Plasma electrolytic oxidation thermal barrier coating for reduced heat losses in IC engines
Plasma electrolytic oxidation thermal barrier coating for reduced heat losses in IC engines
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等离子电解氧化热障涂层可减少内燃机的热损失
DOI：
10.1016/j.applthermaleng.2021.117316
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发表时间：
2021
影响因子：
6.4
通讯作者：
Hegab A
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Hegab A
这项工作包括开发和在发动机上测试一种新的“热摇摆”屏障涂层，用于减少壁面传热，提高未来使用铝合金活塞的柴油发动机的热效率。这种低导热系数和低比热容的摆动涂层最近被提出用于产生动态热障层，该热障层可以根据邻近的气缸内气体温度快速改变活塞冠上表面的温度。在这项工作中测试的新涂层是使用优化的等离子体电解氧化工艺直接从活塞基板材料中形成的，随后使用二氧化硅面涂层将空气困在涂层孔内。进行了台式激光闪光测量，以量化涂层的热性能，并为未来的热模拟提供所需的经验数据。不同特征的涂层在定制的热力学单缸柴油发动机上进行了测试，该发动机用于精确测量缸内压力、燃油消耗和法定发动机排放。在理想的部分负载操作条件下，整个活塞顶和活塞碗的最佳涂层使热效率提高了3%。该涂层减少了燃烧过程中的传热，从而提高了发动机排出的氮氧化物。通过稍微延缓燃烧相位，氮氧化物的增加可以得到缓解，同时仍然保留大部分的燃料消耗优势，剩余的优势与剩余功率行程期间减少的传热有关。其他关键污染物（CO、未燃烧碳氢化合物和烟尘）的排放在部分负荷条件下受到的影响较小。
The work involved the development and on-engine testing of a new “thermo-swing” barrier coating for reduced wall heat transfer and increased thermal efficiency in future diesel engines utilizing aluminium alloy pistons. Such swing coatings, of low thermal conductivity and low specific heat capacity, have recently been proposed to produce a dynamic thermal barrier layer that rapidly changes the temperature of the upper surface of the piston crown in response to the adjacent in-cylinder gas temperature. The new coating tested in this work was formed directly from the piston substrate material using an optimised plasma electrolytic oxidation process, with a silica top coat subsequently applied to entrap air within coating pores. Benchtop laser flash measurements were undertaken to quantify coating thermal properties and provide the required empirical data for future thermal simulation. Coatings of varying features were tested in a bespoke thermodynamic single cylinder diesel engine instrumented for precision measurements of in-cylinder pressure, fuel consumption and legislated engine-out emissions. The optimum coating applied across the full piston crown and bowl enabled up to 3% improvement in indicated thermal efficiency under idealised part load operating conditions. The coating reduced heat transfer during combustion, leading to elevated engine-out NOx. By retarding combustion phasing slightly from the optimum, the NOx increase could be mitigated while still retaining most of the fuel consumption benefit, with the remaining benefit associated with reduced heat transfer during the remaining power stroke. The emissions of other key pollutants (CO, unburned hydrocarbons and soot) were less affected under the part load conditions tested.
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