隔熱涂層壁面溫度較低，不會(huì)影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣［9-10］，這也是該涂層的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)。由式（2）及式（3）可知，要實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)熱系數(shù)、低比熱容的材料屬性，則需該涂層材料密度?。?1］。

Q=hA（Tgas-Twall）。（1）

式中：Q為熱流密度；h為傳熱系數(shù)；A為傳熱面積；Tgas為缸內(nèi)氣體溫度；Twall為隔熱涂層壁面溫度。

k=ρ·c·α。（2）

式中：k為導(dǎo)熱系數(shù)；ρ為密度；C為比熱容。

cv=ρ·c。（3）

式中： cv為體積比熱容。

2新型隔熱涂層仿真計(jì)算

為研究新型隔熱涂層對(duì)活塞壁面溫度、傳熱量、進(jìn)氣量及燃油消耗率的影響，本研究對(duì)某一重型發(fā)動(dòng)機(jī)采用CFD仿真的方法，運(yùn)用Converge軟件對(duì)不同材料屬性、不同厚度的涂層進(jìn)行了仿真研究。發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如表1所示。

2.1涂層材料屬性計(jì)算研究

圖1示出2種新型涂層的材料屬性，涂層2的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容均小于涂層1。采用CFD計(jì)算軟件Converge在最低油耗點(diǎn)1 000 r/min，1 400 N·m對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行燃燒仿真計(jì)算，研究其在工作過程中的傳熱規(guī)律，并對(duì)兩種涂層活塞進(jìn)行對(duì)比。在最低油耗點(diǎn)循環(huán)噴油量為175 mg，噴射壓力為120 MPa。為提高計(jì)算效率，對(duì)進(jìn)氣門關(guān)閉到排氣門打開之間的壓縮-膨脹過程進(jìn)行計(jì)算，有限元計(jì)算模型如圖2所示。燃燒模型采用SAGE模型，該模型可以很好地與化學(xué)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行耦合，考慮到柴油機(jī)在活塞運(yùn)動(dòng)過程的渦流狀況，湍流模型采用RNG k-ε模型，采用KH-RT模型來模擬油束的一次破碎和二次破碎，油滴的蒸發(fā)模型采用Frossling模型。首先采用上述模型對(duì)原活塞三維燃燒模型進(jìn)行標(biāo)定，缸壓標(biāo)定結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，仿真值和試驗(yàn)值吻合良好，在壓縮階段，缸內(nèi)壓力的仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果完全重合；在燃燒階段，缸壓基本重合，最高燃燒壓力值及其所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角誤差在2%以內(nèi)。因此，可以基于當(dāng)前的標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行后續(xù)涂層的仿真計(jì)算和對(duì)比。

基于上述的標(biāo)定參數(shù)，對(duì)配置涂層活塞1和涂層活塞2的燃燒系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算，并與原活塞進(jìn)行對(duì)比。圖4示出缸內(nèi)氣體平均溫度及活塞壁面平均溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化。由圖4可知，隨著缸內(nèi)氣體的壓縮、燃燒、膨脹，缸內(nèi)氣體的溫度先升高后降低。原活塞溫度基本保持不變，涂層活塞1和涂層活塞2壁面溫度隨缸內(nèi)氣體溫度的變化而變化，且涂層活塞2壁面溫度的波動(dòng)更大，與缸內(nèi)氣體的溫差更小。這是由于普通活塞的材料為金屬，導(dǎo)熱系數(shù)大，傳熱速度快，因此活塞的表面溫度可以迅速地達(dá)到平衡；而涂層導(dǎo)熱系數(shù)小、比熱容小的特性，使得涂層活塞表面在吸收缸內(nèi)氣體的熱量后溫度急劇變化，呈現(xiàn)出波浪式的變化，即隨缸內(nèi)氣體溫度的升高而升高，降低而降低，從而造成涂層壁面溫度與缸內(nèi)氣體溫度始終保持較小的溫差。由傳熱學(xué)中的對(duì)流傳熱公式（式（1））可知，涂層活塞2的壁面?zhèn)鳠崃扛　?/p>

圖5示出活塞壁面?zhèn)鳠崃侩S曲軸轉(zhuǎn)角的變化。涂層活塞1、涂層活塞2的傳熱量均小于原活塞，且涂層活塞2的傳熱量最小，較原機(jī)降低了182 J，驗(yàn)證了前文所述。圖4和圖5示出的計(jì)算結(jié)果表明，低導(dǎo)熱系數(shù)、低比熱容的涂層特性有利于缸內(nèi)熱量傳遞的減少，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起到隔熱的作用，并且導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容越小，這種特性越明顯。

為了更好地呈現(xiàn)活塞壁面溫度的變化，圖6和圖7示出了原活塞與涂層活塞2的溫度場(chǎng)和熱流密度云圖對(duì)比情況。由圖6可知，原活塞在工作過程中整個(gè)活塞壁面溫度始終穩(wěn)定，并且溫度較低；而涂層活塞2溫度波動(dòng)大，上止點(diǎn)前10°最高溫度為1 018 K，上止點(diǎn)后10°最高溫度2 565 K，上止點(diǎn)后20°最高溫度2 462 K，呈現(xiàn)出活塞壁面溫度先升高后降低的波浪式變化趨勢(shì)，并且活塞壁面上的高溫區(qū)域是油束落點(diǎn)區(qū)域以及油束擴(kuò)散燃燒區(qū)域，這與缸內(nèi)氣體的高溫區(qū)域相一致，這也進(jìn)一步說明涂層活塞的溫度隨缸內(nèi)溫度成一致性變化，可以體現(xiàn)在燃燒室具體的幾何空間位置上，這一結(jié)果與圖4平均計(jì)算結(jié)果相一致。由圖7可知，涂層活塞2的壁面熱流密度低于原活塞，并且熱流密度數(shù)值分布情況與缸內(nèi)燃燒情況相一致，與圖5平均值計(jì)算相對(duì)應(yīng)。

表2列出了活塞傳熱量以及發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)燃燒效率和指示熱效率的對(duì)比。通過表2對(duì)比可知，原機(jī)活塞、涂層活塞1和涂層活塞2的燃燒效率相同，均為99.3%，但是涂層活塞2相對(duì)于原活塞，熱量傳遞減少182 J，指示熱效率提高0.7%。通過表2中的數(shù)據(jù)對(duì)比說明，涂層不會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率，而只是把減少的熱量損失一部分為轉(zhuǎn)化為有效功，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，另外一部分儲(chǔ)存在排氣中，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣能量。

2.2涂層厚度計(jì)算研究

前文的計(jì)算確定了涂層2的性能優(yōu)于涂層1，本節(jié)將基于涂層2研究活塞不同涂層厚度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，進(jìn)而選擇出合適的厚度。受熱膨脹的影響，涂層厚度過大將容易造成脫落，根據(jù)前人的研究經(jīng)驗(yàn)［6］，活塞的涂層應(yīng)控制在0.4 mm以內(nèi)。

圖8示出缸內(nèi)氣體溫度及不同涂層厚度活塞的壁面溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化。從圖8可見，隨著涂層厚度的增加，壁面溫度的波動(dòng)變化更加迅速，壁面溫度與缸內(nèi)氣體溫度的溫差更小。根據(jù)傅里葉熱傳導(dǎo)計(jì)算公式可知，物體的厚度越大，熱阻越大，熱傳導(dǎo)能力越差，即導(dǎo)熱系數(shù)越小；在比熱容一定的情況下，導(dǎo)熱系數(shù)越小，溫度波動(dòng)越大。因此，在其他條件一定的情況下，涂層厚度越大，熱流密度越小，傳熱量越小。

圖9示出不同涂層厚度活塞壁面?zhèn)鳠崃侩S曲軸轉(zhuǎn)角的變化，隨著涂層厚度的增加，壁面?zhèn)鳠崃繙p少，這也與圖8中的溫度變化相對(duì)應(yīng)，與傅里葉熱傳導(dǎo)理論相一致。

通過對(duì)不同涂層和涂層厚度的研究，最終確定選用0.4 mm的涂層，作為下一步試驗(yàn)研究和驗(yàn)證的對(duì)象。

3新型隔熱涂層試驗(yàn)研究

為驗(yàn)證前述仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性，對(duì)涂層活塞1和涂層活塞2進(jìn)行了零部件熱試驗(yàn)和整機(jī)性能試驗(yàn)。

3.1涂層活塞零部件試驗(yàn)研究

圖10和圖11分別示出涂層活塞1和涂層活塞2試驗(yàn)樣件。為驗(yàn)證前述兩種涂層活塞壁面溫度的變化趨勢(shì)，進(jìn)而確定仿真的有效性，對(duì)涂層活塞壁面進(jìn)行了測(cè)溫試驗(yàn)。圖12示出活塞測(cè)溫試驗(yàn)臺(tái)。首先通過天然氣熱爐對(duì)活塞燃燒室加熱150 s，然后通過冷卻水冷卻150 s，在整個(gè)過程中通過熱電偶測(cè)量如圖13所示的測(cè)溫點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化，多次測(cè)量取平均值。

圖14示出測(cè)量點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化。對(duì)比可知，涂層活塞1和涂層2活塞在加熱階段溫度逐漸升高，在冷卻階段的溫度快速下降，并且涂層活塞2溫度升高和降低的速度均比涂層活塞1快。試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果相一致，即低導(dǎo)熱系數(shù)、低比熱容的涂層壁面溫度隨外界的變化而變化，也驗(yàn)證了導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容越小，溫度變化越快的結(jié)論。

3.2涂層活塞整機(jī)試驗(yàn)研究

在仿真工況點(diǎn)，即1 000 r/min，1 400 N·m工況下，針對(duì)原機(jī)活塞、涂層活塞1和涂層活塞2進(jìn)行了整機(jī)性能對(duì)比驗(yàn)證。在試驗(yàn)過程中保證發(fā)動(dòng)機(jī)的電控參數(shù)保持不變，且機(jī)油壓力、水溫以及進(jìn)氣壓力等發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行邊界一致。表3列出了涂層活塞1、涂層活塞2相對(duì)于原機(jī)活塞的試驗(yàn)對(duì)比差值。試驗(yàn)結(jié)果表明，新型的隔熱涂層可以在不影響進(jìn)氣的情況下有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，減少傳熱，提高發(fā)動(dòng)機(jī)排氣能量。該試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真計(jì)算的結(jié)果。

4結(jié)論

a） 低導(dǎo)熱系數(shù)、低比熱容新型隔熱涂層可以減小缸內(nèi)氣體與活塞壁面的溫度差，從而有效減少傳熱量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，且導(dǎo)熱系數(shù)越低、比熱容越小，效果越明顯；

b） 相對(duì)于傳統(tǒng)的隔熱涂層，低導(dǎo)熱系數(shù)、低比熱容新型隔熱涂層，在進(jìn)氣沖程壁面溫度較低，不會(huì)產(chǎn)生進(jìn)氣加熱問題，從而避免了由于進(jìn)氣加熱而造成的進(jìn)氣量減少。

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WANG Bin，JIA Demin，SUN Nannan，QI Shaobao，SHI Lei

（Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang261061，China）

Abstract： The application of adiabatic technology to engine can reduce heat transfer and heat loss and improve thermal efficiency and engine exhaust energy. A new thermal insulation coating was studied， which had low thermal conductivity and low thermal capacity. The proposed coating was sprayed on the piston wall surface， and the wall temperature changed with the in-cylinder gas temperature， which increased during the expansion stroke and decreased during the intake stroke. This property effectively reduced the heat transfer of wall and avoided the heating of intake air. Then the simulation test study were conducted on a heavy-duty engine by using the new coated piston， which indicated that the new thermal insulation coating with appropriate thickness could effectively reduce the heat transfer of piston and improve the thermal efficiency and exhaust energy of engine.

Key words： engine;thermal insulation coating;heat transfer;thermal efficiency

［編輯： 姜曉博］