遮熱コーティングをベースとしたアルミニウム合金ピストンの実験およびシミュレーション研究

Scientific Reports volume 12、記事番号: 10991 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

遮熱コーティング (TBC) は熱伝導率が低いため、金属マトリックスの温度を効果的に下げ、ピストンの熱性能、耐ノック性、および燃焼性能を向上させます。本研究では、オフロード用高圧コモンレールディーゼルエンジンを研究対象として選択した。定格出力および最大トルク条件下でのピストン温度場のテスト結果と組み合わせて、遮熱コーティングピストンの有限要素シミュレーションモデルを確立しました。このモデルにより、ピストンマトリックス上の遮熱コーティングの温度場、応力、変形の分布特性と変動則を解析することができました。結果は、TBCピストンの最高温度が、定格出力および最大トルク条件下でアルミニウム合金ピストンの最高温度よりもそれぞれ12.2%および13.73%低いことを示しています。キャビティ上部の TBC ピストンの熱応力は、アルミニウムピストンの熱応力より 25.9% および 26.8% 低かったが、TBC ピストンの熱機械結合応力はアルミニウムピストンの熱機械結合応力よりわずかに高かった (1.2 MPa)。幾何学的変異を伴う燃焼室の底部ではそれぞれ 3.7 MPa と 3.7 MPa です。 TBC ピストンの半径方向の熱変形は、アルミニウムピストンの半径方向の熱変形よりも 0.067 mm および 0.073 mm 小さく、半径方向の熱機械結合の変形もそれぞれ 0.069 mm および 0.075 mm 減少しました。ピンホール軸に平行な方向のピストンの半径方向の熱変形は、ピンホール軸に垂直な方向の熱変形よりも大きかった。変化の大きさの違いにより、ピストンの熱変形が不均一になります。

ディーゼルエンジンは、耐久性、軽量化、コンパクト化、低排出ガス性能の向上を目指して開発が続けられています。その結果、熱の放出量が増加し、シリンダー内の温度と圧力が大幅に上昇し、シリンダー内の環境が悪化しました1、2、3、4。ディーゼルエンジンシリンダー内の中心部品であるピストンは、増大するサーモショックにさらされ、その信頼性と耐久性に大きな影響を与えます。遮熱コーティング (TBC) は優れた断熱性を提供し、耐侵食性、熱衝撃耐性、および高温酸化耐性に有益です5、6。エンジニアリングの実践では、これらの特性は作業基板と高温環境の間の熱伝達に大きく影響し、それによって作業基板の構造強度と疲労寿命に影響を与える可能性があります7、8。ピストン上部の TBC は、ピストン上部の温度を効果的に下げ、燃焼性能と熱性能、およびノックに対するエンジン耐性を大幅に改善します9。

TBC 製造技術の急速な発展に伴い、TBC を使用したピストンの研究が行われ、内燃機関の性能に対する TBC の影響を調査するいくつかの研究が行われています。 1980 年代にはすでに、Morel ら 10,11 は、大型ディーゼルエンジンのピストンとヘッドの数値モデル評価を実施しました。ピストンは 1.5 mm のジルコニアプラズマ溶射 (ZPS) コーティングでコーティングされました。エンジンの熱効率は約 5% 向上することがわかりました。 Taymaz12 は、TBC がディーゼルエンジンの熱効率を向上させ、さまざまな速度や負荷での燃料消費量を削減することを示しました。トヨタは、サーモスイング壁断熱技術（TSWIN）として知られる燃焼室における新しい断熱コンセプトを提案しました。熱伝導率が低く、体積熱容量が小さい新しい断熱材「シリカ強化多孔質陽極酸化アルミニウム（SiRPA）」を開発し、ピストン上面に適用することで、エンジン性能を犠牲にすることなく熱損失を低減し、エンジン性能を向上させました。熱効率13、14、15、16。

さらに、TBC を備えたピストンがエンジンの汚染物質排出に及ぼす影響は、いくつかの研究で調査されています。 Ciniviz et al.17 は、ピストンと燃焼室の表面、およびターボチャージャー付きディーゼルエンジンの排出性能に対する TBC の影響を調査しました。その結果、標準的なディーゼルエンジンと比較して、NOx 排出量が 10% 増加し、すす排出量が 18% 減少したことがわかりました。 Cerit ら 18 は、単気筒ガソリンエンジンの試験研究を通じて、ピストン上の TBC がエンジン性能を低下させることなく、ガソリンエンジンのコールドスタートの HC 排出を 43.2% 削減できることを発見しました。 Durat19 は、有限要素法を使用して、コールドスタートおよび定常状態条件下でのガソリンエンジンの HC 排出に対する、部分安定化ジルコニアにさまざまな安定剤を添加して形成された TBC の影響を調査しました。結果は、Y2O3 が MgO よりも効果的であることを示しました。 Reddy ら 20 は、標準ピストンと比較して、コーティングされたピストンエンジンの CO 排出量と HC 排出量がそれぞれ 16.1% と 22.5% 減少する一方、NOx 排出量が 17.7% 増加することを示しました。

研究者らはまた、TBC の粗さと多孔性がエンジンの燃焼プロセスとエンジン効率に大きな影響を与えることも発見しました 21、22、23、24、25。 Serrano et al.21 は、ピストン TBC を使用するとエンジン効率が 3% 低下することを発見しました。内田氏と長田氏による研究 22 では、表面粗さと多孔質構造がジルコニアコーティングの熱境界層の薄化の主な原因であり、その結果、熱伝達係数が増加することが示されています。 Caputo et al.25 は、コーティングの粗さが燃焼プロセスの速度とエンジン効率の両方を低下させることを実験的に示しました (より低い負荷と速度で最大 2%)。

さらに、TBC ピストン自体についてもいくつかの研究が行われています。 Chen ら 26 は、プラズマ溶射法を使用して、厚さ 0.33 mm のジルコニアセラミック層をアルミニウムピストンの上面に塗布しました。この研究では、ピストンの最初のリング溝の平均温度が 12 °C 低下したことがわかりました。 Szymczyk27 は、特定の領域では、コーティングされたピストン表面の計算温度が、コーティングされていないピストンの温度よりも約 40% 低いことを示しました。 Buyukkaya et al.28 は、TBC を適用したアルミニウム合金ピストンと鋼ピストンの上部の温度が、それぞれ 48% と 35% 低下することを示しました。 Hejwowski et al.29 は、主にコーティングの結合表面での酸化物の形成と Al2O3-40%TiO2 の分解により、火炎溶射コーティングはプラズマ溶射コーティングよりも損傷しやすいことを示しました。 Feng30 は、シミュレートされた円筒形ピストンを使用して、ピストン上部の熱負荷に対する段階的機能コーティングの影響を研究しました。機能的に傾斜したコーティングは、燃焼室の温度を上昇させ、ピストンの強度、耐摩耗性、およびシール特性を向上させることができます。

TBC ピストンに関する研究は、ピストンマトリックスの温度場、エンジン効率、燃焼プロセス、および排出性能に対する TBC の影響に主に焦点を当ててきました。しかし、TBC ピストンシステムの熱解析と熱機械結合に焦点を当てた研究はほとんどなく、TBC ピストンの数値シミュレーション解析は実験的に検証されていないことがよくあります。したがって,研究対象としてオフロードディーゼルエンジンのアルミニウム合金ピストンを使用して,シリンダ内の温度試験と最大燃焼圧力を組み合わせることによって,TBCピストンの有限要素シミュレーション解析モデルを確立した。この研究の目的は、ピストンマトリックスの温度場、応力、変形に対する TBC の影響を調査することです。この研究の結果は、運動学的および動的性能を最適化し、ピストンのシリンダークリアランスを改善するためのデータサポートおよび参考情報も提供します。

研究対象は、アルミニウム合金ピストンを内部冷却ギャラリーで冷却し、ピストン室の形状を凹型ω型としたオフロード用高圧コモンレールディーゼルエンジンである。ディーゼルエンジンに関連するパラメータを表 1 に示します。

ピストンはエンジン内にあり、シリンダーライナーとボディに囲まれています。ピストンヘッドは高温ガスの衝撃を受けて高速往復運動をしています。したがって、定常状態の熱負荷を研究する際に、ピストンヘッドの上部の定常状態温度を正確に測定することは困難でした。この研究では、TT-K-30 熱電対とリード線伝達システムを使用して、定格出力と最大トルクの条件下でディーゼルエンジンのピストンの温度場を測定しました。熱電対の試験温度範囲は 0 ～ 1250 °C で、許容誤差は 1.1 °C または 0.4% でした。熱電対は、OMEGA の非不純物はんだ接合技術を利用して球形のはんだ接合に溶接するため、測定の精度が保証されます。また、ベアタイプでは応答速度の向上が可能であり、応答時間は5ms未満でした。ピストン温度フィールドテストの前に、使用した熱電対は 0 ～ 400 °C で事前に校正されました。熱電対センサーの技術パラメータを表 2 に示します。

単一のピストンを配置し、ピストン燃焼室の中心、ピストン室の底部、ピストンの上面に 4 つの測定点を配置しました。測定点の位置に合わせて、ピストンの内腔からピストン上面から２ｍｍ下の位置まで穴を開けた。図 1 に示すように、熱電対の測定点を穴の底に置き、酸化銅の無機接着剤を注入して固定しました。穴あけプロセス中は、穴のずれを避けるために、穴あけの角度と深さを注意深く監視する必要があります。穴あけ位置、および内部冷却ギャラリーを貫通する必要があります。熱電対センサーを設置した後、電圧計を使用してセンサーの完全性を確保するために、測定結果の記録を容易にするために熱電対に番号が付けられました。

(a) 断面図、(b) 物理図のピストン測定点のスケッチマップ。

ショートテストのプロセスを考慮して、リードプロセスには補助的な機構は導入されていません。図2に示すように、コンロッドの両側にスロットのみを作成しました。熱電対線をコンロッドの溝に配置し、酸化銅の無機接着剤を注いで固定しました。

熱電対線のリード物理図。

試験では、1番シリンダーにアルミニウム合金ピストン、3番シリンダーにTBCピストンを設置し、定格出力および最大トルク条件での温度場を評価しました。試験および試験条件を表 3 に示します。

一般に、TBC 構造は、高融点、化学的安定性、相安定性、低熱伝導率、低熱容量、良好な熱機械特性、金属結合層との良好な適合性、低い焼結速度、靭性、硬度、優れた耐エロージョン摩耗性。この層は、ピストンマトリックスの温度を下げる断熱材として機能します。金属結合層は、金属コバルトベース (CoNiCrAlY) またはニッケルベース (NiCoCrAlY) 超合金でできており、セラミック層よりも薄い25。金属結合層は、ピストンベースとセラミック層の間の移行層として、セラミック層とピストンベースの間の結合強度を向上させ、熱膨張の不一致によって引き起こされる応力を軽減するために使用されます。現在、ジルコニア (ZrO2) は自動車研究で最も広く使用されているセラミック層材料です25。この研究では、融点が高く、熱伝導率が低く、高温での安定性が良好な、MgO 安定剤を含む MgZrO3 がセラミック層材料として使用されました。ピストン上面のTBCの接合層材料には、セラミック層の基板への接合力と耐酸化性を高めることができるNiCrAlを採用しました。セラミック層とピストン基板の間の熱膨張の不一致を緩和するために、ピストン上部の TBC の金属結合層の厚さは一般に 0.15 mm です 12、19、25。以前の研究 29 では、TBC の総厚さが 0.5 mm を超えると、TBC の接着力が低下し、ディーゼルエンジンの体積効率に影響を与えることが示されています。膜厚が厚くなると温度が高くなり、潤滑油が炭化してカーボンが析出するなどのトラブルが発生します。遮熱コートの総厚みが０．５ｍｍ未満であると、熱効率の向上が少なく、断熱効果が限定的となる。そこで、プラズマアーク溶射技術を用いて、ピストン上面に厚さ0.35mmのセラミック層と厚さ0.15mmの金属結合層を溶射した。

この章には関係があります。

この研究では、HYPERMESH ソフトウェアを使用してモデルの有限要素メッシュを分割し、ABAQUS ソフトウェアを使用してピストンの有限要素シミュレーションモデルを構築しました。モデルは、図 3 に示すように、ピストン本体、リング、ピン、コンロッドの半分、接着層、セラミック層で構成されています。

ピストンの有限要素モデルと増幅領域。

ピストンボディの材質はシリコンアルミニウム合金（少量のマグネシウムを含む）、ピストンリングの材質はオーステナイト系の耐摩耗性鋳鉄でした。さまざまな温度におけるシリコンアルミニウム合金材料の熱物理パラメータを表 4 に示します。ピストンリング、ピン、コンロッド、結合層、セラミック層の特定の熱物理パラメータを表 5 に示します。

正確な熱境界条件は、モデルの計算の精度を決定する重要な要素であるピストンの温度場と熱負荷を研究するための基礎となります。この研究では、3 番目のタイプの境界条件が使用されました。経験式を使用して計算された結果は、テスト結果と比較され、繰り返し修正されて、正確な熱境界条件が得られました。ディーゼルエンジンの試験データに基づいて,一次元熱力学シミュレーションモデルを確立し,定格出力と最大トルク条件下でのシリンダ内のガスの温度と対流熱伝達係数を取得した。シリンダ内の空気の流れの変化やシリンダの構造などの要因を考慮して、図4に示すように、ピストン燃焼面の位置における半径方向距離に対する対流熱伝達率の無次元関係曲線を計算しました。縦軸は、異なる位置における半径方向に沿ったピストンの上面の熱伝達係数と、シリンダー内の最大対流熱伝達係数との比である。横軸は、異なる位置における半径方向に沿ったピストンの上面のピストン半径に対する比率です。

半径方向距離に対する対流熱伝達率の無次元曲線。

これにより、式（１）に示すように、ピストン燃焼面の径方向の任意の位置における熱伝達率が求められる。 (1)。

ここで、agm はシリンダー内のガスの平均対流熱伝達係数を示します。 N はピストンの中心軸から最大熱伝達係数の位置 (つまりスロート) までの距離です。図 5 に示すように、スロートの位置はピストンの中心軸から 27.5 mm 離れています（したがって、N = 27.5 mm）。ディーゼルエンジンの最大燃焼圧力は 16 MPa であり、エンジンのガス圧力が高いことがわかります。ピストンの頂部は１６ＭＰａであった。ピストンの上部ランド、第 1 リング溝、第 2 ランド、第 2 リング溝のガス圧力は測定できないため、図 6 に示すように、圧力は上面のガス圧力の異なるパーセンテージによって経験的に分布します。サードランドとスカートの間の領域はガス圧力が低いため無視でき、この部分には機械的負荷はかかりません。

ピストン上面の寸法です。

ピストンのガス圧力。

図7に示すように、アルミニウム合金ピストンおよびTBCピストンシミュレーションモデルの4つのシミュレーション値が抽出され、テスト値と比較されました。結果は、シミュレーションによって計算された温度と実験的テストの温度の間の偏差のパーセンテージが示されています。は 3.0% 未満であり、シミュレーション結果の精度が高く、その後の分析や研究に使用できることを示しています。

(a) スキーム A、(b) スキーム B、(c) スキーム C、(d) スキーム D のピストンの実験温度とシミュレーション温度の比較。

図 8 に示すように、さまざまなスキームの温度場分布はシミュレーションによって取得されました。各スキームのピストンマトリックスの最高温度はピストンのスロートで発生しました。定格出力および最大トルク条件におけるTBCピストンの最高温度は、それぞれ310.7℃および317.4℃であり、アルミニウム合金ピストンの同様の最高温度である354.0℃および367.9℃よりも43.3℃および50.5℃低かった。 C はそれぞれ 12.2% と 13.73% の減少を表します。これらの結果は、TBC が燃焼室からピストンヘッドへの熱伝達を効果的に遮断し、ピストンヘッドの温度を大幅に低下させることができることを示しています。ピストンのセカンドランドより下の領域はTBCから遠く離れているためTBCの影響が少なく、この領域の熱伝達率は変化しない（温度差が比較的小さい）。

ピストンの温度場分布。

各方式のピストンの上面温度は、ピストンの半径方向に沿って規則的に分布しています。ピストン温度の半径方向分布の法則をより適切に表示するために、図 9 に示すように、ピストンマトリックスの上面でピンホールの方向に垂直な経路 P1 から P5 を取得します。ピストンチャンバーの中心は比較的高い位置にありました。半径方向の距離の増加と幾何学的構造の影響により、燃焼室の温度は徐々に低下しました。燃焼室の底面で最低温度に達し、その後ピストン温度が半径方向距離に沿って上昇しました。その後、ピストン温度は半径方向距離に沿って上昇し、スロートの位置Ｐ３で最高温度に達した。半径方向の距離がさらに増加すると、ピストンの温度が徐々に低下しました。しかし、ピストンの幾何学的構造が急激に変化する位置 P4 では、ピストン温度が急激に上昇し、その後ピストンエッジに至るまで低下し続けます。

ピストン上面の半径方向の温度分布。

ピストンマトリックスの温度が変化すると、その体積が変化し、さまざまな部品間の外部または相互の制約を受ける可能性があり、その結果、熱応力や熱変形が発生します。熱機械結合の応力と変形は、温度場に基づく機械的負荷の結果です。応力と変形の分布に対するバリアコーティングの影響については、以下で説明します。

図 10 に示すように、さまざまなスキームの応力分布がシミュレーション計算から得られました。表 6 に示すように、ピストンの重要な位置での熱応力が熱機械結合応力と比較されました。遮熱コーティングの効果により、ピストンの温度勾配が減少し、燃焼室の底面、スロート、第 1 リングの溝、冷却ギャラリーの底部、および TBC ピストンの内部キャビティの上部での熱応力が大幅に低下します。アルミ合金ピストンよりも低い。定格出力および最大トルクの作動条件下では、TBC ピストンはアルミニウム合金ピストンと比較して、内部キャビティの上部で 25.9% および 26.8% の最大の低下を示します。 TBCピストンとアルミニウム合金ピストンの熱機械結合応力は、熱応力と比較して主にスロートとファーストリング溝に反映されます。スキーム A、B、C、D のスロートにおける熱機械結合応力は、熱応力と比較して、それぞれ 11.7%、10.3%、7.5%、7.6% 増加しました。同様に、最初のリング溝はそれぞれ 3.2%、3.0%、2.4%、2.4% 増加しました。上面の遮熱コーティングの抑制効果により、TBC ピストンはわずかに高い熱機械結合応力を生成します。燃焼室底面では、アルミニウム合金ピストンと比較して、定格出力および最大トルク条件下でそれぞれ1.2MPaおよび3.7MPaの応力増加が観察された。

(a) ピストンの熱応力と (b) ピストンの熱機械結合応力の分布結果。

ピストンの変形は、ピストンの往復運動時のピストンとシリンダライナのはめ合い隙間に直接影響します。クリアランスは、ピストンの運動学的および動的性能に影響を与える重要なパラメータです。これらの要因を考慮して、図に示すように、ピストン上部の半径方向の熱変形と半径方向の熱機械結合変形の極線図が示されます。ここで、TS と ATS はそれぞれピストンの主推力側と副推力側を表します。図１１に見られるように、ピストンピンのオフセットが０．５ｍｍであると、各スキームにおいて、ピン軸に沿ったピストンの半径方向の変形が、ピン軸に垂直な変形よりも大きくなる。最大トルク条件でのピストンの半径方向変形は、定格出力条件でのそれよりも大きかった。遮熱コーティングはピストンマトリックスの上面と密接に結合しており、上面の半径方向の変形を制限します。 TBC ピストンの半径方向の熱変形は、定格出力および最大トルクの作動条件下で、それぞれ最大減少量が 0.067 mm および 0.073 mm でした。同様に、ラジアル熱機械カップリングの変形は、アルミニウム合金ピストンと比較して、それぞれ最大で 0.069 mm と 0.075 mm 減少しました。アルミニウム合金ピストンの最小半径方向熱変形は、それぞれ０．２９８ｍｍと０．３０９ｍｍであり、９２．９°方向に現れた。 TBC ピストンの最小半径方向熱変形はそれぞれ 0.266 mm と 0.271 mm で、76.6°の方向に現れました。アルミニウム合金ピストンの最大半径方向熱変形はそれぞれ 0.338 mm と 0.350 mm で、304.3°の方向に現れました。一方、TBC ピストンの最大半径熱変形はそれぞれ 0.278 mm と 0.283 mm で、304.3°の方向に現れました。 190.5°の方向。アルミニウム合金ピストンの最小半径方向熱機械結合変形はそれぞれ０．３００ｍｍと０．３１１ｍｍであり、８２．５°の方向に現れた。 TBC ピストンの最小半径方向熱機械結合変形はそれぞれ 0.258 mm と 0.263 mm で、60.4°の方向に現れます。アルミニウム合金ピストンの最大半径方向熱機械結合変形はそれぞれ０．３４０ｍｍと０．３５１ｍｍであり、１９７．４°の方向に現れた。 TBC ピストンの最大半径方向熱機械結合変形はそれぞれ 0.297 mm と 0.302 mm で、178.8°の方向に現れました。

(a) ピストン上部の熱変形と (b) ピストン上部の熱機械カップリングの変形の結果。

ピストンスカートの0°、30°、60°、180°方向の特性線を抽出し、ピストンの軸方向のラジアル熱変形を調べました。図 12 に示すように、ピストンの底部の高さは 0 mm でした。図からわかるように、ピストンスカートの上部の半径方向の熱変形が最も大きく、底部の変形が最も小さくなっています。最大トルク条件下でのTBCピストンおよびアルミニウム合金ピストンの熱変形は、定格出力条件下のものよりわずかに大きくなりました。 0°方向では、定格出力および最大トルク条件下でのTBCピストンの最大半径方向熱変形は、それぞれ0.183 mmおよび0.184 mmであり、それぞれ0.211 mmおよび0.214 mmの変形よりも13.3%および14.0%小さくなりました。アルミニウム合金ピストンでも同様です。 30°の方向では、定格出力および最大トルク条件下でのTBCピストンの最大半径方向熱変形は、それぞれ0.187 mmおよび0.188 mmであり、それぞれ0.210 mmおよび0.212 mmの変形よりも11.0%および11.3%小さくなりました。アルミニウム合金ピストンの採用。 60°方向では、定格出力および最大トルク条件下での TBC ピストンの最大半径方向熱変形は、それぞれ 0.189 mm および 0.190 mm で、それぞれ、アルミニウム合金ピストン。窓領域では、ピストン構造の変化により、ピストンの半径方向の熱変形がわずかに変動しました。 180°方向では、定格出力および最大トルク条件下でのTBCピストンの最大半径方向熱変形は0.184 mmおよび0.185 mmであり、アルミニウム合金ピストンの変形0.201 mmおよび0.204 mmより8.5%および9.3%低かった。

(a) ピストンスカートの 0°、(b) ピストンスカートの 30°、(c) ピストンスカートの 60°、および (d) ピストンスカートの 180° の軸方向の半径方向の熱変形。

ピストンスカートの0°,30°,60°,180°方向の特性線を抽出し、ピストンの軸方向のラジアル熱機械結合変形を調べた。図 13 に示すように、ピストンの底部の高さは 0 mm でした。図からわかるように、各スキームのピストンスカートの熱機械結合変形則は熱変形と一致しています。 0°方向では、定格出力および最大トルク条件下でのTBCピストンの最大ラジアル熱機械結合変形は0.180 mmおよび0.180 mmであり、それぞれ0.211 mmおよび0.214 mmの変形よりも14.7%および15.9%低かった。アルミニウム合金ピストンの採用。 30°の方向では、n 定格出力および最大トルク条件下での TBC ピストンの最大ラジアル熱機械結合変形は 0.187 mm および 0.188 mm であり、0.214 mm および 0.217 mm の変形より 12.6% および 13.4% 低かった。それぞれアルミニウム合金ピストンの。 60°方向では、定格出力および最大トルク条件下でのTBCピストンの最大ラジアル熱機械結合変形は0.192 mmおよび0.193 mmであり、それぞれ0.213 mmおよび0.216 mmの変形よりも9.9%および10.6%低かった。、アルミニウム合金ピストンの。 180°方向では、定格出力および最大トルク条件下でのTBCピストンの最大半径方向熱機械結合変形は0.192 mmおよび0.192 mmであり、それぞれ0.205 mmおよび0.207 mmの変形よりも6.3%および7.2%低かった。アルミニウム合金ピストンの採用。

(a) ピストンスカートの 0°、(b) ピストンスカートの 30°、(c) ピストンスカートの 60°、(d) ピストンスカートの 180° の軸方向のラジアルカップリングの変形。

この研究では、熱電対測定法を使用して、定格出力と最大トルクの条件下でアルミニウム合金ピストンとTBCピストンの定常状態の温度場を測定しました。温度フィールドは、ピストンの有限要素解析に正確な境界条件を提供します。この境界条件の下で,アルミニウム合金ピストンとTBCピストンの温度場,熱応力,熱機械結合応力,熱変形,および熱機械結合変形を系統的に研究した。これらの要因を考慮すると、次の結論が導かれました。

TBC を使用すると、TBC ピストンの最高温度は、定格出力および最大トルク条件下で、アルミニウム合金ピストンの最高温度と比較して、それぞれ 12.2% および 13.73% 低下します。これは、TBC が燃焼室から燃焼室への熱伝達を効果的に防止していることを示しています。ピストンヘッドの温度を大幅に下げます。

セラミック層の断熱機能によりピストンの温度勾配が緩和され、TBCピストンの熱応力はアルミ合金ピストンに比べて大幅に低くなります。定格出力および最大トルク条件下で、TBC ピストンはアルミニウム合金ピストンと比較して、内部キャビティの上部でそれぞれ最大 25.9% および 26.8% の減少を示しました。 TBC ピストンは、上面の遮熱コーティングの抑制効果により、定格出力下での燃焼室底面にアルミニウム合金ピストンよりわずかに高い熱機械結合応力 (1.2 MPa および 3.7 MPa) を生成します。と最大トルク条件をそれぞれ示します。

セラミック層はピストンマトリックスの上面と密接に結合し、上層の変形を制限しました。定格出力および最大トルク条件下でのTBCピストンの半径方向の熱変形は、アルミニウム合金ピストンのそれと比較して、それぞれ0.067 mmおよび0.073 mm減少しました。半径方向の熱機械結合の変形は、それぞれ 0.069 mm と 0.075 mm 減少しました。ピストンの径方向の熱変形はピンホール軸に平行な方向の方が垂直方向の熱変形よりも大きく、その大きさの違いによりピストンの熱変形が不均一になります。

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この研究は、中国国立自然科学財団 [助成金番号 51805233、51665021、51965027] および雲南省基礎研究プログラム [助成金番号 2019FD032] の支援を受けました。

雲南内燃機関重要研究所、昆明科学技術大学、昆明、650500、中華人民共和国

ヤン・リウ、ジリン・レイ、シャオチャン・ニウ、シーウェン・デン

内燃機関の高原排出に関する雲南重要研究所、昆明雲内電力有限公司、昆明、650200、中華人民共和国

ヤン・リウ、ジリン・レイ、シャオチャン・ニウ、シーウェン・デン

Chengdu Galaxy Power Co., Ltd、成都、610505、中華人民共和国

ジュン・ウェン & ジガオ・ウェン

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JL と JW が実験を考案し、YL と XN が実験を実施し、XD と ZW がテストベンチの構築を支援し、YL と XN が結果を分析しました。著者全員が原稿をレビューしました。

ジリン・レイ氏への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Liu, Y.、Lei, J.、Niu, X. 他遮熱コーティングをベースとしたアルミニウム合金ピストンの実験およびシミュレーション研究。 Sci Rep 12、10991 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-15031-x

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受信日: 2021 年 11 月 13 日

受理日: 2022 年 6 月 16 日

公開日: 2022 年 6 月 29 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-15031-x

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材料工学およびパフォーマンスジャーナル (2023)

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