Tractors and Agricultural MachineryTractors and Agricultural MachineryТракторы и сельхозмашины0321-44432782-425XEco-Vector6641910.17816/0321-4443-66419ArticlesСтатьиResearch ArticleLow-cost, eco-friendly diesel with a thermally insulated combustion chamberМалозатратный экологичный дизель с теплоизолированной камерой сгоранияMerzlikinV. GМерзликинВ. Г

PhD in Engineering

к.т.н.

merzlikinv@mail.ruMakarovA. RМакаровА. Р

PhD in Engineering

к.т.н.

a-r-makarov@ya.ruSmirnovS. VСмирновС. В

PhD in Engineering

к.т.н.

smirnof61@mail.ruKostukovA. VКостюковА. В

PhD in Engineering

к.т.н.

GutierrezMarcos OjedaГутиерресМаркос Охеда

PhD in Engineering

Tablet School Company

marcosgutierrezojeda@yahoo.comMoscow Polytechnic University, Plekhanov Russian University of EconomicsМосковский политехнический университет, Российский экономический университет им. Г.В. ПлехановаPeoples` Friendship University of Russia (RUDN University)Российский университет дружбы народовMoscow Polytechnic UniversityМосковский политехнический университетTablet School Company15102018855NO5 (2018)№5 (2018)566827042021Copyright ©; 2018, Merzlikin V.G., Makarov A.R., Smirnov S.V., Kostukov A.V., Gutierrez M.O.Copyright ©; 2018, Мерзликин В.Г., Макаров А.Р., Смирнов С.В., Костюков А.В., Гутиеррес М.О.2018Merzlikin V.G., Makarov A.R., Smirnov S.V., Kostukov A.V., Gutierrez M.O.Мерзликин В.Г., Макаров А.Р., Смирнов С.В., Костюков А.В., Гутиеррес М.О.https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0https://journals.eco-vector.com/0321-4443/article/view/66419

The performance of a diesel engine has been studied using well-known types of ceramic thermal insulating HIC or thermal barrier TBC coatings. This problem is relevant for a diesel engine with low thermal losses of the combustion chamber, in which the intense radiant component (in the near-IR range) reaches ∼ 50 % of the total heat flow. In this paper, the authors continued to study these coatings, but as translucent (SHICs or STBCs) with bulk absorption of penetrating radiant energy. The spectrophotometric modeling of the optical parameters of these coatings made it possible to estimate the characteristics of the temperature field being formed with a reduced near-surface temperature gradient (compared to opaque coatings), causing a significant decrease in heat loss through the heat-insulated piston. A translucent STBC coating based on partially stabilized zirconia (PSZ ceramics ZrO2 + 8 % Y2O3) was chosen, determining the formation of the optimum temperature profile in the piston head. For bench testing was used experimental single-cylinder tractor diesel. With a rotation frequency of n > 2800 1/min, the heat loss did not exceed 0,2 MW/m2 through the bottom of the piston with the heat-shielding layer. The tests performed showed a lower specific fuel consumption of ∼ 2-3 % in comparison with the combustion chamber of a diesel engine with an uncoated ceramic piston. At the same time, torque and effective power increased by ∼ 2-5 %.

Эффективность работы дизеля изучалась с использованием хорошо известных типов керамических теплоизолирующих HIC- или термобарьерных TBC-покрытий. Эта проблема актуальна для дизеля с низкими тепловыми потерями камеры сгорания, в которой интенсивная лучистая компонента (в ближнем ИК-диапазоне) достигает ∼ 50 % от суммарного теплового потока. В данной работе авторы продолжили изучения этих покрытий, но как полупрозрачных (SHICs или STBCs) с объемным поглощением проникающей лучистой энергии. Проведенное спектрофотометрическое моделирование оптических параметров этих покрытий позволило оценить характеристики формируемого температурного поля с уменьшенным приповерхностным градиентом температуры (в сравнении с непрозрачными покрытиями), обуславливающего существенное снижение потерь тепла через теплоизолируемый поршень. Было выбрано полупрозрачное STBC-покрытие на основе частично стабилизированного диоксида циркония (PSZ-керамика ZrO2 + 8 % Y2O3), определяющее формирование оптимального температурного профиля в головке поршня. Для стендовых испытаний был использован экспериментальный одноцилиндровый тракторный дизель. При частоте вращения n > 2800 1/мин тепловые потери не превышали 0,2 МВт/м2 через днище поршня с теплозащитным слоем. Выполненные испытания показали более низкий удельный расход топлива на ∼ 2-3 % в сравнении с камерой сгорания дизеля с непокрытым керамикой поршнем. При этом крутящий момент и эффективная мощность возрастали на ∼ 2-5 %.

translucent heat insulating (thermal barrier) coatingscatteringabsorptionsubsurface radiant heatingdiesel with low heat lossesполупрозрачное теплоизолирующее (термобарьерное) покрытиерассеяниепоглощениеподповерхностный лучистый нагревдизель с низкими тепловыми потерямиОнищенко Д.О., Панкратов С.А., Смирнов А.Ю. Влияние частичной теплоизоляции камеры сгорания дизеля на теплоотдачу в систему охлаждения // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2016. №. 3 (108). С. 81-89. DOI: 10.18698/0236-3941-2016-3-81-89.Дударева Н.Ю., Кальщиков Р.В., Домбровский О.П., Бутусов И.А. Экспериментальное исследование теплового состояния днища поршня ДВС с теплозащитным слоем, сформированным методом микродугового оксидирования // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2015. Т. 5. С. 115-125. DOI: 10.7463/0515.0774148.Кавтарадзе Р.З., Онищенко Д.О., Зеленцов А.А., Кадыров С.М., Арипджанов М.М. Расчетно-экспериментальное исследование влияния теплоизоляции поршня и гильзы на образование оксидов азота в продуктах сгорания быстроходного дизеля // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2011. № 4. С. 83-102.Carmona D.D.V. Thermal barrier coatings for efficient combustion. Master’s Degree in Materials Sc. & Eng., School of Ind. Eng. &Manag., KTN Campus. Stockholm. 2014. 96 p.Uchida N., Osada H. A new piston insulation concept for heavy-duty diesel engines to reduce heat loss from the wall. SAE Int. J. Engines. 2017. Vol. 10. Iss. 5. P. 2565-2575. DOI: 10.4271/2017-24-0161.Ciniviz M., Salman M.S., Canl E., Köse H., Solmaz Ö. Ceramic coating applications and research fields for ICEs // Ceramic Coatings - App. in Engineering. 2012. P. 195-234.Azadi М.A. A review of the effects on diesel engine performance and components lifetime // Int. J. of Autom. Eng. 2013. Vol. 3. P. 305-317.Das D., Majumdar G., Sen R.S., Ghosh B.B. Evaluation of combustion and emission characteristics on diesel engine with varying thickness of PSZ coated piston crown // Int. J. of Innovative Research in Sci., Eng. and Tech. 2013. Vol. 10.Sankar V. Thermal barrier coatings material selection, method of preparation and applications - a review // Int. J. Mech. Eng. & Rob. Res. 2014. P. 510-517.Ciniviz M., SalmanM.S., Canl E., Köse H., Solmaz Ö. Ceramic coating applications and research fields for ICEs // Ceramic Coatings - App. in Engineering. 2012. P. 195-234.Кавтарадзе Р.З. Локальный теплообмен в поршневых двигателях. 2-е изд. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. 472 с.Костин А.К. Теплонапряженность двигателей внутреннего сгорания. Ленинград: Машинострое­ние. 1979.Бажайкин А.Н. Характеристики воспламенения и горения топливной струи в теплоизолированных камерах сгорания // Двигателестроение. 1992. № 1-3. С. 7-9.Rakopoulos C.D., Giakoumis E.G. Diesel engine transient operation principles of operation and simulation analysis / E-ISBN 978-1-84882-375-4, Springer-Verlag London Limited. 2009. 390 p.Merzlikin V., Gutierrez M.O., Sidorov O., Amelemkov A.Regulation of the combustion chamber walls temperature with semitransparent heat insulating coatings.8th Int. Conf. on Engines for Automobile. Capri - Naples, Italy. Paper Offer Number № 2007-24-0031.Merzlikin V.G., Parshina S.А., GarnovaV.Yu., Bystrov A.V., Makarov A.R., Khudyakov S.V. Rig test of diesel combustion chamber with piston coated optically simulated semitransparent PSZ-ceramic. 13th Int. Conf. on Engines and Vehicle. ICE2017, 10-14 September 2017, Capri-Naples, Italy. Paper Offer Number 17ICE-0103 /2017-24-0129. DOI: 10.4271/2017-24-0129.Wang, L., Eldridge J.I., Guo S.M. Comparison of different models for the determination of the absorption and scattering coefficients of TBCs. ActaMaterialia. 2014. Vol. 64. P. 402-410. DOI: org/10.1016/j.actamat.2013.10.053.Siegel R. Internal radiation effects in zirconia thermal barrier coatings. AIAA J. Thermophysics Heat Trans. 1996. Vol. 10 (4). P. 707-709.Manara J., Arduini-SchusterM., Rätzer-Scheibe H.-J., Schulz U. Infrared-optical properties and heat transfer coefficients of semitransparent thermal barrier coatings. Surface and Coatings Technology. 2009. Vol. 203 (8). P. 1059-1068. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2008.09.033.Мерзликин В.Г., Товстоног В.А. Теплоизолирующее покрытие элементов и/или узлов камеры сгорания дизельного двигателя. Патент РФ № 2240430. 2004.Мерзликин В.Г., Гутиеррес М. Охеда. Безделкин В.В., Сидоров О.В., Сутугин В.Г. Полупрозрачная теплоизоляция для адиабатного дизеля (новая концепция) / Автомобильная промышленность. 2007. № 7. С. 34-36.MerzlikinV., Timonin V., Gutierrez Ojeda M., Sidorov O. New selectively absorbing and scattering heat-insulating coatings of the combustion chamber for LHR diesel // SAE Technical Paper 2007-01-1755. 2007.Dannecker R., Noll B., Hase M., Krebs W., Schildmacher K.-U., Koch R., Aigner M. Impact of radiation on the wall heat load at a test bench gas turbine combustion chamber: measurements and CFD simulation. Am. Soc. of Mech. Eng. (ASME). 2007. Proc. of Turbo Expo. Power for Land, Sea, and Air (Montreal). Vol 4.Parts A & B. GT2007-27148. P. 1311-1321.Чирков A.A. Об уровне научных исследований теплообмена в двигателях внутреннего сгорания. Труды Ярославского технологического института. Ярославль. 1962. Т. 6. С. 112-124.Рябов Д.И., Свиридов У.Б. Исследование некоторых особенностей сжигания распыленного топлива // Новости АН СССР. OTН. 1958.Pflaum W. Die Warmeubertragungbeidieselmaschinenmit unci ohneauflagung. Motor TechnischeZeitung. 1961. Vol. 3. S. 570-574.Новицкий Л.А., Степанов Б.М. Оптические свойства материалов при низких температурах. Справочник. Москва: Машиностроение. 1980. 224 с.Makino T., Kunitomo T., Sakai I., H. Kinoshita. Thermal radiation properties of ceramic materials // Heat Transfer Japan. Res. 1984. Vol. 13. No. 4. P. 33-50.Howe J.T., Green M.J., Weston K.C. Thermal shielding by subliming volume reflectors in convective and intense radiative environments. AAIA Journal. 1973. Vol. 11. Nо 7. NASA Ames research center. MoffetField, Calif. U.S.A.Петров В.П., Рябцев Е.И., Сутугин В.Г., Мерзликин В.Г. Оптические свойства высокоотражающей керамики // Тематический сб. «Вопросы авиационной науки и техники». Сер. авиационные материалы. 1989. С. 39-43.Авдуевский В.С. Основы теории полета космических аппаратов. Москва: Машиностроение. 1972. 345 с.Boeringer J.C., Spindler R.J. Radiant Heating of Semitransparent Materials. AAIA Journal. 1963. Vol. 1 (1). P. 84-88.Petrov V.A. Thermal radiation and optical properties of cubic YSZ up to the temperature of high rate evaporation. H. Temp. H. Pressures. 2002. Vol. 34. P. 657-668.Merzlikin V., Sidorov O., Cheranev S., Anto­nakopoulos N. Optimal spectral optical and thermo radiating characteristics of semitransparent heat-insulating coatings for Low-Heat-Rejection diesel engines., 11th Int. Conf. on Engines & Vehicle. ICE2011, 11 September 2011, Capri-Naples, Italy, Book of Abstracts. 2011. P. 41.Поклад В.А. и др. Способ нанесения покрытий на жаропрочные сплавы. Патент РФ № 2347848. 2007.Tovstonog V.A. The evaluation of fireproof properties of light-scattering coatings. High Temp. 1993. Vol. 31(4). P. 202-208.Merzlikin V.G., Gutierrez M.O., Makarov A.R., Kostukov A.V., Dementev A.A., Khudyakov S.V., Zagumennov F.A. Semitransparent ceramic heat-insulation of eco-friendly Low- Heat-Rejection diesel. Proc. of IOP Series: Materials Science and Engineering. IOP (Inst. of Physics) Publ. 2018. Vol. 327, 032037. DOI: 10.1088/1757-899X/327/3/032037.Красс М.С., Мерзликин В.Г. Радиационная теплофизика снега и льда. Ленинград: Гидрометеоиздат. 1990. 261 с.Мерзликин В.Г., Красс М.С. Покрытие для растапливания ледников. Патент № 917311, 1992.Красс М.С., Мерзликин В.Г., Сидоров О.В., Гутиеррес М. Охеда, Аджиев А.Х. Лучистая инверсия температурного поля в снежных покровах высокогорных ледников // М. ИГ РАН. Материалы гляциологических исследований. 2007. Вып. 121. С. 34-41.Merzlikin, V.G., Ilushin, Ya.A.,Olenin, A.L., Si­do­rov, O.V., Tovstonog, V.A. The criterial optics of oceans and glaciers with technogenic pollutions. Proc. of American Inst. of Physics 1810: 120004, March 2017. DOI: 10.1063/1.4975578.Koh G., Jordan R. Sub-surface melting in seasonal snow cover. J. of Glaciology. 1995. Vol. 41 (139). P. 474-482.Ramu P., Saravanan C.G. Effects of ZrO2-Al2O3 and SiC coating on diesel engine to study the combustion and emission characteristics. 2009. SAE International Paper 2009-01-1435.Гутиеррес Маркос О. Метод снижения тепловых потерь и теплонапряженности дизелей с использованием полупрозрачных керамических покрытий: автореф. дис. канд. техн. н. М.: Изд. МГТУ «МАМИ». 2007. 26 с.Русу И., Георгеску С., Бачиу К., Аурелиан Б. Многослойные термические барьеры, полученные в результате применения APS- и HVOF-технологий // Машиностроение и транспорт. Науковіпраці. ВНТУ. 2009. № 4.