بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، مطالعه کاربرد پوشش حائل حرارتی سرامیکی در موتورهای دیزلی، به منظور بهینهسازی مصرف انرژی ارائه شده است. برنامههای کشور برای کاهش مصرف انرژی و افزایش قیمت سوخت از یک سو و از سوی دیگر، کاربرد فراوان موتورهای دیزلی در صنایع کشور، میتواند بستر مناسبی در جهت اجرایی کردن طرح فوق، ایجاد نماید. بطور معمول، بازده حرارتی موتورهای دیزل، پایین است و لذا مقدار زیادی از انرژی سوخت، عملا به هدر میرود.
بنابراین، طراحی موتورهای پیشرفته با اتلاف حرارت کم، به دلیل مقررات سختگیرانه در زمینههای اقتصاد سوخت و میزان آلایندهها، بطور قابل توجهی، افزایش یافته است. نقش پوشش حائل حرارتی میتواند بازده حرارتی بالاتر، احتراق بهتر و کاهش آلایندگی میباشد. با استفاده از یک پوشش حائل حرارتی در محفظه احتراق میتوان میزان مصرف سوخت را کاهش داده و توان و گشتاور موتور را افزایش داد . همچنین، در اثر کاهش گرادیان دمای ماده اصلی - در اثر ایجاد یک پوشش با نقش عایق حرارت - ، تنشهای وارده به بستار - سرسیلندر - و سمبه - پیستون - کاهش یافته و درنتیجه طول عمر خستگی آن افزایش مییابد.
مقدمه
استفاده از تکنولوژی پوششدهی در موتورها، رو به افزایش است. افزایش سریع هزینههای سوخت، کاهش عرضه سوخت با درجه کیفیت بالا در بازار و نگرانیهای زیست محیطی، لزوم پژوهش در مورد موتورهای کارآمدتر با ویژگیهای اتلاف انرژی کمتر و آلایندگی کمتر را مشخص مینماید. یکی از عوامل خرابیهای معمول در موتورهای درونسوز با کاربرد تجاری و نظامی، می تواند ناشی از مشکل در سیستم خنک کاری باشد. بطور معمول، بازده حرارتی موتورهای دیزل موجود، به گونه ای است که بخشی از انرژی سوخت، هدر میرود که مربوط به آنتالپی گازهای خروجی و انتقال حرارت به مایع خنککننده میشود.
طراحی موتورهای پیشرفته با اتلاف حرارت کم - LHR - ، به همین علت، یعنی مقررات سختگیرانه در زمینههای اقتصاد سوخت و میزان مجاز آلایندهها، بطور قابل توجهی، افزایش یافته است. اما طراحی و توسعه موتورهای دیزلی با پاشش مستقیم و به جهت افزایش توان و کاهش اتلافات حرارتی، نیاز به دانش کاملی از احتراق درون سیلندر و ویژگیهای انتقال حرارت دارد.
این اطلاعات و البته تجزیه و تحلیل آنها، در طراحی موتور با بازده بالاتر، که معمولا در معرض تنشهای حرارتی شدیدتر و محدودیتهای مادی قرار دارند، مفید خواهد بود. هنر پوشش حائل حرارتی، ارائه پتانسیلی برای بازده حرارتی بالاتر موتور، احتراق بهتر و کاهش آلایندگی میباشد. علاوه بر این، سرامیکها، خواص سایش بهتری نسبت به مواد معمولی دارند. برای کاهش اتلاف حرارتی، میتوان از پوششدهی محفظه احتراق و مسیر اگزوز، برای کاهش و یا از بین بردن اتلافات انرژی، استفاده نمود.
ترمودینامیک موتور
ایده اصلی شامل ایجاد یک پوشش حائل حرارتی روی محفظه احتراق موتور شامل بستار - سرسیلندر - ، سمبه - پیستون - و دریچههای - سوپاپهای - هوا و دود میباشد. با توجه به قانون اول ترمودینامیک، هر انرژی که به مایع خنککننده انتقال داده نشود، برای تولید کار سمبه، مفید است. اتلاف حرارت کمتر از محفظه احتراق از طریق اجزای عایق شده - به عنوان مثال، با استفاده از پوشش حائل حرارتی سرامیکی - ، باعث افزایش انرژی مفید میگردد که مقدار کار درون سیلندر را افزایش میدهد و البته از انرژی گازهای خروجی، میتوان بهره بیشتری گرفت.
با توجه به قانون دوم ترمودینامیک، احتراقی که در درجه حرارت بالاتر رخ میدهد، کارآمدتر بوده و برگشتناپذیری، با افزایش درجه حرارت، کاهش مییابد. تلفات حرارت نیز، در نتیجه افزایش آنتالپی اگزوز، کاهش مییابد. این انرژی اگزوز اضافی، میتواند در توربین - توربوشارژر - مورد استفاده قرار گیرد. این کار، بازده کلی سیستم را بهبود میبخشد. در نتیجه، یک موتور دیزلی پوششدار، کارکرد بهتری نسبت به موتور معمولی دارد.
بطور کلی، امتیازات و ویژگیهایی که یک موتور دیزل آدیاباتیک در مقابل موتورهای معمولی دارد، شامل کاهش دمای دیواره سیلندر و افزایش توان، کاهش وزن موتور، بهبود اقتصاد سوخت، کاهش اتلافات و دود سفید، توانایی مصرف چند نوع سوخت، کاهش صدای ناشی از ضربات سمبه، بهبود قابلیت اطمینان و اندازه کوچکتر موتور میباشد.
استفاده از پوششهای ضخیم - ایجاد شده توسط روش پاشش حرارتی پلاسما - ، دارای معایبی است که شامل ضعیف بودن میزان چسبندگی پوششهای ضخیمتر از 0,5 میلیمتر، افزایش درجه حرارت دیوارههای محفظه احتراق و درنتیجه کاهش بازده حجمی و ایجاد مشکلات بیشتر در زمینه روغنکاری مناسب سمبه در نقطه مرگ بالا میباشد.
بطور معمول، رسوبات کربن در سطوح محفظه احتراق، دارای خواص حرارتی قابل مقایسهای با سرامیک هستند. اما در درجه حرارت بالاتر محفظه احتراق، کاهش میزان هیدروکربنهای نسوخته را میتوان انتظار داشت. در سوی دیگر، به دلایل مشابه، تولید نیتروژن و اکسید نیتریک - NOx - ، و تولید آلایندگی رو به افزایش است. اگرچه تحقیقات نشان میدهند که اکسید کربن - CO - ، هیدروکربنهای نسوخته - HC - و دوده کاهش مییابند.
گزارشات ضد و نقیضی در رابطه با اثر پوششهای حائل حرارتی بر میزان آلایندگی موتور وجود دارد. البته نتایج بدست آمده، به نوع موتور و شرایط آزمون بستگی دارد. ضمن اینکه، اندازهگیری درجه حرارت، شار حرارتی و میزان آلایندهها، دشوار است؛ چراکه خواص پروبهای حرارتی، غالبا با توزیع دما تداخل داشته و مواد استفاده شده برای ساخت آنها، میتواند فرآیند احتراق را تسریع بخشند.
خواص و نوع پوشش
پوششی که برای ایجاد عایق در مقابل حرارت در موتورهای دیزلی مورد استفاده قرار میگیرد، باید دارای خواصی همچون استحکام در برابر دمای بالا، ضریب انبساط حرارتی بالا، مشخصات اصطکاکی و سایش پایین، مقاومت بالا در برابر شوکهای حرارتی، چقرمگی شکست خوب، وزن سبک، دوام بالا و قیمت مناسب باشد. یکی از موادی که دارای خواص فوق است، سرامیک با پایه زیرکونیا میباشد که معمولا برای کاربرد در موتورهای دیزل و توربینهای گازی، مورد استفاده است.
بطور معمول، پوشش از دو لایه تشکیل میشود که شامل لایه میانی - چسب - و لایه فوقانی - سرامیک - است. هر دو لایه میتواند با استفاده از روش پاشش حرارتی پلاسما ایجاد میگردد. وظیفه لایه میانی ایجاد چسبندگی کافی بین ماده اصلی و لایه فوقانی بوده و لایه فوقانی سرامیکی همچون یک عایق حرارتی عمل میکند. معمولا لایه میانی شامل یک لایه پیوندی به نام MCrAIY که در آن حرف M، معرف نیکل و یا کبالت میباشد.
لایه فوقانی، از جنس اکسید زیرکونیای پایدار شده توسط ماده ایتریا - با 7 تا 8 درصد وزنی - تشکیل میشوند. لایه زیرکونیا، متخلخل و دارای ترکهای ریز است. در سیستمهای قبلی، از لایه پیوندی نیکل آلومینیوم و یا نیکل کرم، بهمراه زیرکونیای پایدار شده با کلسیم 5 - درصد وزنی - یا منیزیم 24 - درصد وزنی - استفاده میشد. اکسیدهایی از قبیل کلسیم، منیزیم و ایتریم، به عنوان پایدارکننده ساختمان کریستالی عمل میکنند و از تغییرات حجمی زیاد، در طی گرم شدن و سرد شدن قطعه پوششدار، جلوگیری میکنند.
لایههای میانی، اثر زیادی بر عمر پوشش حائل حرارتی دارند؛ زیرا عناصری مانند کرم و آلومینیم در دماهای بالا، پوستههای اکسیدی خیلی چسبنده تشکیل میدهند و شرایط لازم برای اتصال مکانیکی سرامیک به لایه میانی را فراهم میکنند. از زیرکونیا، به علت پایین بودن هدایت حرارتی و ضریب انبساط حرارتی بالا، همراه با کم بودن حساسیتهای حرارتی و پایداری شیمیایی زیاد در دماهای بالا، میتوان به عنوان پوشش اصلی - لایه فوقانی - استفاده کرد. همچنین، سرامیکهایی مانند زیرکونیا، خواص سایش بسیار مناسبی از خود نشان میدهند. مشخص است که عمر پوششهای حائل حرارتی به دو عامل محدود میشود که یکی، عدم تطابق ضریب انبساط حرارتی بین لایه میانی، خود پوشش و ماده اصلی و دیگری، اکسیداسیون لایه میانی پوشش است.
روش پوششدهی
روش پاشش حرارتی، فرآیندی است برای نشاندن لایههای نازک از یک پوشان فلزی بر روی سطح مورد نظر که منجر به ایجاد خواص ویژهای بر روی سطح میشود. مواد اولیه مورد استفاده در این فرآیندها، به شکل پودر، سیم و یا میله میباشد. منابع انرژی - همچون پلاسما - ، مواد اولیه را به صورت ذوب شده و یا خمیری در آورده و در مرحله بعد، ذرات ماده پوششی توسط یک گاز خنثی - آرگون، هلیوم، ازت و یا مخلوطی از این گازها - سرعت داده شده و با شتاب، به سطح آماده شده قطعه، پرتاب میشوند. در اثر شتاب زیاد، در هنگام برخورد ذرات به سطح قطعه، بین ذرات و سطح، یک پیوند مکانیکی قوی بوجود میآید.
ذرات، در اثر برخورد به سطح قطعه، تغییرشکل داده و یک ساختار لایهای، که شامل یک لایه نازک متراکم محافظتی است، را تشکیل میدهند. استفاده از تکنولوژی پاشش حرارتی، دارای امتیازات متعددی نسبت به روشهای دیگر پوششدهی میباشد. یکی از مزایای اصلی فرآیند پاشش حرارتی، امکان ایجاد طیف گستردهای از پوششهای مواد مختلف روی بستر قطعه مورد نظر، میباشد. در حقیقت، تمام موادی را که بدون تجزیه شدن، قابل ذوب باشند، میتوان برای ایجاد پوشش به این روش، مورد استفاده قرار داد.
مزیت دیگر پوششدهی به روش پاشش حرارتی، آن است که در جریان عملیات اسپری حرارتی، قطعه عملا زیاد گرم نمیشود. لذا، اثرات مخرب گرمایی ناشی از گرم شدن قطعه، وجود ندارد. براساس این ویژگی، امکان ایجاد پوششهایی با نقطه ذوب بالا، بر روی قطعه، به روش پاشش حرارتی وجود دارد، بدون آنکه حرارت ورودی، باعث تغییر در خصوصیات ساختاری قطعه و یا پیچیدگی و تاب برداشتن آن گردد.
همچنین، امکان بازسازی پوششهای آسیب دیده، بدون تغییر در ساختار میکروسکپی و یا در ابعاد قطعه، از مزایای دیگر این روش میباشد. یکی از محدودیتهای این فرآیند، آن است که نقاطی از سطح، قابل پوشش دادن هستند که توسط نوک مشعل، قابل دیدن باشند. اما این محدودیت، با بهبود شکل و طراحیهای جدید تجهیزات پاشش حرارتی و با بکارگیری سیستمهای پیشرفته رباتیکی، تا حد زیادی برطرف شده است.
فرآیندهای پوششدهی پاشش حرارتی، بر اساس شکل ماده پوشان و منبع حرارتی مورد استفاده به روشهای مختلفی انجام میشود که یکی از آنها روش پلاسماست. در روش پاشش حرارتی پلاسما، یک گاز بیاثر از درون یک منطقه تخلیه الکتریکی میگذرد و تا دمای بسیار بالا - معمولا 10000 تا 20000 درجه سانتیگراد - گرم میشود.
پلاسما که سریعا در حال انبساط است، با فشار از درون یک نازل که مقابل سطح مقصد قرار گرفته است، با سرعتی بین 1200 تا 1500 متر بر ثانیه به بیرون رانده می شود. ذرات به درون پلاسما پاشیده و در آن گرم شده، شتاب میگیرند. چون پلاسما و ذرات هر دو داغ هستند، نیاز به گرم کردن سطح نیست. شماتیکی از یک تفنگ پلاسما، در شکل 1 آمده است.
پارامترهای فرایند پوششدهی در مراجع [2-1]، برای کاربردهای موتورهای دیزل، بهینهسازی شدهاند. براساس استحکام خمشی بیشینه، مقدار نرخ تغذیه پودر برابر با 30 گرم بر دقیقه و فاصله نازل پاشش تا سطح نمونه نیز برابر با 80 میلیمتر پیشنهاد شده است. ضخامت پوشش نیز براساس عمر خستگی شوک حرارتی، برابر با 500 میکرون اعلام شده است.
