摘要
我国的石油资源相对稀缺，能源安全形势十分严峻，因此寻找内燃机替代燃料，提升内燃机热效率，进一步降低石油等化石燃料的消耗，对于我国可持续发展具有重要的战略安全意义。本文提出将热障涂层（TBCs）与醇类含氧燃料结合起来，在发动机上进行研究。利用热障涂层的优良隔热性能和醇燃料含氧特性，实现发动机性能的进一步提升，为推动内燃机未来的可持续发展提供新的技术途径。传统热障涂层隔热材料由于拥有较低的断裂韧性等缺点，在长时间工作后容易失效。纳米结构热障涂层相较于传统涂层拥有四个效应，使其拥有更好的隔热性能与综合力学性能。本文采用了试验与仿真相结合的方法，研究了纳米热障涂层与醇类-柴油掺混燃料相结合对发动机性能的影响。 通过等离子喷涂设备制备不同的涂层样块，并利用拉伸强度试验、热震性能试验以及扫描电镜微观分析等方法研究了涂层的微观性能。结果表明，纳米氧化锆（nano-YttriaStabilizedZirconia，n-YSZ）热障涂层在保证强度的同时，还具有更高的孔隙率。孔隙率的提高表明，相对于微米级热障涂层，纳米YSZ涂层具有更好的隔热性能。在涂层样块的研究基础上，本文采用硬度塞试验方法与温度场模拟仿真相结合，发现纳米YSZ热障涂层在发动机台架上的应用能够有效地降低燃烧室高温燃气通过活塞的热损失。 将不同浓度的异丙醇-丁醇-乙醇（Isopropanol-Butanol-Ethanol，IBE）混合燃料与纯柴油进行对比试验，发现使用IBE后发动机的热效率最高增加0.47%，碳烟排放效果也明显改善，最高降低25.6%。但是IBE燃料的汽化潜热较大，导致滞燃期延长，峰值放热率变高，提升缸内最高温度，增大燃烧室零部件热负荷，并且加剧NOX排放。此外，通过对比使用纳米热障涂层前后的纯柴油燃料发动机性能，发现使用纳米YSZ热障涂层后，在低负载情况下，有效燃油消耗率和有效热效率均明显改善，有效热效率最高增加1.79%。但是随着功率的不断增加，热障涂层对发动机性能的影响逐渐减弱，使用涂层前后油耗与热效率趋近相同。此外，纳米热障涂层的优异隔热效果在降低CO与碳烟排放的同时，也会加剧NOX排放。 在分析IBE和纳米热障涂层对发动机性能影响的基础上，提出将两者结合起来进行研究，以探讨纳米热障涂层与IBE协同作用对发动机性能的影响。研究结果显示，将纳米YSZ热障涂层与IBE结合应用后，纳米热障涂层可以有效地降低IBE燃料的滞燃期，延长燃烧持续时间，并改善发动机的油耗和热效率。特别是在中高负载下，使用涂层与IBE结合后，发动机的有效热效率得到进一步提升，最高可增加1.55%。同时，使用纳米热障涂层后，IBE燃料的CO与碳烟排放也可以得到进一步降低，但NOX排放则相应地恶化。 本研究创新性的将IBE含氧燃料与纳米热障涂层技术相结合进行研究。研究结果表明，纳米热障涂层与IBE协同作用不仅可以有效缓解醇类汽化潜热过大的不利影响，还可以减弱中高负载热障涂层表面温度过高对燃烧的不利影响，进一步提高发动机的热效率。本文为提高内燃机热效率和降低发动机用化石燃料消耗提供了新思路和新方法，该项目的实施和推广对缓解我国的能源问题具有重要的应用价值和现实意义。
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