陶瓷内燃机调研报告_陶瓷调研报告
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陶瓷内燃机调研报告
电子科学与技术专业（2）班
学号：2011031044
姓名：苏鹤
摘要：介绍了国内外工程陶瓷材料在内燃机零部件上的应用情况,并探讨了陶瓷材料的应用障碍及发展前景。
【Abstract】The application of engineering ceramic material to engine parts is introduced.And the development prospect and the
obstacles to application of ceramic material are studied.关键词：内燃机 零件 陶瓷 热机效率 热传导性
引言
随着科学技术的发展,陶瓷的应用日趋广泛,陶瓷与内燃机的关系也日益密切。陶瓷发动机的研制已引起世界许多国家的重视。设想一种汽车，它车体轻盈，功率强劲，能以500千米的时速奔驰，无需冷却，而且节省燃料，有害废气极少。这就是陶瓷发动机所展示的美好前景。陶瓷，尤其是氮化硅和碳化硅陶瓷具有高温强度、耐蚀性和耐磨性，用它们来制造发动机已成为当前世界各国奋力追求的目标。工程陶瓷材料在内燃机上的应用
内燃机上可以利用陶瓷材料制作的零件很多,但由于各种条件的限制, 实际应用在内燃机上的陶瓷零件只有少数几种, 其余仍处于实验室试制阶段。现将国内外陶瓷发动机的应用现状作一介绍。
1.1 陶瓷活塞
陶瓷活塞一般用于柴油机, 主要有以下几种结构形式:镶块式用陶瓷镶块铸入活塞顶部高温区;组合式将陶瓷活塞顶用机械连接或焊接方式与裙部连接;喷涂式在活塞顶部高温区表面喷涂陶瓷;• 全陶瓷活塞整体用陶瓷制造。活塞的某些部位采用陶瓷材料后, 可使燃烧室实现部分绝热, 从而减少冷却系统的容量和尺寸。在高强化柴油机中可有效降低活塞环槽区的温度,有时可取消活塞的专门冷却。图1 为陶瓷在活塞上的应用实例。活塞顶部采用Si3N4 制造,在活塞环槽部位喷涂金属,金属卡环热压配合固紧在活塞裙上,然后采用加压硬钎焊法使其结合。采用这种方法的接合强度比传统的扩散接合高2～3 倍, 且强度分布波动小, 高温强度值也较大。在活塞顶面喷涂陶瓷材料,由于喷涂工艺上的困难, 目前可靠的涂层厚度一般不超过1.5 mm, 可实现活塞的部分隔热。
此外, 以陶瓷“晶须”作为铝、镁和塑料的增强剂, 不仅减轻了重量,还提高了耐热性和强度。在铝合金中加入14(φ%)的Tokawhiskcr 碳化硅晶须, 其抗拉强度提高50 % , 纵弹性模量增加40 % ,延伸率下降30 % , 热膨胀系数减少30 % , 硬度提高80 %。用Tokawhisker 制活塞顶部,使活塞的机械强度升高,热冲击性能优良,并减轻了重量。
1.2 陶瓷气缸套
陶瓷气缸套的结构主要有:
a.用陶瓷材料做成缸套上圈;b.在缸套内表面喷涂陶瓷材料;c.用陶瓷与金属整体复合制成;d.全陶瓷缸套。由于气缸套上端承受较大热负荷, 上下端温差达400～500 K,故常采用陶瓷材料制成环形上圈,与金属缸套上部内表面压配。也可在缸套上部内表面喷涂陶瓷来代替陶瓷上圈, 缸套上部的绝热范围大致相当于第一道活塞环上止点以上位置。日本
“小松发动机”则采用在缸套内壁全长上喷涂复合材料。“小松发动机”在105 mm缸径绝热机上曾采用全陶瓷缸套,据称可靠性不够理想。
1.3 陶瓷绝热气缸盖
陶瓷材料用于气缸盖主要有两种方式: 一是在缸盖底部安装陶瓷底板(如图2), 另一种是在金属缸盖底部喷涂陶瓷。陶瓷底板可以兼作气门座,也可另设气门座。气缸盖采用陶瓷底板后可有效抑制气缸盖内部传热。试验表明,当陶瓷底板厚度在2.5 ～7 mm之间时, 气缸盖的热流量可减少72 %～84 %。风冷式柴油机鼻梁区采用陶瓷材料后, 在减小冷却风量的同时甚至可提高功率而不致开裂。
1.4 配气机构陶瓷零件
由于陶瓷材料的重量轻,配气机构中的气门、挺柱、摇臂及弹簧座改用陶瓷后,可提高发动机转速来提高功率, 或在转速不变的情况下减弱气门弹簧而降低功率损耗。我国492QA 型汽油机采用陶瓷化配气机构, 使零件重量减轻, 气门弹簧预紧力减小, 在各种工况下节油2 %～8 %。五十铃公司和京陶公司开发了在凸轮接触面部位融接陶瓷片的铝摇臂, 大大提高了摇臂寿命。带筋陶瓷片是用微米级的Si3N4粉末在1 500 ℃的高温下烧结而成,长20 mm、宽20mm、厚5 mm, 其筋条插进摇臂中。浇注工艺是把陶瓷片放在摇臂铸型中,然后浇入600 ℃铝熔液,利用铝的冷缩性固紧镶片(如图3)。五十铃公司在PE 系列发动机上开发的陶瓷挺柱采用陶瓷与金属钎焊的新工艺, 使挺柱不但耐磨, 而且耐冲击, 使用寿命是原来烧结合金挺柱的2.5～10 倍。试验证明,配气机构中的易磨损部件如气门座、摇臂头等采用陶瓷材料后,都可以减小磨损,延长使用寿命。
• 图3 陶瓷摇臂镶块
1.5 柴油机陶瓷涡流室
我国为S195 柴油机研制的陶瓷涡流室镶块, 形状和尺寸与金属镶块完全相同, 用间隙配合安装于气缸盖中。同样的试验研究也曾在485Q车用柴油机上进行。试验表明, 涡流室安装陶瓷镶块后改善了发动机低负荷时的燃烧,也改善了低温起动性能,降低了燃烧噪声和HC的排放量。同时,由于实现了燃烧室的部分绝热,减少了冷却水带走的热量,因而有利于提高发动机的热效率。丰田增压柴油机提高功率后,金属镶块达到了所能承受的温度极限,采用陶瓷镶块后使功率又提高10 %。五十铃发动机利用陶瓷镶块, 使柴油机怠速噪声降低了2dB(涡流室结构见图4)。马自达发动机的整个涡流室用陶瓷制成,分上下两体, 外设空气层, 依靠高度绝热使燃烧改善,颗粒排放减少。
• 五十铃发动机的陶瓷燃烧室
1.6 陶瓷活塞销
使用陶瓷活塞销可减轻往复运动零件质量, 带平衡轴的发动机可减轻甚至省去平衡轴。另外, 陶瓷活塞销与金属复合材料制造的活塞配对, 可提高活塞的耐磨性。
1.7 陶瓷绝热排气管
日产公司制造的陶瓷-铝复合排气管是用Al-Si 合金短纤维和陶瓷复合材料,先制成排气管骨架,再浇注熔化的铝液制成的。对800～900 ℃的排气来说,陶瓷绝热排气管可取消隔热板,增加了发动机燃烧室的容积。采用该排气管使排气净化效果提高了2 倍。
1.8 涡轮增压器陶瓷零件
在涡轮增压器零件中, 使用陶瓷最普遍的是增压器涡轮叶轮。与金属涡轮叶轮相比, 陶瓷叶轮重量轻,转动惯量仅为金属叶轮的31 % ,改善了“涡轮滞后”现象, 在发动机加速时增压器的响应较快, 能在金属涡轮不能承受的高温下工作。由于热膨胀小, 允许减小蜗壳与涡轮的间隙以提高效率。陶瓷涡轮的这些优点使其在日本、美国等发达国家的车用发动机增压器上得到了较多的采用。Si3N4 制造的陶瓷涡轮叶轮见图5 , 其热膨胀系数是金属的1/ 3 ,利用这一特点, 采用热压和钎焊相结合。有效粘度,则需由HTHS 粘度监控;而CCS 粘度可预测发动机油低温启动性能。为了保证油品在低温下具有良好的粘温性能,基础油组分不能选择太重, 否则将影响油品的低温冷启动性能;但基础油又不能选的太轻,否则油品将因为粘度太小, 而不具备足够的油膜强度, 油压偏低,不能提供良好的润滑,致使发动机磨损较重的曲轴轴承和连杆大小头轴承发生烧结等严重故障。由此可以看出, HTHS 粘度与CCS 粘度是相互联系又相互制约的二项指标, 这对内燃机油多级油的调制提出了更高的要求。
首先要了解所选用的基础油的基本性质, 即其100 ℃运动粘度, HTHS 粘度和不同温度下的CCS 粘度;同时还应搞清楚所选用的稠化剂、复合添加剂加入基础油中所引起的100 ℃运动粘度、HTHS 粘度和CCS 粘度增加值。有了这些基础数据,可在调制油品前进行预算, 根据调制油品的粘度级别和质量等级加以灵活运用。
若调制成品油的100 ℃运动粘度符合相应粘度级别的指标要求,而HTHS 粘度低于指标要求时,则应增大基础油100 ℃运动粘度, 或增加稠化剂加入量,或改用HTHS 粘度增值较高的稠化剂;若成品油HTHS 粘度太大, 则采取相反措施即可。同理, 若成品油CCS 粘度太大, 则应减小基础油100 ℃运动粘度, 或减少稠化剂加入量, 或改用CCS 粘度增加值较低的稠化剂;反之亦然。因此, 1998 年即将使用的新内燃机油粘度分类标准(GB/ T 14900 —94 修订标准)中, HTHS 粘度和CCS 粘度分析评定项目的设立, 兼顾了内燃机油多级油的高低温性能, 避免了顾此失彼而又无监测手段的现象, 从而为高质量的内燃机油多级油的高低温使用性能提供了更可靠的保障。的方法, 把陶瓷叶轮和金属轴连接起来, 使陶瓷叶轮的惯性力矩比金属叶轮减少了1/ 3 ,从而使涡轮增压器的动态响应性提高了36 %。
陶瓷涡轮叶轮工程陶瓷材料的应用障碍及发展前景
工程陶瓷材料应用于发动机的主要障碍来自于价格和可靠性两个方面。目前陶瓷零件的价格远比金属零件昂贵, 如陶瓷活塞销和气门的计划生产成本为相同金属件的2.5 倍,使实际应用受到限制。影响陶瓷零件工作可靠性的因素主要是制造时可能产生的内部裂纹,这种裂纹的尺寸、形状和方向是随机的,在条件合适时可因裂纹扩展而造成脆性破坏,所以其强
度带有随机性质。陶瓷零件的强度波动较大,高温时强度有所下降。针对陶瓷的可靠性问题,研究重点是改善陶瓷材料的脆性以及强化与增韧,专家分析,克服陶瓷材料价格高、可靠性难以保证的缺点需要一个时间过程, 发动机陶瓷材料的应用只能从小到大, 从易到难, 从减摩耐磨到绝热, 从零件到整机,逐步发展。由于陶瓷材料具有优良的力学性能和低密度特点。它已作为第三大类材料登上世界技术革命的舞台,至今,美、日、德等各国纷纷花巨资进行陶瓷材料的开发和应用, 掀起了陶瓷发动机的研制高潮。日本在发动机陶瓷零部件研究方面一直处于领先地位, 并已有一些零部件的研制进入了实用化和商品化阶段。我国的陶瓷发动机及零部件的研究从80 年代中期起步,也不断取得重大的进展,其中陶瓷电热塞、涡流室镶块、涡轮转子、陶瓷排气净化器等零件已部分小批量生产。据有关专家预测, 发动机陶瓷零件在2000 年以后将占有较大市场, 陶瓷发动机的开发及应用前景非常诱人。
问题解析
1、陶瓷材料用于发动机为什么可以提高工作温度？ 工作温度高，可使燃料燃烧充分，所排废气中的有害成分大为降低，这不仅降低了能源消耗，而且减少了环境污染。陶瓷的热传导性比金属低，这使发动机的热量不易散发，节省能源。
陶瓷具有较高的高温强度和热传导性，可延长发动机的使用寿命。
2，假设发动机的工作过程是由两个等容的过程和两个绝热的过程组成的循环，使计算陶瓷内燃机和普通镍基合金制成的内燃机的效率，并对比其结果。
陶瓷制造，其重量可比合金发动机轻2/3，燃料费下降20%。1977年美国福特汽车公司用氮化硅和碳化硅陶瓷制造了一台全陶瓷燃汽轮机，其燃气入口温度为
1230℃，转速为5万转/分，成功地运转了25小时。1982年，瑞典沃尔沃和联合公司共同研制的燃汽轮机，成功地进行了乘用车的实际行驶，在世界上首获成功，其涡轮工作温度为1100℃，转速为5万转/分，运行了10小时。而普通镍基合金工作转化的效率较低。
参考文献羊秋林等编译.汽车用轻量化材料.北京:机械工业
出版社, 1991 ,9.张耀宏译.陶瓷挺柱.国外内燃机, 1995(4).姚喜贵等.485Q柴油机陶瓷涡流室结构设计和性能
试验研究.小型内燃机, 1997(2).199808 收稿(责任编辑辛然
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