열차폐 코팅을 기반으로 한 알루미늄 합금 피스톤에 대한 실험 및 시뮬레이션 연구

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 10991(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

열차폐 코팅(TBC)은 열 전도성이 낮아 금속 매트릭스의 온도를 효과적으로 낮추고 피스톤의 열 성능, 노크 저항 및 연소 성능을 향상시킵니다. 본 연구에서는 오프로드용 고압 커먼레일 디젤엔진을 연구대상으로 선정하였다. 정격 출력 및 최대 토크 조건에서 피스톤 온도 필드의 테스트 결과와 결합하여 열차폐 코팅 피스톤의 유한 요소 시뮬레이션 모델이 확립되었습니다. 이 모델을 사용하면 피스톤 매트릭스의 열 차단 코팅의 온도 장, 응력 및 변형의 분포 특성과 변화 법칙을 분석할 수 있습니다. 결과는 정격 출력 및 최대 토크 조건에서 TBC 피스톤의 최대 온도가 알루미늄 합금 피스톤의 온도보다 각각 12.2% 및 13.73% 낮다는 것을 보여줍니다. 캐비티 상단의 TBC 피스톤의 열 응력은 알루미늄 피스톤의 열 응력보다 25.9% 및 26.8% 낮았으며, TBC 피스톤의 열-기계적 결합 응력은 알루미늄 피스톤의 열 응력(1.2MPa)보다 약간 높았습니다. 기하학적 변이가 있는 연소실 바닥의 경우 각각 3.7MPa입니다. TBC 피스톤의 반경방향 열변형은 알루미늄 피스톤에 비해 0.067mm, 0.073mm 낮았고, 반경방향 열-기계 커플링 변형도 각각 0.069mm, 0.075mm 감소했다. 핀홀 축에 평행한 방향의 피스톤의 반경 방향 열 변형은 핀홀 축에 수직인 방향의 열 변형보다 컸습니다. 변화 크기의 차이로 인해 피스톤의 열 변형이 고르지 않게 됩니다.

디젤 엔진은 내구성, 경량화, 소형화, 저배출 성능 향상을 위해 지속적으로 개발되고 있습니다. 그 결과, 실린더 내부의 열 방출 속도와 온도 및 압력이 크게 증가하여 실린더 내부 환경이 악화되었습니다1,2,3,4. 디젤 엔진 실린더의 핵심 부품인 피스톤은 열충격이 증가하여 신뢰성과 내구성에 큰 영향을 미칩니다. 열차폐 코팅(TBC)은 탁월한 단열 기능을 제공하며 침식 방지, 열 충격 저항 및 고온 산화 저항에 유리합니다5,6. 엔지니어링 실습에서 이러한 특성은 작업 기판과 고온 환경 사이의 열 전달에 큰 영향을 미쳐 작업 기판7,8의 구조적 강도와 피로 수명에 영향을 미칠 수 있습니다. 피스톤 상단의 TBC는 피스톤 상단의 온도를 효과적으로 낮추고 연소 및 열 성능과 엔진의 노크 저항을 크게 향상시킬 수 있습니다9.

TBC 준비 기술의 급속한 발전과 함께 TBC가 내연 기관의 성능에 미치는 영향을 조사하는 여러 연구와 함께 TBC가 포함된 피스톤에 대한 연구가 수행되었습니다. 1980년대 초에 Morel 등10,11은 대형 디젤 엔진의 피스톤과 헤드에 대한 수치 모델 평가를 수행했습니다. 피스톤은 1.5mm 지르코니아 플라즈마 분사(ZPS) 코팅으로 코팅되었습니다. 엔진의 열효율이 약 5% 증가하는 것으로 나타났습니다. Taymaz12는 TBC가 디젤 엔진의 열 효율을 향상시켜 다양한 속도와 부하에서 연료 소비를 줄인다는 것을 보여주었습니다. Toyota는 TSWIN(Thermo-Swing Wall Insulation Technology)으로 알려진 연소실의 새로운 단열 개념을 제안했습니다. 열전도율이 낮고 체적 열용량이 낮은 새로운 단열재인 SiRPA(실리카 강화 다공성 양극 산화 알루미늄)를 개발하여 피스톤 상단 표면에 적용하여 엔진 성능을 저하시키지 않으면서 열 손실을 줄임으로써 엔진 성능을 향상시킵니다. 열효율13,14,15,16.