發動機燃燒室隔熱技術的發展與展望

山下親典

在內燃機的各種損耗中，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工作。提出了1種創新的隔熱技術，克服了以往傳統隔熱技術的諸多弊端，并在內燃機中得以成功應用。對這項隔熱技術及其涂層特性、驗證結果進行了總結，并對其未來發展前景進行了探討。

熱機;壓縮點火發動機;燃油經濟性;發動機零部件;效率;隔熱;燃燒分析

0 前言

為防止全球變暖，保護現有資源，近年來，各國改善汽車燃油經濟性的呼聲越來越高。為滿足這一要求，電動車是1種非常不錯的選擇，但要將傳統內燃機汽車完全換成純電動車（EV）或燃料電池車（FCV），在成本或基礎設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燃機及內燃機與電機組合的混合動力車的效率。

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

發動機冷卻損失的表達式如下。

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，單位W·m-2; A 為面積，單位m2; T g為燃氣溫度，單位K; T W為燃燒室壁溫，單位K。

根據式（1），研究人員總結了降低冷卻損失的方法主要有：

（1）降低傳熱系數;

（2）縮小燃燒室表面積;

（3）降低做功燃氣溫度;

（4）提高燃燒室壁溫度。

本文主要針對第4條，提高燃燒室壁表面溫度，縮小其與燃氣的溫差，進而降低冷卻損失的隔熱結構進行研究[2]，介紹了這項技術過去的研究成果、現狀及未來發展趨勢。

1 早期研究

1978年，KAMO等人提出了隔熱發動機的概念[3]。這種概念的主要內容是利用高耐熱陶瓷制造柴油機燃燒室，通過取消冷卻功能來降低冷卻損失，并利用渦輪回收增加的排氣能量，將這一有用功返回動力輸出軸，進而提高熱效率（圖2）。KAMO等人認為，由于取消了冷卻機構，降低了冷卻損失，因此發動機的燃油經濟性預計可改善23%，動力裝置可減少質量22%。該觀點在當時獲得了廣泛關注。

根據KAMO等人的研究成果，全球汽車制造商都認為隔熱發動機可有效改善燃油經濟性，紛紛投入到研究開發的進程中，在當時形成了研究熱潮[4-8]。

但是，在當時研發出來的隔熱發動機并沒有完全實現降低冷卻損失并提高熱效率的目標。如圖3所示，WOSCHNI等人利用耐熱材料制成活塞燃燒室，并在其背面設置了氣隙，形成了隔熱結構。之后，WOSCHNI等人在實際發動機上進行了評估試驗，得到了燃油經濟性全面惡化的結果[9]。在高負荷工況下，活塞表面溫度接近600 ℃，按照預期，燃氣溫度與燃燒室壁溫度之間的溫差應該縮小，冷卻損失會減少，進而改善燃油經濟性。但是WOSCHNI等人研究發現，此處的冷卻損失幾乎沒有減少。原因是高溫活塞加熱了進氣行程中的新鮮空氣，通過壓縮、燃燒行程，工作循環中燃氣溫度升高，結果燃燒室壁溫度與燃氣溫度溫差并沒有縮小，冷卻損失也幾乎沒有減少。因此，“發動機燃燒室隔熱弊端極大，沒有任何益處”的說法幾乎成了定論，相關的研究熱潮也隨之退去。

2 近年來的技術發展情況

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），燃油經濟性也隨之改變，因而得出了涂層厚度存在最佳值的結論[10]。這一認知在現在看來是非常重要的發現，但是在當時并沒有研究人員繼續深入研究或展開應用的記錄。當時各國正處于因大氣污染嚴重而迫切需要強化柴油機排放法規的時期，相關企業及高校把資源都集中在研究排氣凈化技術等方面。總之，在這之后的十幾年間，有關發動機燃燒室隔熱的文獻只是零星出現，幾乎處于被遺忘的狀態。

在進入2000年后，隨著柴油機顆粒過濾器（DPF）及選擇性催化還原（SCR）等后處理系統逐步進入實用化階段，相應的技術目標也日趨明了。為此需要在降低CO2排放的同時也能改善熱效率，部分研究人員再次將過去的隔熱發動機作為降低冷卻損失的手段，并針對其技術瓶頸問題及解決手段展開了探討。

如上所述，隔熱發動機最大的問題在于高溫燃燒室壁會加熱進氣。作為解決對策，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、進氣行程中可使燃燒室壁溫度急劇下降，并且不會加熱進氣的方法。為實現這一目標，研究人員需要找到1種不易導熱、又極易實現升溫及冷卻的隔熱材料。由于無法在短期內獲得這樣的材料，因此研究人員只能先利用仿真方法，對其使用情況及效果進行預測。

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，其傳熱系數及比熱分別設置為鋁的1/1 000～1/10，及1/100～1/10之間，并進行反復計算。計算結果顯示，熱傳遞系數及比熱越低，冷卻損失降低效果越大。高壓縮比提高循環效率及隨之增加的冷卻損失（機械損失）之間的平衡決定了最高效率壓縮比。藤本等人發現，若想通過隔熱來降低冷卻損失，最高效率點就會向高壓縮比側偏移，其效率也可以得到改善。

小坂等人通過仿真方法計算了隔熱涂層熱物理特性，以及涂層厚度對燃燒室壁表面溫度變化過程、發動機性能及熱效率的影響，給出了應用這一概念時不同曲軸轉角下燃氣溫度及燃燒室壁表面溫度變化的情況（圖4）。這種隔熱材料要求的熱物理特性包括低傳熱系數、低體積比熱。如表1及圖5所示，小坂等人在增壓柴油機活塞及氣缸蓋處涂覆了隔熱涂層，并預測涂層厚度變化時溫度的變化幅度及燃油經濟性的改善情況。在此計算條件下，研究人員發現涂層厚度為100 μm時，燃油經濟性改善效果最明顯。圖6示出了基礎金屬氣缸壁對進氣加熱的情況，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，可減少進氣被加熱的可能性，并推測出該方案也適用于汽油機。

2.2 隔熱涂層材料的開發

為得到溫度隨燃燒室壁溫度變化的隔熱涂層，研究人員需要開發出可同時滿足低導熱率、低體積比熱及高溫強度的材料。脇坂、川口、西川等人研究開發出了鋁合金“陽極氧化膜”。通常加工陽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。研究人員通過調整薄膜制備條件，將膜厚調整到了100 μm左右，成功得到了高達40%的孔隙率的材料。這種高孔隙率通過2種不同尺寸的孔隙實現，包括鋁合金陽極氧化膜本身納米尺寸孔隙的擴大，以及鑄造鋁合金中硅、銅等的結晶，以此妨礙陽極氧化膜主要成分鋁的生長，進而得到了納米級別的孔隙。為了使該氧化膜可以承受柴油機200 MPa以上的高噴油壓力，研究人員在陽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，并轉化為SiO2，從而可在提高強度的同時，防止高溫高壓燃氣侵入涂層表面孔隙中。其結構示意圖如圖7所示。

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

2.3 在發動機上的應用

（1）在柴油機上的應用

2015年，豐田汽車公司將SiRPA作為溫度波動變化隔熱涂層材料，首次在量產發動機上進行了應用（圖9），這一技術被稱為“燃燒室壁溫波動變化隔熱技術（TSWIN）”。

如圖10所示，在應用TSWIN技術后，發動機冷卻損失降低，凈功率及排氣損失增加，實現了燃燒室隔熱的目的。

福井等人利用激光誘導熒光法測量了運行中發動機缸內隔熱涂層的表面溫度。在燃燒行程中，基礎鋁合金活塞表面溫度在45 K左右波動，與此相比，SiRPA涂層可在140 K左右波動，呈現出隨燃燒室壁溫度波動的現象。同時，福井等人確認了這一波動幅度與利用近似SiRPA涂層熱物理特性進行的仿真預測結果大致一致（圖11）。測量值包括了從極限測量值到發動機中等負荷運行工況值，在高負荷工況下波動可達到200 K左右。

（2）在汽油機上的應用

山下等人通過在汽油機活塞頂部采用恰當厚度的多孔陽極氧化膜，在發動機性能及敲缸都沒有惡化的情況下改善了燃油經濟性。此時，燃油經濟性改善最大的區域為汽油機燃油經濟性的最佳點，即與中高速負荷工況基本一致，非常適合較多在這一工況下運行的混合動力車型。本技術在2020年普銳斯發動機中得到了應用并開始量產。

（3）與壁溫波動隔熱的應用

從發動機缸內燃氣與燃燒室壁溫變化及熱傳遞的觀點來看，20世紀80年代的“隔熱發動機”與其說是隔熱，不如說是“耐熱材料發動機高溫運行”更為貼切?！案魺帷币辉~意味著隔斷熱的傳遞，而當時的“隔熱發動機”在進氣行程中，由高溫燃燒室壁將大量的熱量傳遞給了進氣。在燃燒行程中，相對于數百攝氏度的燃燒室壁，通常溫度為數千攝氏度的燃氣會使進氣高溫化，由于溫差非常大，這與常規發動機流失熱量幾乎相同，因此這種發動機絕對不能稱為“隔熱發動機”。

對燃燒室壁溫度波動隔熱而言，且不論隔熱率大小，在進氣行程或燃燒行程中，燃燒室壁溫度都會跟隨燃氣溫度進行變化，溫差縮小，傳熱量也會減少，這與“隔熱”定義的“不輸出熱，也不接收熱”更為貼近。

3 燃燒室隔熱技術未來展望

燃燒室內壁溫度波動隔熱技術是近年前獲得的實用化技術，其應用效果與概念計算預測的效果相比，仍然差距較大。今后的研究須在以下幾方面展開：

（1）開發更高性能的隔熱涂層材料;

（2）擴大燃燒室隔熱范圍，優化隔熱部位;

（3）明確燃氣與各種燃燒室壁表面特性之間的熱傳遞機理。

在此期待各國研究人員能針對上述3方面應用場景對燃燒室壁隔熱技術進行持續優化，并改善其應用效果。特別是第3方面，需要產業界和學術界的研究人員共同努力，加速低冷卻損失燃燒技術的開發進程，為進一步提高內燃機效率作出貢獻。

參 考 文 獻

[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]內藤，ほか. 最新·未來のエンジン[M]. 朝倉書店，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. 夢の將來エンジン[J]. 自動車技術叢書1，自動車技術會，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 自動車技術，2020，74（6）

吳 玲 編輯

（收稿時間：2020-12-17）