新型隔熱涂層對發動機性能的影響

王斌，賈德民，孫楠楠，齊少豹，石磊

摘要： 在發動機上采用隔熱技術可以減少傳熱量，降低熱損失，提高熱效率，提高發動機的排氣能量。對一種新型的隔熱涂層——低導熱系數、低熱容隔熱涂層進行了研究，研究發現，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氣體溫度的變化而變化，即膨脹沖程隨缸內溫度升高而升高，進氣沖程隨缸內溫度降低而降低，該屬性有效減少了壁面傳熱且避免了進氣加熱。在一臺重型發動機上使用新型涂層活塞對發動機的性能進行仿真試驗研究，發現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，提高發動機的熱效率和排氣能量。

關鍵詞： 發動機；隔熱涂層；傳熱；熱效率

DOI： 10.3969/j.issn.1001-2222.2024.03.004

中圖分類號：TK124文獻標志碼： B文章編號： 1001-２２２２（２０24）０3-００25-０5

采用隔熱技術可以減少缸內熱量的散失，提高發動機熱效率和排氣能量，降低冷卻系統的負擔。從20世紀80年代起，學者開始對發動機隔熱技術進行研究［1-3］，主要采用陶瓷基高耐熱材料，這種材料具備低導熱系數、高比熱容的特性。研究表明，該種形式的涂層對降低傳熱以及提高排氣溫度起到了積極作用，但在發動機工作過程中，由于陶瓷的比熱容大，導致涂層的壁面始終保持在高溫狀態，因此，在進氣沖程中易造成進氣加熱，進氣量減少、缸內溫度升高，并未起到傳熱減少，熱效率提高的效果，反而惡化了相關性能。近年來隨著法規對油耗和排放要求的日趨嚴格，隔熱技術也愈發體現其重要性。研究表明，基于氧化鋯的低密度新型涂層材料可以實現良好的隔熱效果，相對于傳統的陶瓷隔熱涂層，這種新型的隔熱涂層導熱系數由10 W/（m·K）降低至2 W/（m·K）以內，比熱容由2 000 J/（kg·K）降低至800? J/（kg·K）以內［4-5］。

本研究對這一低熱容、低導熱系數的新型隔熱涂層進行了研究，該隔熱涂層壁面溫度隨缸內氣體溫度的變化而變化，隔熱涂層表面與缸內氣體的溫差始終較小，可以減少傳熱量；同時，由于涂層壁面溫度隨缸內溫度變化快，進氣沖程時，隔熱涂層壁面溫度較低，對進氣影響較小。因此，相對于低導熱系數、高比熱容的隔熱涂層，本研究中的低導熱系數、低比熱容新型隔熱涂層具有更大優勢。本研究采用仿真和試驗相結合的方法研究了新型隔熱涂層的傳熱特性以及對發動機缸內傳熱以及性能的影響。

1新型隔熱涂層

發動機活塞材料一般為鋁或鋼等金屬，這些金屬材料一般導熱系數大、比熱容小，熱量傳遞較快，因此，在發動機運行穩定后，活塞一般穩定在較低的溫度。傳統的隔熱涂層一般采用低導熱系數、高比熱容的材料，缸內向外傳熱較少，在發動機工作過程中，涂層壁面始終保持較高的溫度，遠高于進氣溫度［6］。而本研究中所研究的新型隔熱涂層，具有低導熱系數、低比熱容［7］的特性，在發動機工作過程中，隔熱涂層壁面溫度隨缸內氣體溫度波動，且波動趨勢相同，因此，隔熱涂層壁面與缸內氣體溫差較小，同樣可實現減小缸內熱量傳遞的目標，且導熱系數和比熱容越小，溫度波動趨勢越明顯，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，進氣沖程時隔熱涂層壁面溫度較低，不會影響到發動機的進氣［9-10］，這也是該涂層的另外一個優勢。由式（2）及式（3）可知，要實現低導熱系數、低比熱容的材料屬性，則需該涂層材料密度小［11］。

Q=hA（Tgas-Twall）。（1）

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

k=ρ·c·α。（2）

式中：k為導熱系數；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算

為研究新型隔熱涂層對活塞壁面溫度、傳熱量、進氣量及燃油消耗率的影響，本研究對某一重型發動機采用CFD仿真的方法，運用Converge軟件對不同材料屬性、不同厚度的涂層進行了仿真研究。發動機參數如表1所示。

2.1涂層材料屬性計算研究

圖1示出2種新型涂層的材料屬性，涂層2的導熱系數和比熱容均小于涂層1。采用CFD計算軟件Converge在最低油耗點1 000 r/min，1 400 N·m對發動機進行燃燒仿真計算，研究其在工作過程中的傳熱規律，并對兩種涂層活塞進行對比。在最低油耗點循環噴油量為175 mg，噴射壓力為120 MPa。為提高計算效率，對進氣門關閉到排氣門打開之間的壓縮-膨脹過程進行計算，有限元計算模型如圖2所示。燃燒模型采用SAGE模型，該模型可以很好地與化學反應機理進行耦合，考慮到柴油機在活塞運動過程的渦流狀況，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，油滴的蒸發模型采用Frossling模型。首先采用上述模型對原活塞三維燃燒模型進行標定，缸壓標定結果如圖3所示。由圖3可知，仿真值和試驗值吻合良好，在壓縮階段，缸內壓力的仿真結果和試驗結果完全重合；在燃燒階段，缸壓基本重合，最高燃燒壓力值及其所對應的曲軸轉角誤差在2%以內。因此，可以基于當前的標定參數進行后續涂層的仿真計算和對比。

基于上述的標定參數，對配置涂層活塞1和涂層活塞2的燃燒系統進行仿真計算，并與原活塞進行對比。圖4示出缸內氣體平均溫度及活塞壁面平均溫度隨曲軸轉角的變化。由圖4可知，隨著缸內氣體的壓縮、燃燒、膨脹，缸內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壁面溫度隨缸內氣體溫度的變化而變化，且涂層活塞2壁面溫度的波動更大，與缸內氣體的溫差更小。這是由于普通活塞的材料為金屬，導熱系數大，傳熱速度快，因此活塞的表面溫度可以迅速地達到平衡；而涂層導熱系數小、比熱容小的特性，使得涂層活塞表面在吸收缸內氣體的熱量后溫度急劇變化，呈現出波浪式的變化，即隨缸內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氣體溫度始終保持較小的溫差。由傳熱學中的對流傳熱公式（式（1））可知，涂層活塞2的壁面傳熱量更小。

圖5示出活塞壁面傳熱量隨曲軸轉角的變化。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，較原機降低了182 J，驗證了前文所述。圖4和圖5示出的計算結果表明，低導熱系數、低比熱容的涂層特性有利于缸內熱量傳遞的減少，對發動機起到隔熱的作用，并且導熱系數、比熱容越小，這種特性越明顯。

為了更好地呈現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的溫度場和熱流密度云圖對比情況。由圖6可知，原活塞在工作過程中整個活塞壁面溫度始終穩定，并且溫度較低；而涂層活塞2溫度波動大，上止點前10°最高溫度為1 018 K，上止點后10°最高溫度2 565 K，上止點后20°最高溫度2 462 K，呈現出活塞壁面溫度先升高后降低的波浪式變化趨勢，并且活塞壁面上的高溫區域是油束落點區域以及油束擴散燃燒區域，這與缸內氣體的高溫區域相一致，這也進一步說明涂層活塞的溫度隨缸內溫度成一致性變化，可以體現在燃燒室具體的幾何空間位置上，這一結果與圖4平均計算結果相一致。由圖7可知，涂層活塞2的壁面熱流密度低于原活塞，并且熱流密度數值分布情況與缸內燃燒情況相一致，與圖5平均值計算相對應。

表2列出了活塞傳熱量以及發動機的性能指標燃燒效率和指示熱效率的對比。通過表2對比可知，原機活塞、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中的數據對比說明，涂層不會影響發動機的燃燒效率，而只是把減少的熱量損失一部分為轉化為有效功，提高發動機的熱效率，另外一部分儲存在排氣中，提高發動機的排氣能量。

2.2涂層厚度計算研究

前文的計算確定了涂層2的性能優于涂層1，本節將基于涂層2研究活塞不同涂層厚度對發動機性能的影響，進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，根據前人的研究經驗［6］，活塞的涂層應控制在0.4 mm以內。

圖8示出缸內氣體溫度及不同涂層厚度活塞的壁面溫度隨曲軸轉角的變化。從圖8可見，隨著涂層厚度的增加，壁面溫度的波動變化更加迅速，壁面溫度與缸內氣體溫度的溫差更小。根據傅里葉熱傳導計算公式可知，物體的厚度越大，熱阻越大，熱傳導能力越差，即導熱系數越小；在比熱容一定的情況下，導熱系數越小，溫度波動越大。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傳熱量隨曲軸轉角的變化，隨著涂層厚度的增加，壁面傳熱量減少，這也與圖8中的溫度變化相對應，與傅里葉熱傳導理論相一致。

通過對不同涂層和涂層厚度的研究，最終確定選用0.4 mm的涂層，作為下一步試驗研究和驗證的對象。

3新型隔熱涂層試驗研究

為驗證前述仿真結果的準確性與可靠性，對涂層活塞1和涂層活塞2進行了零部件熱試驗和整機性能試驗。

3.1涂層活塞零部件試驗研究

圖10和圖11分別示出涂層活塞1和涂層活塞2試驗樣件。為驗證前述兩種涂層活塞壁面溫度的變化趨勢，進而確定仿真的有效性，對涂層活塞壁面進行了測溫試驗。圖12示出活塞測溫試驗臺。首先通過天然氣熱爐對活塞燃燒室加熱150 s，然后通過冷卻水冷卻150 s，在整個過程中通過熱電偶測量如圖13所示的測溫點的溫度隨時間的變化，多次測量取平均值。

圖14示出測量點的溫度隨時間的變化。對比可知，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。試驗結果與仿真計算結果相一致，即低導熱系數、低比熱容的涂層壁面溫度隨外界的變化而變化，也驗證了導熱系數和比熱容越小，溫度變化越快的結論。

3.2涂層活塞整機試驗研究

在仿真工況點，即1 000 r/min，1 400 N·m工況下，針對原機活塞、涂層活塞1和涂層活塞2進行了整機性能對比驗證。在試驗過程中保證發動機的電控參數保持不變，且機油壓力、水溫以及進氣壓力等發動機的運行邊界一致。表3列出了涂層活塞1、涂層活塞2相對于原機活塞的試驗對比差值。試驗結果表明，新型的隔熱涂層可以在不影響進氣的情況下有效提高發動機的熱效率，減少傳熱，提高發動機排氣能量。該試驗進一步驗證了仿真計算的結果。

4結論

a） 低導熱系數、低比熱容新型隔熱涂層可以減小缸內氣體與活塞壁面的溫度差，從而有效減少傳熱量，提高發動機的熱效率，且導熱系數越低、比熱容越小，效果越明顯；

b） 相對于傳統的隔熱涂層，低導熱系數、低比熱容新型隔熱涂層，在進氣沖程壁面溫度較低，不會產生進氣加熱問題，從而避免了由于進氣加熱而造成的進氣量減少。

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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］