Теплоизолирующее покрытие

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и предназначено преимущественно для элементов и/или узлов камеры сгорания (КС) двигателей. Покрытие содержит, по меньшей мере, один предыдущий слой и слой, обращенный в КС, причем предыдущий слой и слой, обращенный в КС, выполнены с показателем поглощения не более 2 (1/м), предыдущий слой выполнен оптически неоднородным, а слой, обращенный в камеру сгорания, выполнен оптически однородным с предельно большими показателями: пропускательной способности в видимом и/или ближнем ПК-диапазонах, и излучательной способности в среднем и/или дальнем ИК-диапазонах и коэффициентом теплопроводности большим, чем у предыдущего слоя. При этом предыдущий слой выполнен с показателем рассеяния в интервале 10-100 (1/м). Покрытие уменьшает потери тепла из КС во внешнюю среду, способствует повышению КПД и ресурса работы двигателя, его экологической безопасности, снижению расхода топлива. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано в автомобильной, тракторной, судостроительной, авиационной, ракетно-космической промышленностях, преимущественно для элементов и/или узлов камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей, а также в отраслях, связанных с эксплуатацией объектов энергетического теплового оборудования, например, топок, котлов и печей, или при создании тепло-, огнезащитных спецсредств.

В указанных отраслях теплоизолирующие покрытия должны противодействовать не только конвективным, но лучистым потокам, поскольку источником теплового излучения в видимом и ближнем инфракрасном (ИК) диапазонах являются воспламеняемые при высоких температурах и горящие частицы сажи окисляемой топливной смеси, а в среднем и дальнем ИК-диапазонах длин волн имеет место терморадиация горячих газов рабочего тела.

Известно теплоизолирующее керамическое покрытие деталей камеры сгорания (КС) двигателя внутреннего сгорания (ДВС) на основе стабилизированной окиси циркония ZrO₂, состоящее из внутреннего пористого слоя и внешнего плотного слоя, которое помимо обеспечения антикоррозийных и теплопрочностных свойств является термическим барьером на пути теплового излучения, т.е. непрозрачным для тепловой лучистой компоненты во всем диапазоне длин волн излучения в КС (патент РФ №1776089, 1995 г.). Это обуславливает повышенный рост температуры на поверхности теплоизолированных деталей и узлов от 600-900 К и в результате при эксплуатации двигателя увеличивается расход топлива в рабочем цикле, а также значительно повышается концентрация токсичных веществ на основе диоксидов азота.

Известно теплоизолирующее покрытие КС ДВС, в частности дизельного двигателя, на основе окиси циркония ZrO₂ или кварцевой керамики в виде слоя пористого полупрозрачного материала толщиной 0,1-2 мм, с показателем поглощения 1-5 (1/м) и показателем рассеяния 50-100 (1/м), обеспечивающее объемное подповерхностное поглощение лучистой компоненты теплового потока сгораемой топливной смеси, что обуславливает смещение максимума температуры нагрева в глубину покрытия, обеспечивая необходимый интервал рабочих температур нагреваемой и облучаемой внутренней поверхности теплоизолированной КС (патент РФ №2240430, 2004 г.).

В этом аналоге поглощенная лучистая компонента теплового потока аккумулируется покрытием в собственном объеме и за счет теплопроводности частично отводится за пределы охлаждаемого корпуса КС.

В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) изобретения определено двухслойное теплоизолирующее покрытие, обеспечивающее частичное уменьшение отвода тепла от деталей КС в охлаждающую среду и увеличение доли теплового излучения, передаваемого от деталей к рабочему телу в период холодной фазы теплообмена в КС, содержащее первый слой, выполненный из многофазного кристаллического пористого материала толщиной до 0,1-0,3 мм, и второй слой, обращенный в КС, в виде сплошной пленки из тугоплавкого материала на основе непрозрачных в видимой и ближней ИК-диапазонах длин волн карбо-оксисилицидов титана со степенью черноты не менее 0,8 в интервале рабочих температур КС ДВС (патент РФ №2168039, 2001 г.).

Недостатком прототипа является поглощение лучистого теплового потока во всем диапазоне собственного излучения как горячих газов, так и воспламеняемых при высоких температурах частиц сажи в период горячей фазы теплообмена в КС из-за большого значения коэффициента черноты непрозрачного слоя, обращенного в КС, что приводит к перегреву поверхности стенок КС, увеличению расхода топлива, недостаточному росту КПД двигателя, образованию токсичных веществ на основе диоксидов азота.

Решаемая изобретением задача и достигаемый им технический результат заключаются в создании теплоизолирующего покрытия с уменьшенными потерями тепла из КС во внешнюю среду, при использовании которого обеспечивается повышение КПД и ресурса работы двигателя, улучшение его экологической безопасности.

Сущность изобретения состоит в том, что в теплоизолирующем покрытии, преимущественно для элементов и/или узлов камеры сгорания двигателя, содержащем, по меньше мере, один предыдущий слой и слой, обращенный в камеру сгорания, в отличие от известных аналогов предыдущий слой и слой, обращенный в камеру сгорания, выполнены с показателем поглощения не более 2 (1/м), предыдущий слой, выполнен оптически неоднородным, а слой, обращенный в камеру сгорания, оптически однородным с предельно большим для конкретного материала значением пропускательной способности в видимом и/или ближнем ИК-диапазонах длин волн и коэффициентом теплопроводности большим, чем у предыдущего слоя.

При этом предыдущий слой выполнен с показателем рассеяния в интервале 10-100 (1/м), а слой, обращенный в камеру сгорания, выполнен слабопоглощающим и слаборассеивающим с предельно большим для конкретного материала значением излучательной способности в среднем и/или дальнем ИК-диапазонах длин волн.

В частном случае реализации изобретения покрытие содержит керамический слой, а слой, обращенный в камеру сгорания, выполнен путем остекловывания предыдущего керамического слоя.

Уменьшение потерь тепла из КС во внешнюю среду достигается тем, что высокотеплопроводный и максимально прозрачный слой покрытия, обращенный в камеру сгорания, во время холодной фазы будет возвращать обратно в ее объем аккумулированное тепло за время горячей фазы из нижележащего рассеивающего слоя, поступившее за счет кондуктивных и поглощенных лучистых потоков, т.е. произойдет регенерация теплового потока.

Использование в качестве слоя, обращенного в КС, оптически однородного слоя с показателем поглощения не больше и показателем рассеяния много меньше, чем у обращенного к металлическому корпусу оптически неоднородного первого слоя, при его толщине менее миллиметра обеспечит пропускательную способность лучистой компоненты теплового потока со значением не менее 95% в видимом и ближнем ИК-диапазонах длин волн. Этот же сплошной слой за счет своей более высокой теплопроводности в сравнении с теплопроводностью пористой керамики нижележащего слоя будет способствовать оттоку тепла внутрь КС во время холодной фазы. При этом будет иметь место поверхностный сток тепла и дополнительный нагрев рабочего тела в объеме КС как за счет поверхностного конвективного охлаждения, так и собственного теплового излучения при большом коэффициенте черноты и относительно невысокой температуре поступающей воздушно-топливной смеси.

Создание слоя, обращенного в КС, со сплошной структурой будет способствовать высококачественному его сцеплению с нижележащим пористым керамическим слоем и улучшать его прочностные свойства. При этом однородная структура сплошного слоя обеспечивает минимальное рассеяние проникающего излучения, а также требуемый увеличенный коэффициент теплопроводности, характерный для монолитных материалов.

Снижение поверхностного перегрева будет обуславливать более равномерный объемный прогрев камеры сгорания, устранит скачки температуры рабочего тела на границах КС, что препятствовало увеличению «адиабатных» ДВС вследствие эффекта Вошни.

Предлагаемое покрытие, например, цилиндра ДВС, может быть выполнено как многослойным, так и двухслойным в зависимости от требуемой конфигурации температурного профиля в теплоизолирующем покрытии. Первый слой выполняется оптически неоднородным на основе тугоплавких керамических материалов с «окнами» прозрачности в видимой и/или ближней ИК-диапазонах длин волн, например, стабилизированной окиси циркония. Толщина слоя (H₁) выбирается в пределах 1-2 мм для обеспечения объемного прогрева, показатель поглощения - не больше 2 (1/м), а показатель рассеяния в интервале 10-100 (1/м).

Другой слой, обращенный в камеру сгорания, выполнен оптически однородным толщиной Н₂ с предельно большим значением пропускательной способности, а также обеспечивающим газонепроницаемость, прочностные параметры и защиту от механического воздействия нижележащего слоя. Этот слой может быть получен, например, плазменным нанесением стекловидного материала или остекловыванием поверхности предыдущего пористого керамического слоя в результате его обработки высокотемпературной плазмой.

Установленные параметры рассеяния и поглощения обусловлены следующим:

- при показателе рассеяния менее 10 (1/м) возникают условия объемного поглощения лучистой компоненты теплового потока, что вызывает практически равномерный прогрев слоя, смещение температурного максимума на всю глубину покрытия, снижает его защитные свойства и не выполняет поставленную задачу;

- при значении показателя рассеяния более 100 (1/м) имеет место высокое отражение и поглощение лучистого потока в тонком пристеночном слое, что обуславливает температурный максимум на поверхности, что неприемлемо для инженерных конструкций;

- при значении показателя поглощения более 2 (1/м) будет иметь место недопустимое поглощение, уменьшение коэффициента пропускания, поверхностный перегрев самого покрытия воздействующей лучистой компоненты теплового потока в слое, обращенном в КС.

Ниже приведены (таблица) сравнительные данные выходных параметров теплоизолирующего покрытия стенок КС при радиационно-конвективном нагреве в условиях эксплуатации быстроходных дизельных двигателей, достигаемых аналогами и данным изобретением на следующих конкретных примерах его исполнения:

№1 (прототип) - двухслойное покрытие на основе промышленной окиси циркония;

№2 (аналог) - однослойное покрытие на основе очищенной стабилизированной окиси циркония оптически неоднородной, толщиной H₁=1-2 мм с показателем рассеяния 10-100 (1/м) в видимом и ближнем ИК-диапазонах длин волн;

№3 (изобретение) - двухслойное покрытие, состоящее из первого слоя с параметрами по предыдущему №2, а второй слой - на основе стекловидного материала с показателем рассеяния 1 (1/м) и пропускательной способностью не менее 90% с толщиной Н₂=0,1H₁ в видимом и ближнем ИК- и коэффициентом черноты 0,9 в средней и дальней ИК-диапазонах длин волн.

Анализ представленных материалов показывает, что применение полупрозрачного оптически неоднородного покрытия (п.2, табл.) в сравнении с непрозрачным (п.1 табл.) позволяет снизить поверхностный перегрев на десятки градусов, а максимум температуры сместить в подповерхностную область. Дополнительное (п.3 табл.) использование максимально прозрачного слоя с большим коэффициентом черноты, обращенного в КС, обуславливает смещение температурного максимума к поверхности теплоизолирующего покрытия и снижение температуры этой поверхности за счет выхолаживания в холодной фазе работы двигателя.

Таким образом, как видно из таблицы, предлагаемое покрытие по сравнению с известными аналогами обеспечивает:

- теплоизоляцию объема КС при более равномерном объемном поглощении лучистой компоненты теплового потока воспламеняемой топливной смеси,

- снижение температуры поверхности теплоизолирующего покрытия во время горячего цикла за счет смещения температурного максимума объемного прогрева проникающим лучистым потоком тепла при определенных значениях показателей рассеяния и поглощения,

- возвращение аккумулированного тепла обратно из теплоизолирующего покрытия в объем камеры сгорания в период холодной фазы.

Перечисленные отличительные свойства изобретения позволяет создать оптимальные условия сгорания горючей смеси, следовательно, сократить расход топлива, повысить КПД двигателя, снизить температурные градиенты и напряжения в теплоизолирующем покрытии, а также уменьшить концентрацию токсичных соединений азота.

Таблица
Покрытие	Температура покрытия, К	Координата максимума температуры
Поверхность, обращенная к внутреннему объему КС	Максимальная температура
1. Двухслойное на основе промышленной стабилизированной окиси циркония, непрозрачное в видимом и ближнем ИК-диапазонах длин волн (прототип).	не менее 600-900	не менее 600-900	0
2. Однослойное на основе очищенной стабилизированной окиси циркония полупрозрачной в видимом и ближнем ИК-диапазонах длин волн (аналог 2).	не более 500-700	не более 600-800	(0-0,5)Н1
3. Двухслойное, состоящее из первого слоя на основе очищенной стабилизированной окиси циркония полупрозрачной в видимом и ближнем ИК-диапазонах длин волн и второго слоя с коэффициентом черноты 0,9 в средней и дальней ИК-диапазонах длин волн (изобретение).	400-600	500-700	Н2+(0-0,3)Н1

1. Теплоизолирующее покрытие, преимущественно для элементов и/или узлов камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания, содержащее, по меньшей мере, один предыдущий слой и слой, обращенный в камеру сгорания, отличающееся тем, что предыдущий слой и слой, обращенный в камеру сгорания, выполнены с показателем поглощения не более 2 (1/м), предыдущий слой выполнен оптически неоднородным, а слой, обращенный в камеру сгорания, оптически однородным с предельно большим для конкретного материала значением пропускательной способности в видимом и/или ближнем ИК-диапазонах длин волн и коэффициентом теплопроводности большим, чем у предыдущего слоя.

2. Покрытие по п.1, отличающееся тем, что предыдущий слой выполнен с показателем рассеяния в интервале 10-100 (1/м).

3. Покрытие по п.1, отличающееся тем, что слой, обращенный в камеру сгорания, выполнен с предельно большим для конкретного материала значением излучательной способности в среднем и/или дальнем ИК-диапазонах длин волн.

4. Покрытие по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что предыдущий слой керамический, а слой, обращенный в камеру сгорания, выполнен путем остекловывания предыдущего керамического слоя.