关于减少重型柴油机活塞表面热损失的新活塞隔热理念

【日】 N．UCHIDA H．OSADA

0 前言

提高热效率是当前发动机研发的首要目标。为了满足客户和社会对降低能源消耗的要求，尤其要考虑提高柴油机的热效率问题。为了实现更高的热效率，可以考虑在排气能量损失、壁热损失、机械损失和泵送损失过程中相应减少能量损失。减少壁热损失是首要的问题，因为当前的后处理减排技术和涡轮增压技术对其影响甚微。先前的研究已验证了多项可有效减少壁热损失的方法，例如，通过降低缸内燃气的温度来降低其与缸壁的温度差［1］；降低缸内气流速度减小传热系数［2］；降低火焰对燃烧室壁面的冲击。燃气温度的升高和内壁热损失的减少不一定会成功转换为制动或指示功［3］。由上述研究结果可知，为进一步降低内壁热损失，应该考虑热循环效率的影响，从而进一步改善热效率。然而，为了实现更高的热循环效率，将压缩比提高也会使内壁热损失相应提高。

降低热损失的方法之一是通过减小喷嘴和扩大燃烧室直径以抑制火焰对燃烧室内壁的冲击。目前业内流行的设计思路是减小缸径和气缸容积（发动机小型化）、提高喷射压力等，但这些方式都不利于降低热损失。另一种降低热损失的方法是阻隔燃烧室表面的热流。几十年前，人们试图研制陶瓷材料制成的柴油机活塞来减少缸内燃气热损失。然而，即使当时壁面温度很高（温度梯度很低），热损失情况并未得到有效改善，燃烧和排放情况更不理想。与过去的方法相比，在铝活塞上和在整个工作循环内，同时增加燃烧室表面的温度波动和缸内气体温度的波动来减小温度梯度的这种新方法，如采用丰田的新隔热技术（SIRPA）改善了热损失情况。

首先，在之前的研究中，用热导率较低的材料制成的具有浅盆型燃烧室的活塞来研究降低缸壁热损失的可行性。二氧化锆只涂覆在活塞燃烧室表面，通过减小燃气直接冲击燃烧室壁面以降低热损失。活塞燃烧室表面通过热喷涂技术喷涂了薄薄一层的二氧化锆，该活塞用于与未喷涂二氧化锆的活塞作比较。通过显微观察发现，涂有二氧化锆的活塞喷油落点区域的燃气末端温度相对于未喷涂有二氧化锆的锻钢活塞温度要低。通过零维非稳态热导性计算，此二氧化锆涂层的厚度能满足这种表面温度波动。这也被认为是由于壁面温度和各个角度隔热效果不同而引起的差异。

1 目的

通过对二氧化锆涂层活塞和普通活塞进行发动机试验对比，基于热平衡分析发现，发动机平均热损失情况并未降低（图1）。反之，制动热效率（BTE）却因能量损失增加而变得更不理想。此外，利用相同的热喷涂技术制成的镀铁铝活塞，其热损失提高了2%［3］（2种活塞的材料热特性基本相同）。但试验结果与之前所做的有关火焰前锋温度波动的研究结果并不一致。SERRANO等人对多缸重型柴油机的试验也证明了二氧化锆涂层对燃油消耗率影响甚微，尽管其二氧化锆涂层厚度、其他特殊要求等与本研究的涂层有所不同。

图1 二氧化锆涂层活塞、镀铁活塞以及普通钢活塞的热平衡对比

由试验结果可知，影响热损失的主要因素不仅包括喷油落点的隔热材料，还包括其他因素，如表面结构、表面温度实时变化、壁面附近的气流速度等。为更好地推动前沿技术的发展，初步了解燃烧喷射火焰撞击壁面的热损失现象机理，首先对燃烧室外周壁附近的局部火焰行为进行观察，其次通过三维数值模拟（AVL FIRETM）研究不同边界条件（表面粗糙度、表面平均温度）下的热损失变化情况。

本研究旨在通过提供全新的缸内表面隔热技术来有效减少热损失。基于燃烧观察所得结果及数值模拟分析，设计了2种方案的隔热活塞。结果显示，2种方案发动机热损失的减少不仅出现在低负荷工况，也出现在高负荷工况条件下。此外，伴随着热损失的降低，制动热效率也会得到一定的提高。

2 试验设备

2．1 发动机和燃油规格

在1款单缸、直喷式、重型柴油机上进行试验，具体参数详见表1。发动机装配具有环形燃烧室的锻钢活塞。活塞横截面如图2所示。该发动机同时配有电控高压共轨式燃油喷射系统，最大喷射压力300MPa（在Denso G4S基础上升级）和1种电控液压可变气门驱动系统（Sturman公司，DHVVA）。测试系统布局如图3所示。发动机系统配有1个先进的增压／中冷进气系统，以及带有1个外部驱动的进气增压装置和1个废气循环泵装置的高压废气再循环（EGR）系统。该系统可单独控制进气压力、排气压力、EGR率和进气温度。本研究中使用的标准配置是使排气背压和进气增压相匹配，从而减少外部增压做功、使EGR管路压力下降、涡轮增压效率变化，同时降低与单排气阀作业造成的损害。燃油采用市场上出售的低硫柴油（日标2号，含硫量6×10－6），机油也是低硫含量（日本JASP标准 DH－2）。

表1 发动机具体参数和燃油规格

图2 活塞截面示意图和燃烧室形状（压缩比18）

图3 试验用台架系统布局图

在标况下对发动机进行了多轮测试和数值模拟，详见表2。部分负荷工况测试选择多个试验循环，如瞬态试验循环（WHTC）、稳态试验循环（WHSC）和JE05工况，试验工况与目前重型商用车（最佳燃油经济性工况点）常用的实际工况相符。此外，在不受设计限制约束的发动机上研究了发动机参数对发动机性能的影响。比对EGR率，选择用0%来评估最大化壁面热损失，旨在在临界条件下找出减少热损失的有效方法。

表2 基准发动机工作条件和数值模拟条件

2．2 俯视可视化系统

俯视可视化系统借助高速摄像机观察缸内燃烧情况。该系统用来研究复杂的火焰结构，从而揭示局部火焰温度的影响及壁面热损失的瞬态火焰移动。

如图4所示，俯视可视化系统通过将连体式排气口改为直排气口，从而将缸盖上的1个排气阀改为了蓝宝石面窗。可观测区域包括燃烧室喉口壁面喷油落点处，此处会发生油束燃烧撞击燃烧室壁面的情况。与仰视可视化技术相比，俯视可视化技术允许使用原装的发动机材料和燃烧室形状，仅仅是改装了排气门结构。因此，喷油落点处材料及燃烧室形状对燃烧的影响都可以进行研究。为了安全便捷地调整光线，面窗上方的光学通道内安装了1个倾斜45°且朝向高速摄像机的平面镜，镜面反射近似水平于整个可见光波长范围。本研究中使用的高速摄像机是FASTCAM SA－Z（PHOTRON Ltd），配有200mm 微距镜头。为了能够更近距离观察放大的燃烧室壁，4个内联增距镜（3个2倍焦、1个1．4倍焦）安装于镜头和机身之间。该相机用于捕捉速度为每秒14 400帧的图像，其规格为 6．7mm2、1 024 像 素 平 方 分 辨 率 （转 速 1 200 r／min，每帧曲柄角度0．5°）。

图4 燃烧室俯视可视化系统

由于燃烧室俯视观察基于火焰自身的亮度（没有其他参考光源），因此即使火焰冲击现象发生，通过壁面附近的火焰淬熄也很难识别火焰冲击壁面的位置。因此，用于燃烧室俯视观察的所有活塞的挤流面都喷涂了耐热银，同时，径向与切向用间隔为1mm的线隔开（图5）。本试验中的燃烧室是浅盆形（即挤流面的边就是燃烧室的外侧壁），因此即使有淬火层，通过火焰亮度的变化，火焰冲击壁面的精确位置也很容易识别。

3 试验结果及分析

3．1 燃烧室观察

图5 喷涂耐热银后试验活塞的挤流面有不同的吸收常数

利用俯视可视系统，观察到的燃烧室喉口部位的火焰运动现象如图6所示。由图6可知，火焰碰撞到燃烧室壁面后，部分火焰溢流到挤流面上。图6（a）中间绿色短线周围的3个颜色的强度变化如图6（b）所示。横轴表示火焰的径向位置，左端指的是绿线的外边界。可以发现2个典型区域：A区域的强度变化很慢且变化平缓，而B区域的强度沿径向方向逐渐递减。由于燃烧室边缘的反射不同，从结果来看，A区域的左边强度慢慢递增。因此，实际燃烧室喉口位置应该是在A区域左侧。B区域的强度梯度表明了燃烧室喉口附近的火焰温度梯度。A区域的强度变化平缓区说明低温区域的碳烟微粒辐射未被发现（低于1 600K，降低到壁面温度）。A、B区域总的热边界层长度与其他研究者所提出的热边界层厚度一致，因此本研究用此长度来代替热边界层厚度。

图6 放大后的观察结果以及距壁面的距离

通过观察放大后的火焰和燃烧室壁面间的相互作用，对普通活塞和喷涂二氧化锆活塞的“热边界层”厚度进行了比较。由图7可知，二氧化锆活塞的热边界层要比普通活塞的热边界层薄一些，由此可能会导致热传导系数变大。较高的热传导系数降低了气体和燃烧室壁面之间的温差变小的优势，从而导致2种活塞的热损失情况趋于一致。

图7 壁面火焰冲击点附近放大后的普通钢活塞和二氧化锆活塞观察图

随着焰舌温度的下降，紧随火焰冲击壁面之后发生，比如二氧化锆表面没有明显的温度降低，相关文献中描述出现的变化也不是仅通过上述现象进行的。因此，需要从宏观角度和微观角度进行研究。换言之，热传导系数的增大可能会出现在整个喷涂区域。然而，由于局部壁面温度较高以及热导率相对较低，火焰冲击点的局部热流可能会相对较低。二氧化锆涂层出现这种问题的潜在原因在下文进行讨论。

3．2 二氧化锆涂层活塞的研究

由于镀铁活塞较之普通活塞其热损失情况有显著提升，由此可知热喷涂涂层对热损失情况应该有一定的影响。2种涂层的活塞与普通活塞相比，其表面粗糙度都稍微有所增加，由Ra6增加到Ra7或者Ra8。表面粗糙度可能会对热损失产生一定的影响。图8显示通过三维数值模拟得出的不同表面粗糙度下热损失的情况对比。

即使孔隙度不是太高（6%左右），开孔结构对热气流渗透到气孔中也有一定的影响，这将会导致传热增加。然而，就目前而言，通过数值模拟技术模拟开孔的影响还有相当的难度。

上述情况也需要考虑表面温度。20世纪80年代，减少缸壁热损失的试验都是使用纯陶瓷制作的隔热发动机进行的，都没有试验成功。此类试验一般是在壁面温度较高的情况下减少淬火层厚度。此外，壁面和缸内气体的热传导使气体温度升高从而导致容积效率减小。气体温度的进一步升高使得氮氧化物（NOx）和颗粒排放物（PM）变为更难处理的混合气体，同时排放量增加。因此，二氧化锆热涂层的厚度不会使缸内温度因壁面热传递而升高，通过简易非稳态零维热传导模型（经验式的热传递模型）就可进行该测试，比如采用适用于2种边界条件（气体和油）的 Woschni公式。根据该公式进行计算可知，假设缸内气体温度没有出现大幅升高，那么喷涂有二氧化锆涂层活塞的表面温度较之普通活塞温度最高可升高50℃（图9）。当然，这也取决于运行工况，但是就目前来看，在整个涂层区域，减小热边界层厚度并不是表面温度增加的主要原因。

因此，为了研究真实运行工况下各因素对热损失的影响，对2种具有不同隔热结构的新活塞进行了发动机试验。

图8 数值模拟获得的粗糙度对热损失的影响

3．3 不同隔热结构的新活塞

图10 是2种具有不同隔热结构的活塞方案，其压缩比和内腔结构均保持一致。图10（a）是多层二氧化锆热涂层活塞，用于减少表面温度波动的延迟时间，类似于SIRPA。下面涂层结构孔隙率较高，用于进一步降低热导率，从而降低热扩散率，提高局部表面温度，最大限度地减小气体温度循环变动下的延迟时间。最上面的一层，利用致密且稀薄的热喷涂涂层来减少表面粗糙度和开孔尺寸。最上面一层和下面一层的表面粗糙度（Ra6）和孔隙率（5%）较之前的单层二氧化锆涂层活塞有所减少。因此，本试验很难区分表面粗糙度和孔隙率的影响。

图9 在壁厚6mm的情况下，通过建立头部气体加热和底部油冷模型计算得到的一维温度分布（0．5mm的涂层厚度）

图10 用于试验的2种新活塞

背面热喷涂二氧化锆涂层旨在通过减少冷却油带走的热量来提高表面平均温度。通过精确设计内冷油腔，活塞环的温度与普通活塞基本相同（这一点与康明斯超级卡车一代技术，减少或切断油流入内冷油腔有所不同）。然而，即使背面仍有一些热流量通道，但内腔壁面的隔热涂层也能减少热量传递给冷却油，此活塞的表面粗糙度与不带开孔的普通活塞是一样的。

图11 表面温度对壁面热流量、全部热损失量和指示热效率产生的影响

图11 对比了三维数值模拟结果（RANS），包括减少化学反应计算，以此来考虑壁面整齐的OH原子团作为减小淬火层厚度的催化剂的影响。对比其他3种类型与普通活塞表面温度变化：其一是使用相同的材料，将压缩行程的初始温度从700K提升到1 073K（不考虑热损伤情况）；其余两项指的是在相同初始温度下，喷涂二氧化锆涂层（通过改变气孔率获得单层和复合涂层）用来提高表面温度波动情况。如图11所示，最高壁温是1 073K时，仍对减少热损失有影响（与二氧化锆涂层的温度波动相比，指示热效率的改善情况是最好的），即使壁面会将缸内气体持续加热，直至后期的压缩行程（几乎是位于上止点）导致进气量减少和燃烧恶化。由此可知，与传统的铸铁活塞相比，提高表面平均温度是有效减少壁面热损失的方法之一。

就复合涂层活塞而言，考虑到材料强度，60%的气孔率远大于设计要求，结果导致此种隔热结构的活塞会因热应力而突然遭到破坏（图12）。通过数值模拟计算可知，上述破坏区域正是热流量较高的区域。尽管中间层的孔隙率完全取决于设计限制，但考虑到发动机的耐久性，在实际发动机上的应用是很困难的。

图12 复合涂层活塞的失效图

图13 对比了部分负荷（40%）条件下普通活塞和2种采取新隔热措施的活塞之间的一些过量空气系数的热平衡情况。较之普通活塞，2种采用新隔热措施的活塞有进一步减少每一个过量空气系数下热损失的潜力。此外，在机械损失基本相同的情况下，即使基于机加工过程和其他热喷涂过程引起的个别差异，每个活塞的摩擦损失会有些许不同，但是内腔底部喷涂有二氧化锆涂层的活塞其制动功和指示功有轻微的增加（指示功等于制动功＋机械损失）。也就是说，在指示功相同的情况下，涂有复合二氧化锆涂层的活塞仅仅热损失有所减少。这些趋势在之前的试验结果中没有发现（图1）。基于相同的机械损失情况，制动功的轻微增加可能由上止点附近的有效热损失减少引起，比如，燃烧持续期内有效热损失的减少。就内腔底部喷涂二氧化锆涂层的活塞而言，表面粗糙度、孔隙率和其他运行条件较之普通活塞无显著差异，例如喷油压力、进气等。因此两种活塞的实际放热率并无区别，只有燃烧持续期内的热损失会有所不同。因此，上止点附近的放热率会有明显增加。结果显示，缸内压力和放热率较之普通活塞基本相同（图14、图15）。使用当前的压力传感器测量缸内压力的变化情况很困难，但是放热率明显提高时，此传感器能更精确地检测轻微热损失带来的影响。

图13 新隔热措施对热平衡的影响

较之内腔喷涂有二氧化锆涂层的活塞，复合二氧化锆涂层的活塞缸内压力有轻微的减少，这主要是由以下原因引起的。首先是由于热损失和活塞头部二氧化锆涂层破损造成的燃烧衰退，其次是由于“热边界层厚度”变薄导致热损失减少。相对喷涂1层二氧化锆涂层的结构，复合涂层结构活塞由于热传导和热容的降低，壁面温度波动会稍微变大。数值模拟也预测到这一现象（图11）。复合二氧化锆涂层活塞热损失的减少证实了这一假设。不过，指示功没有得到显著改善。如图9所示，为了实现温度波动隔热，从气体侧开始，加热每一循环内的表面温度变得尤为重要，这通常会导致壁面峰值温度的延迟到来，通常在燃烧结束后60°CA ATDC。燃烧持续期内，气体和壁面温度差较之普通活塞差异并不大，恢复的热损失可能来自膨胀行程阶段，这会导致转换效率变低，指示功升高。为了更加有效地利用壁温波动，有必要选择比二氧化锆涂层热导率和热容更低的涂层材料。

循环周期内指示功的有效周期参见图16。2种隔热活塞都会对上止点附近的早期燃烧阶段产生不利影响，随后转为积极影响。在上止点附近，复合涂层活塞有不利影响，但是在膨胀行程的中间阶段，又会转化为有利因素。另外，内腔喷涂隔热涂层的活塞实际上在上止点附近几乎没有影响，且有助于提高热效率。汲取各种隔热方法之长，可以进一步提高热效率。这也表明，未来有研究出热效率更高的隔热发动机的潜能（相对于原全陶瓷系统）。

4 小结

基于2种具有不同隔热结构的新活塞所开展的数字模拟和发动机试验，对减少壁面热损失进行了研究，结果如下：

（1）内腔喷涂隔热涂层后，活塞表面平均温度的提高，以及复合隔热涂层表面温度波动的增加，均可有效降低热损失。

（2）在壁面孔隙率和表面粗糙度没有遭到破坏的情况下，在燃烧持续期内，通过减小温度差来降低热损失，在内腔喷涂有二氧化锆涂层后，可提高制动功或指示功。

（3）利用热导率和热容都小于二氧化锆涂层的隔热材料，可减小温度波动，提高发动机热效率。

（4）活塞表面涂层的孔隙率和粗糙度对增加热传导系数有影响。

（5）为了更容易理解热损失的机理，有必要从微观上对火焰碰壁情况下的火焰进行放大观察，并从宏观上对热平衡进行分析。

图14 不同隔热措施的活塞以及普通活塞其缸内温度、压力和放热率的对比

图15 压力－容积对比图