Low-cost, eco-friendly diesel with a thermally insulated combustion chamber


Cite item

Full Text

Abstract

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 %.

About the authors

V. G Merzlikin

Moscow Polytechnic University, Plekhanov Russian University of Economics

Email: merzlikinv@mail.ru
PhD in Engineering

A. R Makarov

Peoples` Friendship University of Russia (RUDN University)

Email: a-r-makarov@ya.ru
PhD in Engineering

S. V Smirnov

Peoples` Friendship University of Russia (RUDN University)

Email: smirnof61@mail.ru
PhD in Engineering

A. V Kostukov

Moscow Polytechnic University

PhD in Engineering

Marcos Ojeda Gutierrez

Tablet School Company

Email: marcosgutierrezojeda@yahoo.com
PhD in Engineering

References

  1. Онищенко 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.
  8. 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.
  9. Sankar V. Thermal barrier coatings material selection, method of preparation and applications - a review // Int. J. Mech. Eng. & Rob. Res. 2014. P. 510-517.
  10. 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.
  11. Кавтарадзе Р.З. Локальный теплообмен в поршневых двигателях. 2-е изд. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. 472 с.
  12. Костин А.К. Теплонапряженность двигателей внутреннего сгорания. Ленинград: Машинострое­ние. 1979.
  13. Бажайкин А.Н. Характеристики воспламенения и горения топливной струи в теплоизолированных камерах сгорания // Двигателестроение. 1992. № 1-3. С. 7-9.
  14. 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.
  15. 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.
  16. 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.
  17. 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.
  18. Siegel R. Internal radiation effects in zirconia thermal barrier coatings. AIAA J. Thermophysics Heat Trans. 1996. Vol. 10 (4). P. 707-709.
  19. 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.
  20. Мерзликин В.Г., Товстоног В.А. Теплоизолирующее покрытие элементов и/или узлов камеры сгорания дизельного двигателя. Патент РФ № 2240430. 2004.
  21. 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.
  22. 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.
  23. 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.
  24. Чирков A.A. Об уровне научных исследований теплообмена в двигателях внутреннего сгорания. Труды Ярославского технологического института. Ярославль. 1962. Т. 6. С. 112-124.
  25. Рябов Д.И., Свиридов У.Б. Исследование некоторых особенностей сжигания распыленного топлива // Новости АН СССР. OTН. 1958.
  26. Pflaum W. Die Warmeubertragungbeidieselmaschinenmit unci ohneauflagung. Motor TechnischeZeitung. 1961. Vol. 3. S. 570-574.
  27. Новицкий Л.А., Степанов Б.М. Оптические свойства материалов при низких температурах. Справочник. Москва: Машиностроение. 1980. 224 с.
  28. 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.
  29. 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.
  30. 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.
  31. Авдуевский В.С. Основы теории полета космических аппаратов. Москва: Машиностроение. 1972. 345 с.
  32. Boeringer J.C., Spindler R.J. Radiant Heating of Semitransparent Materials. AAIA Journal. 1963. Vol. 1 (1). P. 84-88.
  33. 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.
  34. 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.
  35. Поклад В.А. и др. Способ нанесения покрытий на жаропрочные сплавы. Патент РФ № 2347848. 2007.
  36. Tovstonog V.A. The evaluation of fireproof properties of light-scattering coatings. High Temp. 1993. Vol. 31(4). P. 202-208.
  37. 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.
  38. Красс М.С., Мерзликин В.Г. Радиационная теплофизика снега и льда. Ленинград: Гидрометеоиздат. 1990. 261 с.
  39. Мерзликин В.Г., Красс М.С. Покрытие для растапливания ледников. Патент № 917311, 1992.
  40. 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.
  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.
  42. Koh G., Jordan R. Sub-surface melting in seasonal snow cover. J. of Glaciology. 1995. Vol. 41 (139). P. 474-482.
  43. 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.
  44. 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.
  45. 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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2018 Merzlikin V.G., Makarov A.R., Smirnov S.V., Kostukov A.V., Gutierrez M.O.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».