發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室隔熱技術(shù)的發(fā)展與展望

山下親典

在內(nèi)燃機(jī)的各種損耗中，冷卻損耗占比較大。因此，為改善燃燒室硬件并降低冷卻損耗，研究人員做了大量研究及試驗(yàn)工作。提出了1種創(chuàng)新的隔熱技術(shù)，克服了以往傳統(tǒng)隔熱技術(shù)的諸多弊端，并在內(nèi)燃機(jī)中得以成功應(yīng)用。對(duì)這項(xiàng)隔熱技術(shù)及其涂層特性、驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展前景進(jìn)行了探討。

熱機(jī);壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī);燃油經(jīng)濟(jì)性;發(fā)動(dòng)機(jī)零部件;效率;隔熱;燃燒分析

0 前言

為防止全球變暖，保護(hù)現(xiàn)有資源，近年來(lái)，各國(guó)改善汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的呼聲越來(lái)越高。為滿足這一要求，電動(dòng)車是1種非常不錯(cuò)的選擇，但要將傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車完全換成純電動(dòng)車（EV）或燃料電池車（FCV），在成本或基礎(chǔ)設(shè)施等方面仍有著較高要求。因此，最有希望的方案仍然是提高內(nèi)燃機(jī)及內(nèi)燃機(jī)與電機(jī)組合的混合動(dòng)力車的效率。

作為一次動(dòng)力源的內(nèi)燃機(jī)，其內(nèi)部損失一般包括：冷卻損失（氣缸壁熱損失）、排氣損失、機(jī)械損失、未燃燃?xì)鈸p失等幾大類。圖1示出了柴油機(jī)在高負(fù)荷和低負(fù)荷工況下的熱平衡情況。如圖1所示，在低負(fù)荷工況下，內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械損失占比較大;在高負(fù)荷工況下，內(nèi)燃機(jī)的排氣損失占比較大。相較于這些損失對(duì)負(fù)荷的高依賴性，不論是在哪種負(fù)荷工況下，內(nèi)燃機(jī)的冷卻損失都占比較大。即使是在高負(fù)荷工況下，其冷卻損失也達(dá)到了20%～30%[1]。

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻損失的表達(dá)式如下。

Q c∝ h g· A ·（ T g- T W）（1）

式中， Q c為冷卻損失，單位W; h g為傳熱系數(shù)，單位W·m-2; A 為面積，單位m2; T g為燃?xì)鉁囟龋瑔挝籏; T W為燃燒室壁溫，單位K。

根據(jù)式（1），研究人員總結(jié)了降低冷卻損失的方法主要有：

（1）降低傳熱系數(shù);

（2）縮小燃燒室表面積;

（3）降低做功燃?xì)鉁囟?

（4）提高燃燒室壁溫度。

本文主要針對(duì)第4條，提高燃燒室壁表面溫度，縮小其與燃?xì)獾臏夭?，進(jìn)而降低冷卻損失的隔熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究[2]，介紹了這項(xiàng)技術(shù)過(guò)去的研究成果、現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1 早期研究

1978年，KAMO等人提出了隔熱發(fā)動(dòng)機(jī)的概念[3]。這種概念的主要內(nèi)容是利用高耐熱陶瓷制造柴油機(jī)燃燒室，通過(guò)取消冷卻功能來(lái)降低冷卻損失，并利用渦輪回收增加的排氣能量，將這一有用功返回動(dòng)力輸出軸，進(jìn)而提高熱效率（圖2）。KAMO等人認(rèn)為，由于取消了冷卻機(jī)構(gòu)，降低了冷卻損失，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性預(yù)計(jì)可改善23%，動(dòng)力裝置可減少質(zhì)量22%。該觀點(diǎn)在當(dāng)時(shí)獲得了廣泛關(guān)注。

根據(jù)KAMO等人的研究成果，全球汽車制造商都認(rèn)為隔熱發(fā)動(dòng)機(jī)可有效改善燃油經(jīng)濟(jì)性，紛紛投入到研究開發(fā)的進(jìn)程中，在當(dāng)時(shí)形成了研究熱潮[4-8]。

但是，在當(dāng)時(shí)研發(fā)出來(lái)的隔熱發(fā)動(dòng)機(jī)并沒有完全實(shí)現(xiàn)降低冷卻損失并提高熱效率的目標(biāo)。如圖3所示，WOSCHNI等人利用耐熱材料制成活塞燃燒室，并在其背面設(shè)置了氣隙，形成了隔熱結(jié)構(gòu)。之后，WOSCHNI等人在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了評(píng)估試驗(yàn)，得到了燃油經(jīng)濟(jì)性全面惡化的結(jié)果[9]。在高負(fù)荷工況下，活塞表面溫度接近600 ℃，按照預(yù)期，燃?xì)鉁囟扰c燃燒室壁溫度之間的溫差應(yīng)該縮小，冷卻損失會(huì)減少，進(jìn)而改善燃油經(jīng)濟(jì)性。但是WOSCHNI等人研究發(fā)現(xiàn)，此處的冷卻損失幾乎沒有減少。原因是高溫活塞加熱了進(jìn)氣行程中的新鮮空氣，通過(guò)壓縮、燃燒行程，工作循環(huán)中燃?xì)鉁囟壬撸Y(jié)果燃燒室壁溫度與燃?xì)鉁囟葴夭畈]有縮小，冷卻損失也幾乎沒有減少。因此，“發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室隔熱弊端極大，沒有任何益處”的說(shuō)法幾乎成了定論，相關(guān)的研究熱潮也隨之退去。

2 近年來(lái)的技術(shù)發(fā)展情況

2.1 新的隔熱概念

1995年，WONG等人利用仿真方法改變了隔熱涂層厚度及其熱物理特性（散熱率），燃油經(jīng)濟(jì)性也隨之改變，因而得出了涂層厚度存在最佳值的結(jié)論[10]。這一認(rèn)知在現(xiàn)在看來(lái)是非常重要的發(fā)現(xiàn)，但是在當(dāng)時(shí)并沒有研究人員繼續(xù)深入研究或展開應(yīng)用的記錄。當(dāng)時(shí)各國(guó)正處于因大氣污染嚴(yán)重而迫切需要強(qiáng)化柴油機(jī)排放法規(guī)的時(shí)期，相關(guān)企業(yè)及高校把資源都集中在研究排氣凈化技術(shù)等方面?？傊谶@之后的十幾年間，有關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室隔熱的文獻(xiàn)只是零星出現(xiàn)，幾乎處于被遺忘的狀態(tài)。

在進(jìn)入2000年后，隨著柴油機(jī)顆粒過(guò)濾器（DPF）及選擇性催化還原（SCR）等后處理系統(tǒng)逐步進(jìn)入實(shí)用化階段，相應(yīng)的技術(shù)目標(biāo)也日趨明了。為此需要在降低CO2排放的同時(shí)也能改善熱效率，部分研究人員再次將過(guò)去的隔熱發(fā)動(dòng)機(jī)作為降低冷卻損失的手段，并針對(duì)其技術(shù)瓶頸問題及解決手段展開了探討。

如上所述，隔熱發(fā)動(dòng)機(jī)最大的問題在于高溫燃燒室壁會(huì)加熱進(jìn)氣。作為解決對(duì)策，研究人員提出了涂層概念，這是1種僅在燃燒、膨脹行程中使溫度升高，而在排氣、進(jìn)氣行程中可使燃燒室壁溫度急劇下降，并且不會(huì)加熱進(jìn)氣的方法。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員需要找到1種不易導(dǎo)熱、又極易實(shí)現(xiàn)升溫及冷卻的隔熱材料。由于無(wú)法在短期內(nèi)獲得這樣的材料，因此研究人員只能先利用仿真方法，對(duì)其使用情況及效果進(jìn)行預(yù)測(cè)。

藤本等人為抑制伴隨高壓縮比化而增加的冷卻損失，在燃燒室表面涂覆了1層1 mm厚的假想隔熱材料，其傳熱系數(shù)及比熱分別設(shè)置為鋁的1/1 000～1/10，及1/100～1/10之間，并進(jìn)行反復(fù)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示，熱傳遞系數(shù)及比熱越低，冷卻損失降低效果越大。高壓縮比提高循環(huán)效率及隨之增加的冷卻損失（機(jī)械損失）之間的平衡決定了最高效率壓縮比。藤本等人發(fā)現(xiàn)，若想通過(guò)隔熱來(lái)降低冷卻損失，最高效率點(diǎn)就會(huì)向高壓縮比側(cè)偏移，其效率也可以得到改善。

小坂等人通過(guò)仿真方法計(jì)算了隔熱涂層熱物理特性，以及涂層厚度對(duì)燃燒室壁表面溫度變化過(guò)程、發(fā)動(dòng)機(jī)性能及熱效率的影響，給出了應(yīng)用這一概念時(shí)不同曲軸轉(zhuǎn)角下燃?xì)鉁囟燃叭紵冶诒砻鏈囟茸兓那闆r（圖4）。這種隔熱材料要求的熱物理特性包括低傳熱系數(shù)、低體積比熱。如表1及圖5所示，小坂等人在增壓柴油機(jī)活塞及氣缸蓋處涂覆了隔熱涂層，并預(yù)測(cè)涂層厚度變化時(shí)溫度的變化幅度及燃油經(jīng)濟(jì)性的改善情況。在此計(jì)算條件下，研究人員發(fā)現(xiàn)涂層厚度為100 μm時(shí)，燃油經(jīng)濟(jì)性改善效果最明顯。圖6示出了基礎(chǔ)金屬氣缸壁對(duì)進(jìn)氣加熱的情況，給出了鋁活塞選擇合適隔熱涂層厚度及涂層熱物理特性后，可減少進(jìn)氣被加熱的可能性，并推測(cè)出該方案也適用于汽油機(jī)。

2.2 隔熱涂層材料的開發(fā)

為得到溫度隨燃燒室壁溫度變化的隔熱涂層，研究人員需要開發(fā)出可同時(shí)滿足低導(dǎo)熱率、低體積比熱及高溫強(qiáng)度的材料。脇坂、川口、西川等人研究開發(fā)出了鋁合金“陽(yáng)極氧化膜”。通常加工陽(yáng)極氧化膜的目的是防腐及耐磨，其膜厚從幾微米到十幾微米不等，非常輕薄致密。研究人員通過(guò)調(diào)整薄膜制備條件，將膜厚調(diào)整到了100 μm左右，成功得到了高達(dá)40%的孔隙率的材料。這種高孔隙率通過(guò)2種不同尺寸的孔隙實(shí)現(xiàn)，包括鋁合金陽(yáng)極氧化膜本身納米尺寸孔隙的擴(kuò)大，以及鑄造鋁合金中硅、銅等的結(jié)晶，以此妨礙陽(yáng)極氧化膜主要成分鋁的生長(zhǎng)，進(jìn)而得到了納米級(jí)別的孔隙。為了使該氧化膜可以承受柴油機(jī)200 MPa以上的高噴油壓力，研究人員在陽(yáng)極氧化膜表面涂覆了1層甲醛硅烷封孔劑，使之浸滲到孔隙中，并轉(zhuǎn)化為SiO2，從而可在提高強(qiáng)度的同時(shí)，防止高溫高壓燃?xì)馇秩胪繉颖砻婵紫吨?。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

這種溫度可波動(dòng)變化的隔熱涂層材料被稱為SiO2強(qiáng)化多孔陽(yáng)極氧化膜（SiRPA）。該涂層的熱物理特性如圖8所示，其導(dǎo)熱率為鋁合金的1/100，體積比熱為1/2，與以往隔熱發(fā)動(dòng)機(jī)所用的氮化硅（Si3N4）等耐熱材料相比，性能有大幅提升。

2.3 在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用

（1）在柴油機(jī)上的應(yīng)用

2015年，豐田汽車公司將SiRPA作為溫度波動(dòng)變化隔熱涂層材料，首次在量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了應(yīng)用（圖9），這一技術(shù)被稱為“燃燒室壁溫波動(dòng)變化隔熱技術(shù)（TSWIN）”。

如圖10所示，在應(yīng)用TSWIN技術(shù)后，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻損失降低，凈功率及排氣損失增加，實(shí)現(xiàn)了燃燒室隔熱的目的。

福井等人利用激光誘導(dǎo)熒光法測(cè)量了運(yùn)行中發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)隔熱涂層的表面溫度。在燃燒行程中，基礎(chǔ)鋁合金活塞表面溫度在45 K左右波動(dòng)，與此相比，SiRPA涂層可在140 K左右波動(dòng)，呈現(xiàn)出隨燃燒室壁溫度波動(dòng)的現(xiàn)象。同時(shí)，福井等人確認(rèn)了這一波動(dòng)幅度與利用近似SiRPA涂層熱物理特性進(jìn)行的仿真預(yù)測(cè)結(jié)果大致一致（圖11）。測(cè)量值包括了從極限測(cè)量值到發(fā)動(dòng)機(jī)中等負(fù)荷運(yùn)行工況值，在高負(fù)荷工況下波動(dòng)可達(dá)到200 K左右。

（2）在汽油機(jī)上的應(yīng)用

山下等人通過(guò)在汽油機(jī)活塞頂部采用恰當(dāng)厚度的多孔陽(yáng)極氧化膜，在發(fā)動(dòng)機(jī)性能及敲缸都沒有惡化的情況下改善了燃油經(jīng)濟(jì)性。此時(shí)，燃油經(jīng)濟(jì)性改善最大的區(qū)域?yàn)槠蜋C(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的最佳點(diǎn)，即與中高速負(fù)荷工況基本一致，非常適合較多在這一工況下運(yùn)行的混合動(dòng)力車型。本技術(shù)在2020年普銳斯發(fā)動(dòng)機(jī)中得到了應(yīng)用并開始量產(chǎn)。

（3）與壁溫波動(dòng)隔熱的應(yīng)用

從發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃?xì)馀c燃燒室壁溫變化及熱傳遞的觀點(diǎn)來(lái)看，20世紀(jì)80年代的“隔熱發(fā)動(dòng)機(jī)”與其說(shuō)是隔熱，不如說(shuō)是“耐熱材料發(fā)動(dòng)機(jī)高溫運(yùn)行”更為貼切。“隔熱”一詞意味著隔斷熱的傳遞，而當(dāng)時(shí)的“隔熱發(fā)動(dòng)機(jī)”在進(jìn)氣行程中，由高溫燃燒室壁將大量的熱量傳遞給了進(jìn)氣。在燃燒行程中，相對(duì)于數(shù)百攝氏度的燃燒室壁，通常溫度為數(shù)千攝氏度的燃?xì)鈺?huì)使進(jìn)氣高溫化，由于溫差非常大，這與常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)流失熱量幾乎相同，因此這種發(fā)動(dòng)機(jī)絕對(duì)不能稱為“隔熱發(fā)動(dòng)機(jī)”。

對(duì)燃燒室壁溫度波動(dòng)隔熱而言，且不論隔熱率大小，在進(jìn)氣行程或燃燒行程中，燃燒室壁溫度都會(huì)跟隨燃?xì)鉁囟冗M(jìn)行變化，溫差縮小，傳熱量也會(huì)減少，這與“隔熱”定義的“不輸出熱，也不接收熱”更為貼近。

3 燃燒室隔熱技術(shù)未來(lái)展望

燃燒室內(nèi)壁溫度波動(dòng)隔熱技術(shù)是近年前獲得的實(shí)用化技術(shù)，其應(yīng)用效果與概念計(jì)算預(yù)測(cè)的效果相比，仍然差距較大。今后的研究須在以下幾方面展開：

（1）開發(fā)更高性能的隔熱涂層材料;

（2）擴(kuò)大燃燒室隔熱范圍，優(yōu)化隔熱部位;

（3）明確燃?xì)馀c各種燃燒室壁表面特性之間的熱傳遞機(jī)理。

在此期待各國(guó)研究人員能針對(duì)上述3方面應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)燃燒室壁隔熱技術(shù)進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化，并改善其應(yīng)用效果。特別是第3方面，需要產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究人員共同努力，加速低冷卻損失燃燒技術(shù)的開發(fā)進(jìn)程，為進(jìn)一步提高內(nèi)燃機(jī)效率作出貢獻(xiàn)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]KOGO T，et al. High efficiency diesel engine with low heat loss combustion concept—Toyota's inline 4 cylinder 2.8-litter ESTEC 1GD-FTV engine[C]. SAE Paper 2016-01-0658.

[2]內(nèi)藤，ほか. 最新·未來(lái)のエンジン[M]. 朝倉(cāng)書店，2019：45-72.

[3]KAMO R，BRYZIK W. Adiabatic turbocompound engine performance prediction[C]. SAE Paper 780068.

[4]TOYAMA K，et al. Heat insulated turbocompound engine[C]. SAE Paper 831345.

[5]SUZUKI T. An observation of combustion phenomenon on heat insulated turbo-charged and inter-cooled D.I. diesel engines[C]. SAE Paper 861187.

[6]OSAWA K，KAMO R，VALDMANIS E. Performance of thin thermal barrier coating on small aluminum block diesel engine[C]. SAE Paper 910461.

[7]KAWAMURA H， AKAMA M. Development of an adiabatic engine installed energy recover turbines and converters of CNG fuel[C]. SAE Paper 2003-01-2265.

[8]神本武征，ほか. 夢(mèng)の將來(lái)エンジン[J]. 自動(dòng)車技術(shù)叢書1，自動(dòng)車技術(shù)會(huì)，2009：103-128.

[9]WOSCHNI G，SPINDLER W，KOLESA K. Heat insulation of combustion chamber walls-a measure to decrease the fuel consumption of I.C. engines？[C]. SAE Paper 870339.

[10]WONG V，et al. Assessment of thin thermal barrier coatings for I.C. engines[C]. SAE Paper 950980.

張冬梅 譯自 自動(dòng)車技術(shù)，2020，74（6）

吳 玲 編輯

（收稿時(shí)間：2020-12-17）