適度隔熱發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展綜述

張全中　魏志明

摘 要：適度隔熱發(fā)動(dòng)機(jī)是對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)對表面隔熱技術(shù)和適度隔熱發(fā)動(dòng)機(jī)對發(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：TG306 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1674-098X（2014）02（a）-0096-02

適度隔熱發(fā)動(dòng)機(jī)是對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。

相比國外一些國家，我國適度隔熱發(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。國外一些國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

大量研究者對缸內(nèi)隔熱對燃油消耗的影響進(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，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)不同隔熱率對發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響規(guī)律未明確，需要針對某些具體機(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)

[1] Evans A G，Mumm D R， Hutchinson JW，et a l. Mechanisms controlling the durability of thermal barrier coatings[J].Progress in Materials Science，2001，46：505-555.

[2] Strangman T E.Thermal barrier coatings for turbine airfols[J]， Thin Solid Films，1985，127：93-105.

[3] M umm D R，Evans A G， Spitsberg IT.Characterization of a cyclic displacement instability for a thermally grown oxide in a thermal barrier systems[J]. Acta Mater，2001（49）：2329-2340.

[4] 馬維，潘文霞，吳承康.熱障涂層材料性能和失效機(jī)理研究進(jìn)展[J].力學(xué)進(jìn)展，2003，33（4）：548-559.

[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.

[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.

[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

大量研究者對缸內(nèi)隔熱對燃油消耗的影響進(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，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)不同隔熱率對發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響規(guī)律未明確，需要針對某些具體機(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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[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

大量研究者對缸內(nèi)隔熱對燃油消耗的影響進(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，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)不同隔熱率對發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響規(guī)律未明確，需要針對某些具體機(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.

[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