теплоизолирующее покрытие элементов и/или узлов камеры сгорания дизельного двигателя

Формула изобретения

Теплоизолирующее покрытие элементов и/или узлов камеры сгорания дизельного двигателя, на основе диоксида циркония ZrO₂ в виде слоя пористой непрозрачной керамики толщиной 0,1-2 мм, отличающееся тем, что для теплового излучения продуктов сгорания слой пористой керамики выполнен полупрозрачным, при этом показатель поглощения выбирается в интервале 1-5 м^-1, а показатель рассеяния в интервале 50-100 м^-1.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области процессов теплообмена в цилиндре дизельного двигателя, двигателя внутреннего сгорания (ДВС), стенках котлов, печей, а также корпусов различного рода летательных аппаратов и ракет. Данное изобретение может быть использовано в различных областях науки и техники, а именно: в автомобильной, тракторной, судостроительной, металлургической, авиационной, ракетно-космической промышленности, в отраслях производства, связанных с эксплуатацией объектов высокоэнергетического теплового оборудования.

Известно теплоизолирующее основное покрытие элементов, используемое для защиты металла пресс-формы от окисления при термической и механо-термической обработке, которое наносят на поверхность металла после формирования подслоя из кварцевого стекла толщиной 0,5-1,0 мм. Состав основного керамического покрытия на основе диоксидов кремния, алюминия, ванадия и др. может изменяться в зависимости от природы металла заготовки [1].

Недостатком известного технического решения является ненадежность стеклопокрытия, обусловленная низкой механической прочностью, слабой адгезией, т.к. монолитная структура данного покрытия не выдержит циклические перепады термоупругих напряжений, характерные для режима эксплуатации ДВС.

Известно теплоизолирующее покрытие камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания, имеющее толщину 0,1-0,3 мм, выполненное из пористого керамического материала на основе Аl₂ O₃, используемое для уменьшения теплоотвода [2].

Недостатком известного технического решения является поглощение не только конвективной, но и лучистой компоненты теплового потока поверхностью теплоизолирующего покрытия, так как коэффициент черноты по данному техническому решению составляет 0,8. Это приводит к перегреву стенки камеры сгорания, ее объема. Использование данного технического решения приводит к перерасходу топлива, снижению КПД и образованию токсичных соединений азота.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является теплоизолирующее покрытие на основе диоксида циркония ZrO₂ в виде слоя пористой непрозрачной керамики толщиной 0,1-2 мм, которое используется для теплоизоляции камеры сгорания, например для днищ поршня и головки цилиндра [3].

Недостатком известного покрытия является то, что на поверхности теплоизолирующего покрытия внутренней стенки цилиндра возникают высокие температуры до 500-600°С за счет поверхностного поглощения как конвективной, так и лучистой компонент теплового потока, образующихся при сгорании горючей смеси. Это вызвано тем, что используемое покрытие на основе диоксида циркония ZrO₂ является непрозрачным в диапазоне длин волн излучения сгораемых газов в цилиндре, что обуславливает повышенный рост поверхностной температуры. В результате увеличивается расход топлива в рабочем цикле, приводящий к уменьшению КПД двигателя, тепловоспринимающая поверхность имеет большие градиенты температуры, что может вызвать разрушение теплоизолирующего покрытия. Кроме того, из-за высоких температур нагрева теплоизоляции значительно возрастает концентрация токсичных соединений азота [3].

Задача изобретения заключается в создании дизельного двигателя с более высокой надежностью, повышенным КПД и экологически безопасного при своей эксплуатации.

Поставленная задача осуществляется следующим образом. Теплоизолирование внутреннего объема цилиндра дизельного двигателя и одновременное понижение температуры стенок камеры сгорания может быть достигнуто, если внутреннюю поверхность цилиндра покрыть слабопоглощающим материалом, например полупрозрачной керамикой, структура которого может обеспечить заданный уровень рассеяния лучистой составляющей теплового потока при сгорании горючей смеси. При этом температурный максимум может сместиться с облучаемой поверхности внутрь объемно прогреваемого излучением теплоизолирующего покрытия. Предварительные расчетно-теоретические оценки показали, что для этих целей может быть использовано полупрозрачное теплоизолирующее покрытие, нанесенное на элементы и узлы камеры сгорания (например, поршня) в виде слоя пористой керамики, рассеивающее и поглощающее лучистую компоненту теплового потока в диапазоне длин волн 0,4-5 мкм. Подобные материалы могут быть изготовлены путем спекания, прессования или нанесением, например, плазменным способом на защищаемые поверхности. Образующиеся таким образом различного рода светорассеивающие керамики представляют собой совокупность связанных между собой полидисперсных микрочастиц. Подбор комплексного показателя преломления исходного вещества микрочастиц (например, диоксида кремния), их формы и размера позволяет обеспечить заданные интервалы выбора значений показателя поглощения и рассеяния, определяющих относительную долю поглощенной и рассеянной энергии на единицу длины распространения проникающего лучистого потока.

Для решения поставленной задачи необходимо обеспечить оптимальный выбор оптических параметров в следующих интервалах показателя поглощения =1-5 м^-1 и показателя рассеяния =50-100 м^-1.

В результате применения предлагаемого технического решения (в условиях эксплуатации штатного дизельного двигателя) лучистая компонента теплового потока при сгорании горючей смеси поглощается в приповерхностном объеме полупрозрачной пористой керамики, что будет обуславливать смещение локального максимума температуры с внутренней поверхности теплоизолированного цилиндра на глубину до 1-2 мм. Поэтому снижается как температура внутренней поверхности цилиндра, так и его пристеночной области, что вызывает общее уменьшение температуры в объеме камеры сгорания, расхода топлива и рост КПД двигателя. Кроме того, проникновение лучистой компоненты теплового излучения обеспечивает более равномерное объемное поглощение проникающего излучения, меньшие градиенты температуры у поверхности стенки и, следовательно, уменьшение термоупругих напряжений. Все это приводит к повышению надежности двигателя, росту его КПД и уменьшению концентрации образования токсичных соединений азота.

На чертеже представлены температурные распределения в слое полупрозрачной керамики с показателем поглощения в интервале 1-10 м^-1 при показателе рассеяния в интервале 1-500 м^-1 (см. пояснения в таблице).

Использование полупрозрачного покрытия для теплоизоляции внутренних стенок камеры сгорания вызывает его прогрев с температурным монотонно убывающим профилем от облучаемой поверхности при больших показателях поглощения >5-10 м^-1. В этом случае изменение структуры, т.е. рост рассеивающей способности керамики, не влечет за собой увеличение альбедо и возможности подповерхностного, объемного прогрева. Тогда температурный профиль по толщине теплозащитного покрытия подобен температурному распределению для непрозрачных материалов (см. чертеж, кривые 1) с прогревом поверхности до 700-800°С.

Главным фактором, обуславливающим возможность проникновения лучистой энергии в толщу покрытия, является малый показатель поглощения <5 м^-1, что определяется чистотой исходного сырья, из которого спекается керамика.

С ростом показателя рассеяния до 50-100 м^-1 (при малом показателе поглощения) возникают условия объемного поглощения лучистой компоненты теплового потока продуктов сгорания топлива, что вызывает смещение температурного максимума в глубину теплоизолирующего слоя (см. графики а, б, в, кривые 2). В то же время слишком высокое рассеяние >100 м^-1 вызывает высокое отражение и опять поглощение лучистого потока в тонком подповерхностном слое до 0,1 мм (см. чертеж, кривые 3), за счет многократного рассеяния фотонов в этом слое. При этом температура монотонно убывает с ростом толщины покрытия, а поверхность имеет все еще высокую температуру не менее 500-600°С. Таким образом, сильнорассеивающие материалы отражают лучистую компоненту теплового потока обратно в объем камеры сгорания с достаточно интенсивным прогревом поверхности. Поэтому предпочтительным остается использование варианта полупрозрачного покрытия с показателем рассеяния в пределах =50-100 м^-1 (см. график в). В этом случае существенно снижается температура поверхности до 400°С. Это обуславливает благоприятный режим сгорания топлива, т.е. повышение КПД. Подповерхностный объем теплоизолирующего покрытия более равномерно прогрет, т.е. отсутствуют большие градиенты температуры на стыке покрытие - металлический цилиндр. Кроме того, создаются благоприятные условия для лучшего теплоотвода, т.к. температурный максимум приближен к металлическому корпусу камеры сгорания.

Приемлемый интервал изменения показателя поглощения обуславливается следующими условиями:

- для значения <1 м^-1 материал превращается по своим свойствам в прозрачную среду для =1 (типа стекла) с небольшой температурой по толщине покрытия, но с резким возрастанием на облучаемой границе (см. график г, кривая 2), что неприемлемо для инженерных конструкций;

- для значения <1 м^-1 при больших >50 имеет место вариант сильнорассеивающей керамики (см. графики а, б, в, г, кривая 3), этот вариант, как отмечалось выше, существенно не снижает температуру поверхности, а немалая доля лучистой компоненты теплового потока переотражается обратно в камеру сгорания;

- для значения >5 м^-1 имеет место превращение данного материала по своим параметрам в непрозрачную среду, т.е. вариант поглощающего покрытия на основе диоксида циркония (см. чертеж, кривые 1), при этом оптическое структурирование, увеличение рассеяния не влияет на поверхностный характер поглощения лучистой компоненты. Таким образом, данное покрытие обеспечивает снижение температуры поверхности теплоизолирующего покрытия за счет оптимального выбора оптических параметров показателя рассеяния в интервале =50-100 м^-1 и показателя поглощения в интервале =1-5 м^-1. Это позволяет создать оптимальные условия сгорания горючей смеси и, следовательно, уменьшить расход топлива, повысить КПД двигателя, обеспечить более равномерный прогрев теплоизолирующего покрытия, а также снизить концентрацию токсичных соединений азота.

Источники информации

1. Авторское свидетельство №544689, МКИ С 23 D 5/00, 1975.

2. Описание изобретения к патенту РФ №2168039, МПК F 02 В 77/11, 1996.

3. Кавтарадзе Р.З. Локальный теплообмен в поршневых двигателях: Учебное пособие для ВУЗов. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана. 2001, стр.462-528.