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由麻风树生物柴油-柴油混合动力驱动的单缸柴油发动机热障涂层（TBC）活塞分析
Harish Venu, Prabhu Appavu
摘要
本工作的目的是使用带有麻风树生物柴油-柴油混合物的热障涂层活塞来提高柴油发动机的性能。对于热障涂层，由于氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）与莫来石，氧化锆，陶瓷，硅酸镁，碳化硅等其他绝热材料相比具有较高的绝热能力，因此首选氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）。通过等离子喷涂技术，在活塞顶及周围喷涂厚度约为200 micro;m的YSZ涂层。使用的测试燃料为DF100（100％柴油），JB20NE（20％麻风树生物柴油 80％在普通无涂层发动机下运行的柴油）和JB20CE（20％麻风树生物柴油 80％在YSZ涂层发动机下运行的柴油） 。实验结果表明，使用JB20CE的热效率提高了10.6％，比耗油量降低了20.97％，这是因为YSZ涂层是保持燃烧室内最大热量的潜在阻隔体，降低了能量损失，从而提高了燃烧效率，促进了空气燃料混合物的形成并提高了性能。在排放方面，由于YSZ隔热材料改善了燃料氧化和有效燃烧，JB20CE运行使碳氢化物和一氧化碳排放降低了约41.67％和33.33％。
关键词：热障；氧化钇稳定的氧化锆；生物柴油；发动机性能；燃烧；排放
缩略语
TBC热障涂层 YSZ氧化钇稳定的氧化锆 DF100 100％柴油
JB20 20％麻风树生物柴油 80％柴油
JB20NE 20％麻风树生物柴油 80％柴油在普通无涂层发动机下运行
JB20CE 20％麻风树生物柴油 80％柴油在YSZ涂层发动机上运行
BTE热效率 BSFC比油耗 HC碳氢化合物 CO一氧化碳 NOx氮氧化物
LHR低散热 DI直喷 PSZ部分稳定的氧化锆 LTC低温燃烧
DEE二乙醚 EGR废气再循环 H2SO4硫酸 KOH氢氧化钾
ASTM美国测试与材料学会 HRR放热率 ID点火延迟 CAD曲轴角度
CD燃烧持续时间 EGT废气温度
1引言
近年来，人们为减少化石燃料的消耗和废气的排放，对各种生物柴油[1-4]和发动机优化技术[5-9]进行了研究。为产生更高的热效率和机械效率以及最小化排放与燃料消耗，近年来在各种发动机部件上的热障涂层已引起人们的关注。通过隔热，降低了从发动机排出的热量，因此废热可以用作氧化碳氢化合物燃烧中烟灰前体的有用能源，从而降低碳氢化合物（HC），一氧化碳（CO）和氮氧化物（NOx）的排放量，降低制动器的比油耗（BSFC）。隔热涂层（TBC）可有效地与低排热量（LHR）发动机配合。到目前为止，诸如莫来石，氧化铝，陶瓷，尖晶石，镁橄榄石，锆石，氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）的几种材料已被用作热障涂层的潜在涂层材料。选择这些材料是基于特定的材料特性，例如较高的熔点，最小的温度变化，较低的热膨胀系数，化学元素以及与金属基材的匹配等。对于当前的实验，厚度为200 micro;m的氧化钇稳定氧化锆（YSZ）涂层用于内燃机的热障涂层。有用于提供隔热的各种涂覆方法。对于本研究，采用等离子喷涂技术涂覆YSZ，YSZ在8300°C（15000°F）的温度下以粉末状射流的形式进入，YSZ熔化并在活塞上形成热气，并在活塞顶部凝固作为厚涂层。
NiCrAlY为150 micro;m的热障涂层由于降低了表面温度而提高了功率、效率，并降低了燃料消耗，提高了发动机寿命[10]。 Sharma [11]回顾了有关涂层材料在陶瓷材料的LHR发动机中的影响的文献。观察到陶瓷涂层已显示出更好的热障涂层性能，有改善的孔隙率和最小的涂层应力。 Funatani等[12]研究了活塞顶上的Ni-Cr-Ce涂层对柴油机排放和性能的影响。他们观察到，随着涂层的使用，CO和HC排放降低，而热效率升高。此外，他们发现Ni-Cr-Ce涂层作为热障涂层有助于提高发动机的功率。 Sivakumar和Kumar [13]在单缸直喷（DI）压缩点火发动机中研究了YSZ涂层作为热障涂层的影响。结果表明，使用涂层，热损失降低了10％，热效率提高了5％，BSFC降低了28％，HC和CO排放量分别降低了35.2％和2.7％，而NOx排放量提高到5.6％。
Taymaz等[14]研究称，由于热障涂层降低了压力上升率，并且降低了废气中的能量，因此改善了燃油经济性，将HC和CO排放量降至最低，并降低了噪音。 Kamo等[15]预测，与未涂覆的发动机相比，陶瓷基热障涂层可以将热效率提高6％。相似的结果表明，燃油经济性提高了37％[16]，指示热效率提高了14％[17]，指示燃料比耗增加了9％[18]。 Kamo等[15]用柴油机在活塞和气缸中厚度为0.1 mm的YSZ热障涂层，在气缸套中YSZ厚度为0.5 mm的涂层进行了试验，发现在所有发动机负载下，燃油效率都提高了约6％。 Dhana Raju和Kishore [19]研究了使用等离子喷涂方法在活塞顶上涂有150mu;m厚度的锆时，使用各种罗望子生物柴油混合物运行的柴油机特性。实验测试结果表明，在相同的发动机工况下，柴油发动机的性能优于未涂覆的活塞。
Yao和Qian[20]研究了在不同负载条件下具有纳米陶瓷涂层活塞的天然气动力柴油机的热分析。他们使用200微米厚的部分稳定的氧化锆（PSZ）陶瓷层涂覆的铝合金活塞。他们发现，在活塞有热障涂层的情况下，燃烧室温度显着提高，热效率显着提高，并且在所有负载条件下有害物质排放量均大大降低。 Selvam等[21]研究了陶瓷涂层活塞对直喷柴油机性能和燃烧特性的有效性。使用等离子喷涂技术，将氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）作为热障涂层材料应用于活塞顶表面。他们发现，在满负荷条件下，使用供测试的燃料样品时，使用涂层活塞比未涂层活塞具有更高的热效率和更低的比油耗。但是，他们还观察到带涂层活塞的NOx排放量增加。
Agarwal等[22]回顾了低温内燃机评估的基本方面，其热障方法的来历以及内燃机未来发展中的挑战。他们还表明了有关低温燃烧（LTC）发动机的燃油需求和燃油喷射系统的详细见解。作者还提供了LTC发动机排放特性的深入综述，并提出LTC发动机技术是未来汽车应用的有前景的选择。Jena等[23]研究了在活塞顶和发动机气门上涂有YSZ的直喷柴油机的性能，排放和燃烧特性。他们使用氯化铁作为带有涂层活塞和无涂层活塞的柴油的燃料催化剂。与满负荷运行的普通活塞相比，在氧化锆涂层活塞上施用氯化铁显示出热效率提高2.7％，比油耗率下降8.3％。此外，他们发现随着NOx排放量的少量增加，CO，HC和烟的不透明度显着降低。
Kumar和Veerabhadhrappa[24]研究了发动机气缸盖，气门和活塞顶盖上的热障涂层，以最大程度地减少热损失并改善柴油机的性能。等离子喷涂法用于在热点发动机部件上涂覆陶瓷材料。从实验测试结果来看，他们发现在柴油发动机的所有负载操作下，带涂层活塞的热效率均比普通活塞显着提高，并且废气排放量显着减少。 Krishnamani等[25]对油菜籽生物柴油和乙醚驱动的低散热柴油机进行了测试，以改善性能参数并减少废气排放。他们研究称，使用等离子喷涂技术使柴油发动机的进气阀，活塞顶，排气阀，气缸盖等过热的发动机部件涂有锆酸镧。他们从实验测试结果中注意到，在浓度为10％的菜籽中添加二乙醚（DEE）时，样品的热效率有了实质性的改善，满载条件下，CO和HC等排放量分别减少了10％和18％，油酸甲酯比纯菜籽油甲酯高。 Kulkarni等[26]研究了当柴油机的活塞，汽缸盖和发动机气门等燃烧表面涂有陶瓷材料时，使燃烧室成为完全绝热或低散热的柴油机的特性。他们对装有生物柴油的直喷柴油机进行了测试，测试了有无陶瓷涂层，不同的废气再循环（EGR）率，例如0％，5％，15％和20％。有陶瓷涂层时，与未涂覆的柴油发动机相比，低的传热性能显着提高了热效率，并显着减少了发动机尾气排放。
Rao等[27]研究了当燃烧室的热机部分涂有莫来石（氧化铝和氧化硅的混合物）时，热障涂层对双燃料柴油发动机的影响。用柴油作为引燃燃料，压缩天然气被用作主要燃料，以不同的流速（例如每分钟5、10和15 l）来研究其性能，燃烧和排放特性。他们发现燃烧室零件上的莫来石涂层对双燃料柴油发动机的特性产生了积极影响。他们还注意到，除了氮氧化物的排放外，双燃料发动机带涂层活塞在运行条件下的废气排放有了更大的减少。 Senthil等得出的测试结果相似。[28]关于使用掺有生物柴油的PSZ涂层柴油发动机的排放和性能特征。涂层对发动机部件的绝热效果比含钕生物柴油混合物的未涂层柴油发动机的热效率提高了3.8％。 Babu等[29]指出使用20％的麻花油生物燃料作为可行的替代燃料，可降低柴油机应用的散热率。用等离子喷涂技术将氧化铝绝缘材料涂在活塞，阀门和气缸壁上，厚度为0.3毫米。他们推断，与纯柴油的传统柴油发动机相比，涂层发动机的热效率提高了6.2％，燃油消耗降低了8.5％。涂有涂层的发动机在所有工况下也减少了发动机尾气排放。
根据关键的文献分析，可以发现，在带有YSZ热障涂层的发动机组件上使用热障涂层的低散热发动机可以有效地改善热效率和比油耗率。 但是，某些文献指出，在热障涂层中，由于燃烧室内普遍存在较高的缸内温度，因此NOx排放易增加。 在本实验工作中，采用等离子喷涂方法在活塞顶上涂上YSZ（厚度约200 micro;m）涂层，并在由JB20（20％麻风树生物柴油 80％柴油）驱动的柴油机中进行燃烧，性能和排放分析。
2实验材料与方法
2.1氧化钇稳定的氧化锆涂层
氧化锆材料能够在不同温度下保持稳定，并能从1200°C的单斜晶相转变为超过1200°C的相变相，在2370°C以上的温度下，转变为立方相。 在从单斜晶相到四方晶相的转变过程中，当其经受更高的温度（例如燃气轮机）时，颗粒体积会急剧下降（约4％）。 因此，为了防止在体积变化时伴随的材料开裂，将稳定剂添加到氧化锆的四方相/立方相中。 氧化锆的完全稳定需要添加20％的氧化钇，但是，燃料稳定会导致不良的热循环过程。然而，由于有效的烧结，氧化钇的部分稳定化（7-9 wt％）确保了涂层零件的相稳定性。与表1中简要介绍的其他绝缘材料相比，YSZ具有多个优势。YSZ通过等离子喷涂法涂覆，厚度为200 micro;m。表2详细列出了等离子喷涂的规格。图1展示了带有等离子喷涂的热障涂层活塞。
图1采用等离子涂层方法的热障涂层（TBC）活塞和阀
2.2麻风树生物柴油的制备
麻风树生物柴油是通过使用2升容量间歇式反应器，冷凝器，磁力搅拌器，温度计，取样出口单元生产的。 采用酸碱催化剂的方法完成生物柴油的制备。 使用旋转蒸发仪在真空条件下将粗麻风树油加热至60°C，以除去水分。 酯交换设备以及漏斗分离器如图2所示。
图2 a酯交换反应设备，b漏斗分离器
为了进行酯化，将甲醇与原料油的摩尔比为10：1和1.5％（v / v）硫酸（H2SO4）的混合物与预热的油一起加入，并在60℃下以700 rpm的转速搅拌4小时。然后，使用漏斗分离器分离酒精，H2SO4和其他杂质。使用旋转蒸发仪将分离出的酯化麻风树油加热至60°C，保持1小时，以除去甲醇和水。酯化后进行酯交换过程以降低粘度，粗麻风树油具有很高的粘度（4.2cSt）。在酯交换过程中，将甲醇与油的摩尔比为4：1的混合物与1％（m / m）的氢氧化钾（KOH）的混合物与酯化的麻风树油混合，并在60℃，700 rpm下搅拌约2 h，然后将获得的溶液传输到漏斗分离器中，静置24小时。在顶层获得所需的麻风树生物柴油，并将甘油沉淀在漏斗的底部，然后将其排出。麻风树油，麻风树生物柴油和柴油的性能根据美国材料试验协会（ASTM）的标准确定，并在表3中进行了说明。JB20是使用磁力搅拌器将20％麻风树生物柴油与80％柴油混合而成。
2.3测试发动机的选择
实验是在单缸，四冲程，立式，自然吸气柴油发动机上进行的。 表4中列出了测试发动机的规格。测试发动机的功率为4.4 kW，以1500 rpm的恒定速度工作。 这种直喷式柴油发动机的燃料容量为0.661升，缸径为87.5 mm，冲程长度为110 mm，连杆长度为203 mm。 实验装置的示意图如图3所示。
图3测试安装示意图
2.4仪器和测量方法
本实验装置使用MICO的燃料喷射和安装在气缸盖上的压电压力传感器记录运行过程中的放热率和缸内压力。 废气分析仪（QRO-402）可测量CO，HC和NOx排放量。 烟度计（AVL437C）用于测量烟度。 发动机负载与涡流测功机相连。 通过改变电流供应，发动机负载从较低负载变为较高负载。 实验是在0至100％的不同发动机负载范围内进行的。 风冷柴油机使用容量为3.7升的SAE40润滑油。
3结果与讨论
在正常发动机中对DF100（100％柴油）和JB20（20％麻风树生物柴油 80％柴油）进行了实验，并与使用JB20的YSZ涂层发动机进行了比较。 发动机负载以25％的间隔从0到100％变化。 在100％负载条件下分析了放热率和气缸压力。 记录每次负载时的最大
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