用于天然气发动机纳米陶瓷涂层活塞的热分析外文翻译资料

 2021-11-29 10:11

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用于天然气发动机纳米陶瓷涂层活塞的热分析

关键词:纳米材料 热障涂层 天然气发动机 温度 有限元法

摘要:纳米陶瓷涂层具有低导热性,可提供良好的隔热性能,因此它们已被广泛用于工业设计中作为热障涂层(TBC)。在内燃机的设计中,热障涂层已经用于燃烧室部件以改善发动机性能。在本文中,当铝合金活塞喷涂Y2O3部分稳定氧化锆(PYSZ)陶瓷涂层时,证明了天然气发动机工作性能的改善。稳态热分析用于确定陶瓷涂层对温度分布的影响。使用有限元法将输出与未涂覆的传统活塞的结果进行比较。结果表明,涂​​层活塞顶面的温度明显高于未涂层活塞的温度(约44%或153℃)。这种较高的燃烧室温度导致更好的发动机热效率和更低的排放。同时,涂覆的活塞基底的温度比未涂覆的活塞的温度低得多(约低12%或43℃)。较低的金属基板温度为活塞提供了更好的热疲劳保护。

  1. 引言

陶瓷涂料广泛用于工业中以保护各种结构工程材料免受腐蚀,磨损,侵蚀并提供隔热。在内燃机的设计中,热障涂层(TBC)是一种典型且广泛使用的用于隔热的陶瓷涂层材料。尽管该涂层已广泛用于航空航天工业的发动机中,但它仅暂时应用于内燃机(ICE)。由低导热陶瓷制成的热障涂层(TBC)可以有效地减少内燃机的缸内热损失,从而影响发动机的工作性能[1]。 热障涂层在内燃机中的应用已成为实质性研究的主题。陶瓷涂层已作为热障应用于燃烧室部件的表面,以减少缸内气体与气缸壁之间的热传递,减少热损失并增加缸内温度,从而提高发动机的热效率,如下所述:燃烧排放和内燃机的结构性能。

Kamo等人对热障涂层在柴油发动机中的应用进行了开创性的研究[2]。诸如氮化硅的绝热材料用作热障涂层以覆盖燃烧室部件的表面,这导致性能提高7%。 Imdat[3]的实验结果表明,在柴油发动机中使用热障涂层可以减少燃烧过程中过多的热量损失,减少发动机冷却系统的热量损失。与没有应用热障涂层的标准情况相比,这导致燃烧温度升高并且有效效率略高。当发动机涂有陶瓷材料时,有效效率在中等载荷下从32%增加到34%,在满载时从37%增加到39%。 Ekrem等人[4]指出,通过应用热障涂层,可以实现制动比油耗降低近6%,排放降低40%。此外,TBC在火花点火发动机中的应用改善了工作性能和发射特性。燃烧室部件的绝缘可以是用于改善火花点火发动机的性能,燃料经济性和废气排放的有用手段。采用部分涂层陶瓷活塞,与标准发动机相比,火花点火发动机的碳氢化合物(HC)排放量最多可减少43.2%[5,6]

提高缸内燃烧温度是提高热效率和减少废气排放的有效方法。同时,它会导致燃烧室部件上的热负荷更高,例如活塞,气缸,环,衬套和气缸盖。很明显,热障涂层的应用是提供更高燃烧温度和降低基板温度的有效手段,保护燃烧室部件免受热疲劳[7]。有人建议,铝-硅(Al-Si)合金活塞的陶瓷涂层活塞的最大表面温度可提高约48%,钢活塞可提高35%[8,9]。功能梯度材料涂层Al-Si活塞的表面温度比未涂层Al-Si活塞高28%,比未涂层钢活塞高17%。同时,结果表明金属基材的温度明显低于传统活塞的温度。

用于内燃机的隔热材料涂层必须具有包括高温强度,高膨胀系数,低摩擦,良好的抗热冲击性,重量轻和耐久性的特性。目前,部分稳定的氧化锆(PSZ)是最广泛研究的热障涂层陶瓷材料。氧化锆(ZrO2)已被不同种类的氧化物稳定,如Y2O3,MgO,CaO,CeO2,Sc2O3和In2O3。此外,Y2O3部分稳定的氧化锆(PYSZ)在作为隔热涂层材料应用时经验证明是最合适的,因为它具有一系列所需的性能。PYSZ在高温下具有低导热率(在1000℃时约为2.3 W/m℃)和2700℃的高熔点。这些因素使其适合于提供良好的隔热和保护燃烧室部件的高温应用。此外,它具有9e11.5times;106 /℃的高热膨胀系数和50GPa的高弹性模量,这有助于减轻由陶瓷顶涂层和下面的金属之间的热膨胀不匹配引起的应力。 PYSZ的硬度为14 GPa,可防止侵蚀和异物冲击。因此,PYSZ可抵抗缸内排放和热腐蚀[10,11]

PYSZ以三种不同的多晶型物(单斜晶,四方晶和立方晶)存在,每种多晶型具有不同的组成和温度特性。添加6e8重量%的Y2O3稳定了四方相(6-8PYSZ)-热障涂层应用中最理想的相。它是四方相的变体,其不经历马氏体转变。因此,6-8PYSZ更稳定,经常被选为热障涂层材料[11,12]

随着纳米材料和纳米技术的发展,材料的性能将得到改善,材料颗粒被精炼到纳米尺度[11,12]。与传统尺寸相比,纳米PYSZ具有更高的比热容,材料可塑性增加3倍,膨胀系数增加2倍,这使得纳米PYSZ与金属基材更好地匹配。此外,纳米PYSZ的相变温度发生很大变化,相变引起的涂层失效减少。涂层和金属基底之间的粘合强度得到加强。因此,增加了涂层的工作稳定性。纳米PYSZ涂层的微观结构和性能远优于传统涂层[13,14]

此外,能源需求和环境污染的逐渐增加促使研究人员转向替代燃料,逐步取代传统燃料。天然气由于其丰富的资源可用性和更清洁的排放等特点而受到越来越多的关注。调查显示,与汽油和柴油发动机的排放相比,天然气发动机排放的NOx可减少80%,二氧化碳减少30%,一氧化碳减少70%,HC排放减少30%[15,16]

近年来,由于天然气作为最重要的替代燃料之一的优点,天然气发动机的开发和应用受到了相当多的关注。然而,在天然气发动机的实际开发和应用中,表明天然气发动机的热负荷高于传统内燃机的热负荷,并且诸如活塞和气缸的燃烧室部件的热负荷是也高得多。目前,大多数天然气发动机都是变型车型,由柴油或汽油发动机原型改造而成。与传统的柴油和汽油发动机相比,天然气发动机的工作过程有一些明显的差异。天然气的燃点为650℃,高于柴油和汽油燃料。天然气的燃烧速率低,导致天然气燃烧后的排气温度升高。柴油和汽油是油性燃料,具有良好的润滑性能,而天然气的润滑性能较差。作为气体燃料,天然气不具有诸如柴油和汽油的液体燃料的缸内气化吸热效应。由于这些因素,与柴油发动机或汽油发动机原型相比,缸内气体温度和天然气发动机的排气温度

结果是加热的燃烧室部件的温度和热负荷更高。天然气发动机活塞的高温热负荷特别严重。

用于发动机活塞设计的铝合金材料具有良好的可塑性并且可以承受更大的应力。然而,铝合金活塞的高温承载能力是有限的,并且它不能承受太高的温度。 活塞的高温和热负荷严重限制了天然气发动机的发展。 此外,热障涂层可以为金属燃烧室部件提供热疲劳保护。在本研究中,为天然气发动机铝合金活塞提供热疲劳保护,热障涂层技术应用于天然气发动机的活塞和纳米PYSZ陶瓷热障涂层活塞的设计。采用有限元方法研究了纳米陶瓷热障涂层对天然气发动机活塞温度场分布和热负荷的影响。

  1. 材料和方法

2.1 问题陈述

用于发动机活塞设计的铝合金材料具有良好的可塑性,使活塞能够承受更大的应力。但是,铝合金活塞不能承受太高的温度。本研究介绍了天然气发动机的铝合金活塞涂有纳米陶瓷隔热层以提供热疲劳保护的结果。如图1所示,铝合金活塞用作基板,在其顶面涂覆纳米陶瓷热障涂层,完全覆盖暴露在高温下的活塞区域。这大大提高了活塞的高温稳定性。铝合金材料的韧性确保它可以承受高机械负荷。因此,既满足了耐高温热负荷又承受高机械负荷的要求,同时提高了活塞和天然气发动机的性能。

本研究采用双层结构热障涂层系统。第一层是包含100um厚的NiCoCrAlY化合物的粘合涂层。第二层(或顶部涂层)包括400um厚的纳米8PYSZ陶瓷(图1)。

图1.采用热障涂层的气体发动机和热障涂层厚度

在热障涂层的制备中,等离子喷涂方法被广泛使用。等离子喷涂设备简单,操作灵活,制备效率更高,适用于大多数隔热涂料[17,18]

在该研究中,使用图2所示的设备通过等离子喷涂技术制备纳米热障涂层。在涂覆过程中,使用大气等离子喷涂系统作为自动动力单元。

图2.等离子喷涂设备

在喷涂等离子体涂层之前,基板工件的表面需要从表面去除杂质,然后使材料表面变粗糙。通过增加表面自由能来激活表面,增加喷涂颗粒粘附的表面积。在此过程中,用丙酮溶液清洁铝合金活塞的表面,以在超声波清洗机中除去油。然后通过喷砂处理铝合金活塞的顶部表面以增加粗糙度。最后,用乙醇清洁活塞表面并干燥以确保表面清洁。

在处理基板之后,使用等离子体喷涂涂层。在涂覆过程中,将粘合材料NiCoCrAlY施加到铝合金活塞的顶表面上。图3展示了喷涂过程,表1给出了喷涂涂层的性能参数。然后将陶瓷材料(纳米8-PYPSZ)施加到粘合层上,形成顶部陶瓷涂层。纳米8-PYSZ粉末颗粒的尺寸在10nm和30nm之间变化,聚结形成20mm*85mm的球形颗粒。

图3.等离子喷涂过程

选择NiCoCrAlY粉末和PYSZ作为活塞最合适的界面元素材料和陶瓷层材料。内燃机的缸内气体含有SOx和NOx的组分,这使得MgO和CaO的稳定剂在高温和水的条件下从部分稳定的氧化锆中沉淀,从而失去稳定效果[19-21]。 Y 2 O 3的加入可以长时间提供良好的稳定效果。以前的研究表明,6-8PYSZ陶瓷涂层具有最佳的抗热震性和最长的使用寿命[22-24]。铝合金和涂层材料的性能如表2所示

表1.喷涂涂层性能参数

表2.铝合金和涂层材料性能

    1. 数学公式

天然气发动机活塞的传热过程遵循傅立叶热传导定律[25,26]。 活塞的热行为由经典的热传导方程控制,该方程用笛卡尔坐标表示为

假设活塞的铝合金材料为各向同性,因此可以假设x,y,z方向的导热系数相等,活塞本身不产生热量。因此,上述等式可简化为:

在发动机的工作过程中,活塞的温度随着缸内气体的周期性作用而变化。 然而,当发动机稳定工作时,只有顶部表面和活塞顶部内部(1~2mm)之间的温度随着发动机操作而周期性地变化。其余气缸的温度变化非常小,保持稳定[27,28]。 因此,假设活塞的温度稳定,活塞温度分布通常可以认为是稳定的并且可以表示为

联合2式和3式,得到4式。它定义了活塞的稳态温度场分布。

为了获得活塞温度场中的值,需要设定方程的确定解条件。 对于活塞的温度场,辐射的影响很小,可以忽略不计。 这简化了分析。 在活塞的边界处,基本和自然的边界条件被确定为

除边界条件外,还必须确定初始条件,以便能够分析传热。

    1. 有限元热分析

为了分析天然气发动机TBC活塞的温度场,采用数值分析方法。在传统的铝合金活塞和陶瓷涂层活塞上进行三维有限元热分析。使用ANSYS代码的活塞模型的有限元网格如图4所示。在热分析中,使用了275,400个六面体单元。

图4.有限元网格

活塞的热边界包括燃烧室,活塞和衬套之间的区域,环,冷却油腔,裙部和活塞内部。在这项调查中,热边界条件由作者过去的经验和文献中的类似作品决定。

内燃机内部的热传递是复杂的。为了分析活塞的温度场,需要确定热边界条件。在本研究中,第三种传热边界条件用于计算活塞的稳态温度场,包括传热系数和介质温度。目前,边界条件通常使用经验公式和半经验公式计算。

(1)传热系数和活塞顶面上的气体温度

活塞的热边界包括燃烧室,活塞和衬套之间的区域,环,冷却油腔,裙部和活塞内部。在这项调查中,热边界条件由作者过去的经验和文献中的类似作品决定。

内燃机内部的热传递是复杂的。为了分析活塞的温度场,需要确定热边界条件。在本研究中,第三种传热边界条件用于计算活塞的稳态温度场,包括传热系数和介质温度。目前,边界条件通常使用经验公式和半经验公式计算。

在内燃机的热力循环中,缸内瞬时气体温度Tg和瞬时气体传热系数ag都随时间变化。 可以使用缸内气体压力估算Tg [28,29]。 Wahlberg公式通常用于估计ag,其公式为:

其中ag是瞬时传热系数; Tg是瞬时气体温度; Pg是缸内气体的瞬时压力; Cm是活塞的瞬时速度; K0是修正系数。

在内燃机的热力循环中,平均传热系数am和活塞顶面上的平均气体温度Tm可分别根据等式(10)和(11)计算:

活塞的顶部表面与气体直接接触并承受强烈的热负荷。 使用测功机图和经验公式,活塞顶面上的平均气体温度估计为890℃。

在本文中,Seale公式用于计算顶面上活塞径向的传热系数的变化,方程式(12):

根据式(12),可以得到活塞顶面径向的局部传热系数ar。当r lt;N时,

其中r是对称线的径向长度,N是对称线和传热系数的极值点之间的距离。

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