[发明专利]一种提高内燃机热效率的方法

说明书

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。