CN102925844A

CN102925844A - 一种提高内燃机热效率的方法

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Publication number: CN102925844A
Application number: CN2012104360882A
Authority: CN
Inventors: 陆冠雄; 韩玉君; 王付胜; 郝杰; 叶福兴
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2012-11-05
Filing date: 2012-11-05
Publication date: 2013-02-13

Abstract

本发明公开了一种提高内燃机热效率的方法；通过等离子喷涂和/或超音速火焰喷涂的方法在内燃机活塞上制备隔热涂层来有效降低散热,该隔热涂层由两部分组成，即粘结层和隔热陶瓷层；对内燃机活塞顶进行表面预处理，依次在活塞上制备粘结层和陶瓷隔热涂层。与以往的提高内燃机热效率的方法相比，内燃机活塞顶制备隔热涂层，提高了隔热涂层与活塞基体的结合强度，改善了涂层的应力状态，延长了隔热涂层的使用寿命。粘结层的作用是缓解热应力以及抗氧化，隔热的作用主要来自陶瓷涂层，两者相互配合，缺一不可。在活塞上制备隔热涂层的方法简单实用，生产效率高，成本低廉，便于实现产业化。

Description

一种提高内燃机热效率的方法

技术领域

本发明属于内燃机技术领域，特别涉及一种提高内燃机热效率的方法。

背景技术

低散热发动机是对发动机燃烧室和排气道采用隔热来减少或尽可能消除发动机工作循环的部分热损失。根据热力学第一定律，减少排入冷却介质中的热量可增大活塞的有用功；根据热力学第二定律，发动机在高温下进行燃烧对做功更为有利，因为温度升高，热力过程的不可逆性降低。另外，减少热损失也使排气焓增加，这部分能量可用来推动复合涡轮机进而提高整个系统的热效率。

要提高工作温度，就需要高温材料，因为金属部件不能承受发动机热力循环过程所达到或超过金属熔点的燃气温度。60年代出现的氮化硅和碳化硅结构陶瓷具有耐高温，且在高温条件下具有比金属材料更高的强度等特点，因此在内燃机上应用陶瓷隔热引起了人们的极大兴趣,在世界范围内开始了大规模的研究浪潮。

热障涂层材料具有熔点高，热容量小，热导率低，热膨胀系数高，抗热冲击性能良好，抗高温氧化和抗高温腐蚀性能优异，可以实现对内燃机零部件的有效隔热保护。1981年，美国陆军坦克司令部和康明斯公司把一台6发缸NH250（176.5kW）发动机改装为低散热发动机，燃烧室采用部分稳定ZrO₂隔热，取消了冷却系统，在高速公路上行驶16000公里。与常规的水冷机比较，燃油消耗率下降16-37%。

Miyari等在一台单缸机缸盖底板和缸套上采取隔热措施，在相同油耗的条件下，NO_X排放较原有机型降低30%，在相同的NO_x排放条件下，油耗率低7%。Alkidas等在一台隔热发动机上的研究表明，尾气中颗粒和烟度均明显下降。低散热内燃机燃烧室隔热后，壁面温度提高100-200K，可有效改善甲醇等低十六烷值燃料在普通发动机上由于滞燃期长而燃烧困难的问题，有利于开发新型燃料。

自20世纪70年代开始低散热柴油机产品开发以来，低散热发动机采用的活塞隔热技术有：（1）采用等离子喷涂的方法，热喷涂制备陶瓷部分稳定ZrO₂涂层，涂层服役寿命比较短；（2）是采用高能束激光来烧结陶瓷粉末，制备激光重熔陶瓷层；（3）是采用空气不易导热的特点用空气做阻热介质，制备耐热合金气隙隔热；（4）陶瓷顶盖滚轧或者缸顶隔热涂层螺钉连接；（5）在活塞顶端机械配合上一个陶瓷端盖来隔热陶瓷镶嵌等。

在过去的三四十年中，低散热内燃机的发展速度比较慢，主要是高温结构陶瓷材料和涂层的制备工艺尚未完全成熟。陶瓷材料在内燃机上应用的关键是改善陶瓷材料的韧性，提高陶瓷涂层在热循环和热冲击下的可靠性。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足和缺陷，提供一种采用等离子喷涂技术和/或超音速火焰喷涂技术在内燃机活塞顶部制备隔热涂层以减少散热损失从而提高内燃机热效率的方法。这两种技术可以同时使用，也可以单独使用，由材料的具体理化性质决定。比如说，有些粘结层材料熔点低易氧化，需要先使用超音速火焰喷涂技术制备合金粘结层，后采用等离子喷涂技术制备陶瓷隔热涂层。有些材料则可以先使用等离子喷涂技术制备合金粘结层，后仍采用等离子喷涂技术制备陶瓷隔热涂层。

本发明采用如下技术方案：

一种提高内燃机热效率的方法，通过等离子喷涂和/或超音速火焰喷涂的方法在内燃机活塞上制备隔热涂层来有效降低散热,该隔热涂层由两部分组成，即粘结层和隔热陶瓷层；对内燃机活塞顶进行表面预处理，依次在活塞上制备粘结层和陶瓷隔热涂层。

所述的方法，其详细例举步骤如下：

（1）将内燃机的活塞顶清洗除油，喷砂粗化，去除表面的污物和氧化层；

（2）利用等离子喷涂设备制备MCrAlY粘结层，工作气体为主气氩气或氮气、次气为氢气或氦气，送粉气体采用氮气或氩气，喷涂功率为25-80kW；

或：MCrAlY粘结层采用超音速火焰喷涂设备制备，工作气体为丙烷或氢气或航空煤油，和氧气或压缩空气，送粉气体采用氮气或氩气；

（3）利用等离子喷涂设备制备ZrO₂-Y₂O₃陶瓷隔热涂层，工作气体为主气氩气或氮气、次气氢气或氦气，送粉气体采用氮气或氩气，喷涂功率为25-80kW。

所述的步骤（3）中的陶瓷隔热涂层材料采用ZrO₂-CaO或者ZrO₂-MgO粉末。

所述的表面预处理采用酒精和丙酮混合液或者有机清洗剂对活塞表面进行清洗除油，并用刚玉或硬质材料喷砂粗化。

所述的M表示Ni、Co、Fe的元素。

本发明具有如下优点：

（1）与以往的提高内燃机热效率的方法相比，在活塞上制备隔热涂层的方法简单实用，生产效率高，成本低廉，便于实现产业化。

（2）采用的陶瓷隔热涂层材料具有熔点高，热容量小，热导率低，热膨胀系数高，抗热冲击性能良好，抗高温氧化和抗高温腐蚀性能优异，可以实现对内燃机活塞的有效隔热保护。

（3）采用等离子喷涂和超音速火焰喷涂技术在内燃机活塞顶制备隔热涂层，提高了隔热涂层与活塞基体的结合强度，改善了涂层的应力状态，延长了隔热涂层的使用寿命。粘结层的作用是缓解热应力以及抗氧化，隔热的作用主要来自陶瓷涂层，两者相互配合，缺一不可。

（4）所提供的热喷涂方法制备的内燃机活塞部位隔热涂层可以有效降低内燃机的散热，提高内燃机工作温度，改善燃料的燃烧状况，增加有用功，减少NO_x排放，提高了内燃机热效率。

（5）所采用的在活塞上制备隔热涂层的方法可以消除或简化繁杂的后处理和冷却系统，减轻了整车重量，节省了材料。

附图说明

图1:等离子喷涂设备的示意图；

图2:超音速火焰喷涂设备示意图；

图3（a）：NiCrAlY粘结层合金粉末的微观形貌（SEM）；

图3（b）：NiCrAlY粘结层合金粉末的XRD衍射图谱；

图4（a）和（b）：未喷涂的ZrO₂+8wt.%Y₂O₃陶瓷粉末的SEM照片；

图5（a）：CoNiCrAlY粘结层合金粉末的微观形貌（SEM）；

图5（b）：CoNiCrAlY粘结层合金粉末的XRD衍射图谱；

图6（a）和（b）：喷涂后的隔热涂层显微照片；

图7：陶瓷隔热层和活塞示意图；

图8（a）：内燃机活塞喷涂前实物图；

图8（b）：内燃机活塞喷涂后实物图。

其中：1是陶瓷隔热层；2是合金粘结层；3是活塞基体；4是活塞。

具体实施方式

一种提高内燃机热效率的方法，通过等离子喷涂和/或超音速火焰喷涂的方法在内燃机活塞上制备隔热涂层来有效降低散热,该隔热涂层由两部分组成，即陶瓷隔热层1和合金粘结层2；对内燃机活塞顶进行表面预处理，依次在活塞上制备合金粘结层2和陶瓷隔热层1。

具体步骤如下：

（1）将内燃机的活塞顶清洗除油，喷砂粗化，去除表面的污物和氧化层。

（2）利用等离子喷涂设备制备MCrAlY粘结层，“M”表示Ni、Co、Fe等元素，这个合金涂层也是热喷涂制备的典型的层状结构，具体的在图6中有显示；工作气体为主气氩气或氮气等、次气为氢气或氦气等，送粉气体采用氮气或氩气等，喷涂功率为25-80kW；图1为等离子喷涂设备的示意图。

所述步骤（2）中的MCrAlY粘结层也可以采用超音速火焰喷涂设备制备，工作气体为丙烷或氢气或航空煤油，和氧气或压缩空气等，送粉气体采用氮气或氩气等。图2为超音速火焰喷涂设备示意图。

（3）利用等离子喷涂设备制备ZrO₂-Y₂O₃陶瓷隔热涂层，工作气体为主气氩气或氮气等、次气氢气或氦气等，送粉气体采用氮气或氩气等，喷涂功率为25-80kW。

所述步骤（3）中的陶瓷隔热涂层材料也可采用ZrO₂-CaO或者ZrO₂-MgO等粉末。

下面结合具体的实施例进一步对本发明的技术方案进行说明。实施例根据APS-2000型等离子喷涂设备进行设定的，但是本发明适用所有可用于热喷涂的等离子喷涂设备；常用超音速火焰喷涂设备是TJ-9000型超音速火焰喷涂设备，其他类似的设备有可能工作气体或控制设备有差别，但原理相同，都可用于制备合金粘结层，因此都属于本发明的范畴。

实施例1

利用乙醇和丙酮的混合液将内燃机的活塞4顶部清洗除油，采用60号刚玉砂进行喷砂粗化，喷砂气压0.8MPa，喷砂距离100mm，喷砂角度90°。采用超声清洗设备对内燃机活塞4进行超声清洗，清洗剂为乙醇和丙酮混合液，然后充分烘干。采用等离子喷涂设备制备NiCrAlY合金粘结层2，粉末粒度为45-75μm，喷涂工艺参数为：喷涂距离为100-120mm，送粉气体为氮气，其压力和流量分别为0.6MPa和1m³/h，送粉率为20-40g/min，工作气体的主气为氩气，压力和流量分别为0.6Mpa和2m³/h,次气为氢气压力和流量分别为0.6Mpa和0.05m³/h，电压为60V，电流为550A，涂层厚度为100μm。利用等离子喷涂设备制备ZrO₂+8wt.%Y₂O₃陶瓷隔热层1，粉末粒度为45-75μm，喷涂工艺参数：喷涂距离为100-150mm，送粉气体为氮气，其压力和流量分别为0.6MPa和1m³/h，送粉率为20-40g/min，工作气体的主气为氩气，压力和流量分别为0.6Mpa和3m³/h,次气为氢气压力和流量分别为0.6Mpa和0.07m³/h，电压为70V，电流为600A，涂层厚度为500-700μm。图3（a）和图3（b），分别为未喷涂的NiCrAlY合金粘结层2合金粉末SEM照片和XRD图谱，图4（a）和（b）为未喷涂的ZrO₂+8wt.%Y₂O₃陶瓷隔热层1粉末的SEM照片，图6(a)为喷涂后的隔热涂层显微照片。在活塞4顶部喷涂了100μm的合金粘结层2和700μm的陶瓷隔热层1后，散热率降低约4%。

实施例2

利用乙醇和丙酮的混合液将内燃机的活塞4顶部清洗除油，采用60号刚玉砂进行喷砂粗化，喷砂气压0.8MPa，喷砂距离100mm，喷砂角度90°。采用超声清洗设备对内燃机活塞4进行超声清洗，清洗剂为无水乙醇和丙酮混合液。然后充分烘干。采用超音速火焰喷涂设备制备CoNiCrAlY合金粘结层2,粉末粒度为5-37μm，涂层厚度为100μm，喷涂工艺参数为：喷涂前适当预热，氧气的压力和流量分别为0.7MPa和12m³/h，丙烷气体压力和流量分别为0.6MPa和1.0m³/h，送粉气体为氮气，其压力和流量分别为0.6MPa和0.96m³/h，喷涂距离为260-300mm，送粉率为20-40g/min，喷涂后用压缩空气冷却。利用等离子喷涂设备制备ZrO₂+8wt.%Y₂O₃陶瓷隔热层1，粉末粒度为45-75μm，喷涂工艺参数：喷涂距离为100-150mm，送粉气体为氩气，其压力和流量分别为0.6MPa和1m³/h，送粉率为20-40g/min，工作气体的主气为氩气，压力和流量分别为0.6Mpa和3m³/h,次气为氦气压力和流量分别为0.6Mpa和0.07m³/h电压为70V，电流为600A，涂层厚度为500-700μm。如图5（a）和图5（b），分别为未喷涂的CoNiCrAlY合金粘结层2合金粉末SEM照片和XRD图谱。图6（b）为喷涂后的隔热涂层显微照片。在活塞4顶部喷涂了100μm的合金粘结层2和700μm的陶瓷隔热层1后，散热率降低约4%。

实施例3

利用乙醇和丙酮的混合液将内燃机的活塞4顶部清洗除油，采用60号刚玉砂进行喷砂粗化，喷砂气压0.8MPa，喷砂距离100mm，喷砂角度90°。采用超声清洗设备对内燃机活塞4进行超声清洗，清洗剂为乙醇和丙酮混合液，然后充分烘干。采用等离子喷涂设备制备NiCrAlY合金粘结层2，粉末粒度为45-75μm，喷涂工艺参数为：喷涂距离为100-120mm，送粉率为20-40g/min，电压为60V，电流为550A，涂层厚度为100μm，。利用等离子喷涂设备制备ZrO₂+5wt.%CaO陶瓷隔热层1，粉末粒度为45-75μm，喷涂工艺参数：喷涂距离为100-150mm，送粉气体为氮气，其压力和流量分别为0.6MPa和1m³/h，送粉率为20-40g/min，工作气体的主气为氮气，压力和流量分别为0.6Mpa和2.4m³/h,次气为氢气压力和流量分别为0.6Mpa和0.06m³/h，电压为70V，电流为600A，涂层厚度为500-700μm。在活塞4顶部喷涂了100μm的合金粘结层2和700μm的陶瓷隔热层1后，散热率降低约4%。

实施例4

利用乙醇和丙酮的混合液将内燃机的活塞4顶部清洗除油，采用60号刚玉砂进行喷砂粗化，喷砂气压0.8MPa，喷砂距离100mm，喷砂角度90°。采用超声清洗设备对内燃机活塞4进行超声清洗，清洗剂为无水乙醇和丙酮混合液。然后充分烘干。采用超音速火焰喷涂设备制备CoNiCrAlY合金粘结层2,粉末粒度为5-37μm，涂层厚度为100μm，喷涂工艺参数为：喷涂前适当预热，氧气的压力和流量分别为1.4MPa和50m³/h，航空煤油压力和流量分别为1.1MPa和0.03m³/h，送粉气体为氮气，其压力和流量分别为0.3MPa和0.6m³/h，喷涂距离为260-300mm，送粉率为20-40g/min，喷涂后用压缩空气冷却。利用等离子喷涂设备制备ZrO2+5wt.%CaO陶瓷隔热层1，粉末粒度为45-75μm，喷涂工艺参数：喷涂距离为100-150mm，送粉气体为氩气，其压力和流量分别为0.6MPa和1m³/h，送粉率为20-40g/min，工作气体的主气为氮气，压力和流量分别为0.6Mpa和4m³/h,次气为氦气压力和流量分别为0.6Mpa和0.06m³/h，电压为70V，电流为600A，涂层厚度为500-700μm。在活塞4顶部喷涂了100μm的合金粘结层2和700μm的陶瓷隔热层1后，散热率降低约4%。

实施例5

利用乙醇和丙酮的混合液将内燃机的活塞4顶部清洗除油，采用60号刚玉砂进行喷砂粗化，喷砂气压0.8MPa，喷砂距离100mm，喷砂角度90°。采用超声清洗设备对内燃机活塞4进行超声清洗，清洗剂为乙醇和丙酮混合液，然后充分烘干。采用等离子喷涂设备制备NiCrAlY合金粘结层2，粉末粒度为45-75μm，喷涂工艺参数为：喷涂距离为100-120mm，送粉气体为氮气，其压力和流量分别为0.6MPa和1m³/h，送粉率为20-40g/min，工作气体的主气为氩气，压力和流量分别为0.6Mpa和2m³/h,次气为氢气压力和流量分别为0.6Mpa和0.05m³/h，电压为60V，电流为550A，涂层厚度为100μm，。利用等离子喷涂设备制备ZrO₂+24wt.%MgO陶瓷隔热层1，粉末粒度为45-75μm，喷涂工艺参数：喷涂距离为100-150mm，送粉气体为氮气，其压力和流量分别为0.6MPa和1m³/h，送粉率为20-40g/min，工作气体的主气为氩气，压力和流量分别为0.6Mpa和2m³/h,次气为氢气压力和流量分别为0.6Mpa和0.05m³/h，电压为70V，电流为600A，涂层厚度为500-700μm。在活塞4顶部喷涂了100μm的合金粘结层2和700μm的陶瓷隔热层1后，散热率降低约4%。

实施例6

利用乙醇和丙酮的混合液将内燃机的活塞4顶部清洗除油，采用60号刚玉砂进行喷砂粗化，喷砂气压0.8MPa，喷砂距离100mm，喷砂角度90°。采用超声清洗设备对内燃机活塞4进行超声清洗，清洗剂为无水乙醇和丙酮混合液。然后充分烘干。采用超音速火焰喷涂设备制备CoNiCrAlY合金粘结层2,粉末粒度为5-37μm，涂层厚度为100μm，喷涂工艺参数为：喷涂前适当预热，氧气的压力和流量分别为1MPa和17m³/h，氢气压力和流量分别为0.6MPa和40m³/h，送粉气体为氮气，其压力和流量分别为0.3MPa和0.3m³/h，喷涂距离为260-300mm，送粉率为20-40g/min，喷涂后用压缩空气冷却。利用等离子喷涂设备制备ZrO₂+24wt.%MgO陶瓷隔热层1，粉末粒度为45-75μm，喷涂工艺参数：喷涂距离为100-150mm，送粉气体为氩气，其压力和流量分别为0.6MPa和1m³/h，送粉率为20-40g/min，工作气体的主气为氩气，压力和流量分别为0.6Mpa和3m³/h,次气为氦气压力和流量分别为0.6Mpa和0.04m³/h，电压为70V，电流为600A，涂层厚度为500-700μm。在活塞4顶部喷涂了100μm的合金粘结层2和700μm的陶瓷隔热层1后，散热率降低约4%。

如上所述，通过附图的说明和相应的具体实施方式描述本技术发明。应理解的是，其中在实施例中关于内燃机隔热涂层的尺寸、类型和材料种类的描述并不意味着将本发明限定在所公开的特定形式，本方案仅仅是以示例的方式公开，除非另有特别说明。本发明的权限由权利要求所限定，基于本领域技术人员根据本发明所能够变化，重组所得到的与本发明相关度技术，都在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种提高内燃机热效率的方法，其特征在于，通过等离子喷涂和/或超音速火焰喷涂的方法在内燃机活塞上制备隔热涂层来有效降低散热,该隔热涂层由两部分组成，即粘结层和隔热陶瓷层；对内燃机活塞顶进行表面预处理，依次在活塞上制备粘结层和陶瓷隔热涂层。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是步骤如下：

3.如权利要求2所述的方法，其特征是所述的步骤（3）中的陶瓷隔热涂层材料采用ZrO₂-CaO或者ZrO₂-MgO粉末。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，表面预处理采用酒精和丙酮混合液或者有机清洗剂对活塞表面进行清洗除油，并用刚玉或硬质材料喷砂粗化。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述的M表示Ni、Co、Fe的元素。