کاربرد پوشش های سرامیکی در موتورهای احتراق داخلی (2)

یک بررسی موردی: اثر ایتریا بر روی پوشش های ایجاد شده بر روی سطح محفظه ی احتراق بر روی کارایی و میزان انتشار گازهای آلاینده در موتورهای دیزلی مجهز به توربوشارژر
در این مطالعه، اثرات پوشش های سرامیکی ایجاد شده در محفظه ی احتراق یک موتور دیزلی مجهز به توربوشارژر بر روی کارایی و میزان انتشار گازهای آلاینده مورد بررسی قرار گرفته است. افزایش انرژی مکانیکی با جلوگیری کردن از اتلاف حرارتی و کاهش نیاز به سرمایش، احتراق را بهبود داده است. این کار بواسطه ی افزایش دمای محفظه ی احتراق و کاهش زمان تأخیر جرقه زنی، انجام می شود. همچنین در موتورهای مجهز به توربوشارژر، با افزایش دمای گازهای خروجی از اگزوز و کاهش میزان تولید کربن مونوکسید و دوده، توان بیشتری بدست می آید. به منظور نیل به این هدف، سری سیلندر، ورودی و شیرهای اگزوز و پیستون موتور با استفاده از یک پوشش زیرکونیایی به ضخامت 5/0 میلی متر، پوشش داده می شوند (با استفاده از روش رسوب دهی با اسپری پلاسمایی). سپس، موتور تست می گردد. نتایج بدست آمده از بخش تجربی با استفاده از نرم افزارهای کامپیوتری تحت آنالیز قرار می گیرد و این داده ها به صورت نمودار نشان داده می شوند. به طور خلاصه باید گفت، مصرف سوخت به میزان 5-9 % کاهش می یابد، انتشار گاز مونوکسید کربن به میزان 5 % کاهش می یابد و میزان تولید دوده نیز به مقدار 28 % کاهش می یابد. با وجود این مزیت ها، در این حالت، میزان اکسید نیتروژن 10 % افزایش می یابد. با توسعه ی کاتالیزورهای اگزوز، امروزه مسئله ی اکسید نیتروژن، مسئله ی جدی نیست. وقتی نتایج به طور کلی مورد بررسی قرار گرفت، این نتیجه گیری شد که کارایی موتور با استفاده از پوشش های زیرکونیایی بهبود می یابد.

ستاپ تجربی

ادوات مورد استفاده در اندازه گیری، کالیبراسیون آنها و شرایط عملیاتی آنها اثر قابل توجهی بر روی نتایج تجربی دارد. ویژگی های موتور در جدول 1 نشان داده شده است. آزمایشات با استفاده از موتورهای احتراق داخلی موجود در آزمایشگاه دانشگاه Gazi ترکیه (دانشکده ی آموزش فنی) انجام شده است. بررسی های سطح مقطعی انجام شده بر روی موتور در شکل 1 نشان داده شده است. یک مدل جامد از ستاپ تجربی نیز در شکل 2 نشان داده شده است.
وسایل اندازه گیری هم برای تعیین مقادیر گازهای آلاینده ی آزاد شده و هم بررسی خواص کارایی موتور، مورد استفاده قرار گرفته است. تصاویر این وسایل در شکل 3 نشان داده شده است. ستاپ تجربی شامل واحدهای اساسی مانند نیروسنج های ترمز هیدرولیک، برق خنک کننده برای خنک کردن موتور، دستگاه اندازه گیری میزان مصرف سوخت و پروب های فشار سنج و صفحه ی کنترل می باشد.
موتورها بوسیله ی نیروسنج هیدرولیکی که به موتور متصل شده است، تحت سنجش قرار می گیرند. شکل 4 موتوری را نشان می دهد که تحت آزمون قرار گرفته است. علاوه بر این، وسایل اندازه گیری میزان سرعت شار نیز در این سیستم مورد استفاده قرار گرفته است تا بوسیله ی آن میزان هوا و مواد خنک کننده ی وارد شده به سیستم، اندازه گیری شود.
وسیله ی اندازه گیری جریان آب که در این آزمایشات مورد استفاده قرار گرفته است از نوع Go-Power M5000 بوده است. یک مانومتر در این وسیله قرار داده شد که این بخش دارای یک شیشه ی مدرج با اندازه گیری 0 تا 75 میلی متر بود. برای آزمایشات انجام شده، یک نازل 75/2 اینچی به ورودی دمپر متصل شده است. برای اندازه گیری مقدار سوخت ترجیح داده شد تا از یک ترازوی دیجیتال با دقت 1/0 گرم و ظرفیت ماکزیمم 8 کیلوگرم استفاده شده است. برای گازهای آلاینده ی انتشار یافته، دو وسیله ی اندازه گیری گاز مختلف در طی آزمایشات استفاده شده است (شکل های 2 و 3). برای اندازه گیری کربن مونوکسید، کربن دی اکسید، اکسیدهای نیتروژن، اکسیژن و اکسیدهای گوگرد در حد ppm و میلی گرم بر متر مربع، دستگاه آنالیز گاز خروجی با مارک Gaco-SN استفاده شده است. با استفاده از این داده ها، امکان محاسبه ی بازده احتراق و بازده هوای اضافی، وجود دارد. برای تعیین میزان دود موجود در نمونه ی گازهای انتشار یافته، می توان از وسیله ی اندازه گیری انتشار گاز دیزل نوع OVLT-2600 استفاده کرد. این وسیله می تواند مقدار دود را به عنوان فاکتور k و درصد، اندازه گیری کند. گستره و دقت اندازه گیری OVLT-2600 در جدول 2 آورده شده است.
دماسنج با دقت ℃ 1 که دارای درجه بندی تا ℃ 130 است مورد استفاده قرار گرفته است. همچنین از فشار سنج برند Precision استفاده شده است که گستره ی اندازه گیری بین 710 تاmmHg 800 بوده است. یک کرنومتر با دقت 01/0 ثانیه برای اندازه گیری سرعت مصرف سوخت، استفاده شده است.

روش تجربی

برای تعیین اثرات پوشش سرامیکی بر روی کارایی و انتشار گازهای آلاینده از موتورهای دیزل مجهز به توربوشارژر، نیازمند مقادیر استاندارد شاخص های کارایی، هستیم. برای این هدف، موتور تست بدون پوشش سرامیکی و با توجه به استاندارد شماره ی 1231 ترکیه، کار کرده و نتیجه ی حاصله، اندازه گیری شده است. پوشش های سرامیکی بعد از انجام این آزمایشات تست، اعمال شده است. سری های سیلندر، بخش فوقانی پیستون و شیرهای ورودی و خروجی سوخت و گازهای آلاینده، به میزان 5/0 میلی متر ماشین کاری شده است. این ماشین کاری بعد از ایجاد پوشش سرامیکی نیز به برای ایجاد دقت ابعادی مورد نظر، اعمال شده است. پوشش سرامیکی با استفاده از روش پوشش دهی اسپری پلاسمایی اعمال گردید.
مهم ترین بخش پوشش در این موتور، پیستون ها هستند. علت این موضوع، نرخ انبساط حرارتی متفاوت پوشش و پیستون ها می باشد. در این کار از زیرکونیای پایدار شده با ایتریا و پوشش سیلیکون نیترید استفاده شده است. در سری های سیلندر و شیرهای خروجی و ورودی، زیرکونیای پایدار شده با منیزیا می تواند به خوبی مورد استفاده قرار گیرد. یکی دیگر از استفاده از پوشش های سرامیکی، ترکیب لایه ی اتصال دهنده می باشد. دوام پوشش با اعمال لایه ی اتصالی NiCrAlY افزاش می یابد.
سطوحی که پوشش دهی شدند، به خوبی تمیزکاری شده بودند و تمامی کثیفی های ایجاد شده بر روی آنها از بین رفته بودند. بعد از ماشین کاری، سطح با استفاده از عملیات سندبلاست برای پوشش دهی، آماده شد. وقتی آماده سازی سطحی انجام شد، یک لایه ی با ضخامت 15/0 میلی متری از جنس NiCrAlY و یک لایه ی 35/0 میلی متری از جنس مواد سرامیکی، بر روی سطح اعمال گردید. کاهش ناپایداری حرارتی میان لایه ی پوشش و سطح هدف، با اعمال لایه ی اتصال دهنده، کاهش می یابد. از این رو، ریسک شکست لایه ی سرامیکی، کاهش می یابد. در شکل 5 سری های پیستون را می توانید مشاهده کنید. شکل 6 شامل دو شکل مختلف است که نشاندهنده ی سری های سیلندر و شیرها، قبل از پوشش دهی و بعد از پوشش دهی است.

مواد سرامیکی مورد استفاده برای ایجاد پوشش:

توالی پوشش برای شیرهای اگزوز و سری سیلندر از یک پوشش NiCrAl با ضخامت 15/0 و یک پوشش زیرکونیایی پایدارشده با ایتریا با ضخامت 35/0 تشکیل شده است.
توالی پوشش برای سری های پیستون از یک پوشش NiCrAlY با ضخامت 15/0 و یک پوشش زیرکونیایی پایدار شده با ایتریا با ضخامت 35/0 تشکیل شده است.
بعد از فرآیند پوشش دهی، قطعات پوشش کاری شده ی موتور در موتور قرار داده شدند. این موتور نیز مانند موتور تست، آماده سازی گردید. اندازه گیری های تجربی از طریق نرم افزار MS Excel و Matlab v6.5 مورد ارزیابی قرار گرفت.
در موتورهای دیزلی، توان خروجی، گشتاور و میزان مصرف سوخت، با توجه به سرعت موتور، خصوصیت های موتور نامیده می شود. در نمودارهای ارائه شده، تغییر در این خصوصیت ها در بارهای اعمالی مختلف و سرعت های موتور مختلف، ترسیم شده است. این نمودارها به عنوان نمودارهای شاخص در نظر گرفته می شود. نمودارهای شاخص موتور اطلاعات مهمی در مورد کارایی موتور در زمان های حقیقی کار، به ما ارائه می دهد. اندازه گیری های تجربی همواره داده هایی مد نظر ما را مهیا نمی کنند. این داده ها باید با استفاده از اندازه گیری های تجربی، محاسبه شوند. اندازه گیری های تجربی عموما از گشتاور، سرعت تغییر موتور، مصرف سوخت، نرخ تغییر جریان هوا، نرخ جریان مواد سرد کننده، دمای، فشار و میزان رطوبت، دمای گازهای خروجی از اگزوز، دمای ورودی مواد خنک کننده و دمای خروجی این مواد، تشکیل شده اند. مهم ترین شاخص های مربوط به کارایی که با استفاده از این اندازه گیری ها، بدست می آیند، عبارتند از توان مؤثر، گشتاور، فشار مؤثر متوسط و مصرف سوخت ویژه، می باشد.
در طی آزمایشات، تنظیم شیرهای ورودی و خروجی با توجه به کاتالوگ موتور، انجام شده است و فشار انژکتور برابر با 200 بار بوده است. حلقه های پیستون تعویض گردید. برای اندازه گیری ترکیب گاز خروجی، لوله ی اگزوز بعد از فاصله ی 1 متری، سوراخ شد و از این سوراخ، گاز خروجی مورد آنالیز قرار گرفت. این کار با قرار داده شدن پروب در داخل این سوراخ انجام شد. آزمایشات در 10 سرعت مختلف موتور انجام شد (بین 1100 rev/min و 2800 rev/min). همچنین بارهای ترمزی مختلف بین 40 Nm تا ماکزیمم، تغییر کرد.
نقاط اندازه گیری دارای سرعت های 1100، 1200، 1400، 1600، 1800، 2000، 2200، 2400، 2600، rev/min 2800 و بار ترمز 40، 80، 120، 160، 200، 240 و بار ماکزیمم، بود. در این مطالعه، به دلیل تعدد داده ها، تنها داده های مربوط به بارهای ترمز 40، 120، 200 و بار ماکزیمم، ارائه شده است.
دو محفظه ی احتراق پوشش داده شده ی با مواد سرامیکی اشاره شده در بالا، با محفظه ی بدون پوشش مقایسه گردیده است. در مورد اول، تنها سری های سیلندر و شیرهای خروجی اگزوز پوشش کاری شده بودند. این پیکربندی با استفاده از نماد SKM1 در گراف ها نشان داده شده است. در مورد دوم، سری های پیستون نیز پوشش داده شده اند بنابراین، کل محفظه ی احتراق در پیکربندی دوم، پوشش دهی شد. این پیکربندی نیز با استفاده از نماد SKM2 نشان داده شده است. سه نمودار کارایی ابعادی بدست آمده در این مطالعات، مورد ارزیابی قرار گرفته است و این فهمیده شده است که سه ناحیه وجود دارد:
ناحیه ی با با ر کم، سرعت کم
ناحیه ی با بار بالا، سرعت کم
ناحیه ی با بار کم، سرعت بالا
ناحیه ی با بار بالا، سرعت بالا
یک طرح اولیه از این نمودار در شکل 7 نشان داده شده است. با نگاه به این نمودار، می توان این نواحی را ببینید. قبل از انجام آزمایش، موتور در بارهای اعمالی متوسط و کم گرم شد تا بدین صورت، حالت پایدار در این وضعیت، ایجاد شود.

نتایج تجربی

در شکل 8 و 9، مصرف سوخت موتور SKM1، SKM2 و استاندارد مورد مقایسه قرار گرفته است. در تمام موتورها، میزان مصرف سوخت با تغییر بار اعمالی و سرعت موتور، تغییر کرده است. این تغییر در شکل 10 نشان داده شده است. برای نقاط اندازه گیری با بار اندک مانند بار 40، 120 وNm 200، نمودار میزان مصرف سوخت برای تمام موتورها، به ترتیب در شکل های 11، 12 و 13 نشان داده شده است. در ناحیه ی اول نقشه ی کارایی ابعادی مصرف سوخت، این نشان داده شده است که میزان مصرف سوخت در موتور SKM1 به میزان 5/4 و در موتور SKM2 به میزان 9% کاهش سوخت داشته ایم. این اشکال نشاندهنده ی این است که با عایق کاری محفظه ی سوخت، میزان مصرف سوخت کاهش می یابد. این کاهش در گشتاورهای پایین و متوسط موتور، نیز مشاهده می شود. به عبارت دیگر، در گشتاورهای بالا و سرعت های موتور بالا، مصرف سوخت میزان مصرف سوخت در موتورهای دارای پوشش سرامیکی، با یک رویه ی آرام تر، کاهش می یابد.
در زمینه ی میزان مصرف سوخت، در ناحیه ی دوم، بهترین نتایج ایجاد شده است. در سرعت های موتور در گستره ی 1100 تا rev/min1800 و گشتاورهای در گستره ی 160 تا Nm200، میزان مصرف سوخت موتور استاندارد برابر با g/kWh 220 است در حالی که این میزان در موتورهای SKM1 و SKM2 به ترتیب 210 و g/kWh 200 می باشد.
شکل 14 و 15 نشاندهنده ی افزایش دمای گاز خروجی از اگزوز در موتورهای SKM1 و SKM2 نسبت به موتور استاندارد است. در ناحیه ی سوم، تفاوت میان دمای گازهای خروجی از اگزوز میان موتور استاندارد و موتور دارای پوشش سرامیکی، به نسبت بالاست.
می توان این نتیجه گیری را کرد که استفاده از پوشش های سد حرارتی ممکن است بازده حجمی را کاهش دهد. که این مسئله به دلیل افزایش دمای داخل سیلندر انجام می شود. اگرچه دمای گازهای خروجی اگزوز و دمای دیواره ی سیلندر به حدی بالاست که می تواند این اثر را ایجاد کند، توربوشارژر فرصت خوبی در برای این افزایش فراهم ساخته است. شکل 16 نشاندهنده ی تغییر بازده حجمی پیکربندی موتور در سرعت های موتور و بار ترمز ماکزیمم است. به همین روش، شکل 17، 18 و 19 به ترتیب نشاندهنده ی تغییر بازده حجمی در بارهای ترمزی 40، 120 وNm 200 می باشد.
در موتور های دارای پوشش سرامیکی نسبت به موتور استاندارد، توان خروجی موتور به میزان 1 تا 3 % و گشتاور نیز به میزان 5/1 تا 5/2 % افزایش می یابد. این مشاهدات می تواند در نمودار شکل 20 (برای توان موتور) و شکل 21 (برای گشتاور در حالت بار ماکزیمم) دیده شود.
در شکل 22، شار حرارت انتقال یافته از موتور به مواد خنک کننده در سرعت های موتور مختلف، نشان داده شده است (برای تمام پیکربندی های موتوری و در بار اعمالی ماکزیمم). در اشکال 23، 24 و 25، همان نمودار برای حالت های باری 40، 120 و Nm 200 نشان داده شده است. در همه ی موتورها، شار حرارت انتقال یافته به مواد خنک کننده، با افزایش سرعت موتور، افزایش می یابد. به هر حال، درصد این شار نسبت به کل حرارت انتقال یافته، کاهش می یابد. این نتایج با نتایج بدست آمده بوسیله ی Wallace و همکارانش (1979 و 1984) تطابق دارد. نتایج تجربی نشاندهنده ی این است که شار حرارت در موتورهای دارای پوشش سد حرارتی، به میزان 19 % کاهش یافته است.
بخشی از حرارت ایجاد شده بوسیله ی احتراق، نه به انرژی مکانیکی تبدیل می شود و نه به ماده ی سردکننده، وارد می شود. این حرارت بوسیله ی گاز اگزوز خارج می شود. درصد انرژی موجود در گاز خروجی از اگزوز به طور عکس با شار حرارتی ماده ی سردکننده، قابل مقایسه است. با توجه به نتایج تجربی، انرژی حرارتی که به گازهای خروجی از اگزوز انتقال می یابد، به میزان 5/17 % افزایش می یابد. تغییرات انرژی حرارتی گاز خروجی از اگزوز با سرعت موتور در هنگام اعمال بار ماکزیمم، 40 وNm 120 به ترتیب در شکل های 26، 27، 28 و 29 نشان داده شده است.
یکی از گازهای مخرب منتشر شده از موتورهای دیزل، اکسید نیتروژن است. اکسیدهای نیتروژن خارج شده از موتور، عموما در دمایی بیش از ℃ 1800، تولید می شوند. مقدار دمای ماکزیمم در طی احتراق می تواند در موتورهای با پوشش سرامیکی، به دمایی در حدود 150 تا ℃ 200 برسد. دماهای سیکلی بالا می تواند میزان انتشار اکسیدهای نیتروژن را به میزان 10 % نسبت به موتورهای معمولی، بالا ببرد. شکل 30 و 31 انتشار اکسید نیتروژن از موتورهای SKM1 و SKM2 را نشان می دهد.
در موتورهای دیزل استاندارد، نسبت مخلوط سوخت و هوا با توجه به شرایط بارگذاری و سرعت نوسانی موتور، تغییر می کند به گونه ای که موتورها معمولا در حداقل میزان مصرف سوخت کار می کنند. در این شرایط، کربن مونوکسید به کربن دی اکسید تبدیل می شود. علت این مسئله این است که میزان قابل توجهی اکسیژن در داخل محفظه ی احتراق، وجود دارد. در موتورهای با پوشش سرامیکی، انتشار گاز مونوکسید کربن به میزان 5 الی 10 % کاهش می یابد. این مسئله به دلیل افزایش دمای محفظه بوجود می آید. شکل 32 تا 35 تغییر در انتشار گاز مونوکسید کربن را با تغییر سرعت موتور و در بارهای اعمالی ماکزیمم، 40، 120 و Nm 200 را نشان می دهد.
در موتورهای احتراق داخلی، میزان دود ایجاد شده را با استفاده از فاکتور k مورد ارزیابی قرار می دهیم. از آنجایی که موتورهای دیزل دارای مشکلات انتشار دود هستند، اثرات پوشش سد حرارتی بر روی میزان انتشار دود باید مورد ارزیابی قرار گیرد. به طور مشابه برای جلوگیری از انتشار گاز، شکل 36 تا 39 تغییرات در فاکتور k را با توجه به تغییرات سرعت موتور در هنگام اعمال بار ماکزیمم، 40، 120 وNm 200، نشان می دهد. وقتی شکل ها را مورد بررسی قرار دهیم، این مشاهده می شود که فاکتور k با افزایش سرعت موتور، کاهش می یابد. این مسئله به دلیل بهبود احتراق در محفظه بوجود می آید که این بهبود نیز به افزایش دما وابسته است. از این رو، میزان انتشار دوده در این موتورها 18 % کاهش یافته است.

نتیجه گیری

در این کار، تغییرات در کارایی موتور در یک موتور دیزلی 4 سیلندره مجهز به توربوشارژر مورد بررسی قرار گرفته است. محفظه ی احتراق این موتورها بوسیله ی مواد سرامیکی پوشش دهی شده بودند.
به دلیل انبساط حجمی مختلف میان پوشش و فلز مورد استفاده در ساخت محفظه ی احتراق (آلیاژ سیلسیسیم – آلومینیوم)، برخی مشکلات در استفاده از این پوشش ها بوجود می آید. برای جلوگیری از بروز یک چنین مشکلی، از یک لایه ای اتصال دهنده ی با ضخامت 15/0 میلی متر از جنس NiCrAlY استفاده شده است. در این تحقیق از زیرکونیای پایدار شده با ایتریا به عنوان پوشش سرامیکی استفاده شده است.
یک کاهش 5/4 تا 9 درصدی در مصرف سوخت، نتیجه ای از استفاده از این پوشش ها می باشد. این یافته ها با مقالات انتشار یافته در این زمینه، تطابق دارد. برای مثال، Coers و همکارانش (1984) میزان 14 %، Badgley و همکارانش (1990) میزان 5 %، Havstad و همکارانش (1986) میزان 4-9 % و Leising و همکارانش (1978) میزان 6 % را برای کاهش مصرف انرژی در موتورهای با پوشش سد حرارتی، گزارش داده اند.
مطالعات تجربی کنونی نشان داده است که بازده حجمی در بارهای اعمالی و سرعت موتور کم، اندکی افزایش می یابد؛ در حالی که این بازده در بارهای اعمالی و سرعت موتور متوسط، افزایش قابل توجهی پیدا می کند. در شرایط اعمال بار و سرعت متوسط، میزان افزایش بازده حجمی بین 1 تا 4/2 % است.
در همه ی شرایط کاری، پوشش های سرامیکی مورد استفاده موجب افزایش دمای گازهای خروجی از اگزوز می شود. دمای گازهای خروجی از اگزوز در موتورهای با پوشش سرامیکی، نسبت به موتور بدون پوشش150 تا 200 درجه افزایش می یابد. این افزایش 7 تا 20 % دمای مربوط به موتور بدون پوشش است. وقتی یک توربین به این سیستم اضافه شود، این انرژی اضافی می تواند به انرژی مکانیکی تبدیل شود.
شار حرارت منتقل شده به ماده ی خنک کننده، نیز به میزان 19 % کاهش یافته است. این مسئله می تواند به ما این نوید را بدهد که امکان کاهش اندازه ی سیستم خنک کننده، وجود دارد. کاهش اندازه ی سیستم خنک کننده، می تواند مصرف انرژی مکانیکی را کاهش داده و علاوه بر این موجب کاهش وزن موتور شود.
انتشار گاز مونوکسید کربن برابر با 12 % بوده است و همچنین میزان دوده ی تولیدی نیز به میزان 28 % کاهش یافته است. به هر حال، میزان تولید اکسیدهای نیتروژن در این موتورها 20 % افزایش یافته است. در مقالاتی که به بررسی اثر پوشش های سد حرارتی بر روی کارایی موتورهای احتراق داخلی اختصاص یافته اند، کاهش مونوکسید کربن و دوده مورد تأیید قرار گرفته است.
با توجه به مطالعات و تحقیقات انجام شده در این زمینه، نکات زیر فهمیده می شوند:
استفاده از سیستم های سد حرارتی متشکل از یک لایه ی NiCrAlY و پوشش سرامیکی زیرکونیای پایدار شده با ایتریا، برای پوشش دهی آلیاژهای آلومینیوم مناسب می باشد.
به دلیل اینکه قیمت زیرکونیای پایدار شده با ایتریا بالاست، بیشتر تحقیقات باید برای کاهش هزینه های این ماده باشد.
دیواره های سیلندر نیز باید برای کاهش میزان خروج حرارت، پوشش کاری شوند.
سیستم های انژکتور در موتورهای دارای پوشش سرامیکی، می تواند تنظیم گردد و بدین وسیله، میزان کارایی این سیستم ها بهبود می یابد.
سوخت های جایگزین می تواند برای موتورهای دارای پوشش سد حرارتی مورد بررسی و مطالعه قرار گیرد.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع می باشد.