Studio sperimentale e di simulazione su pistone in lega di alluminio basato su rivestimento a barriera termica

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 10991 (2022) Citare questo articolo

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I rivestimenti a barriera termica (TBC) hanno una bassa conduttività termica, riducendo efficacemente la temperatura della matrice metallica e migliorando le prestazioni termiche, la resistenza agli urti e le prestazioni di combustione del pistone. In questo studio, come oggetto di ricerca è stato scelto un motore diesel common rail ad alta pressione fuoristrada. In combinazione con i risultati dei test del campo di temperatura del pistone alle condizioni di potenza nominale e coppia massima, è stato stabilito un modello di simulazione a elementi finiti del pistone con rivestimento a barriera termica. Questo modello ha consentito di analizzare le caratteristiche di distribuzione e le leggi di variazione del campo di temperatura, delle sollecitazioni e della deformazione del rivestimento della barriera termica sulla matrice del pistone. I risultati mostrano che la temperatura massima del pistone TBC è inferiore del 12,2% e del 13,73% rispetto a quella del pistone in lega di alluminio rispettivamente nelle condizioni di potenza nominale e coppia massima. Le sollecitazioni termiche del pistone TBC nella parte superiore della cavità erano inferiori del 25,9% e del 26,8% rispetto a quelle del pistone in alluminio, mentre lo stress di accoppiamento termo-meccanico del pistone TBC era leggermente superiore a quello del pistone in alluminio: 1,2 MPa. e 3,7 MPa nel fondo della camera di combustione con mutazione geometrica, rispettivamente. La deformazione termica radiale del pistone TBC è stata inferiore di 0,067 mm e 0,073 mm rispetto a quella del pistone in alluminio, mentre anche la deformazione radiale dell'accoppiamento termo-meccanico è diminuita rispettivamente di 0,069 mm e 0,075 mm. La deformazione termica radiale del pistone nella direzione parallela all'asse del foro stenopeico era maggiore di quella nella direzione perpendicolare all'asse del foro stenopeico; la differenza nell'entità della variazione provoca una deformazione termica irregolare del pistone.

I motori diesel vengono continuamente sviluppati per migliorarne la durata, la leggerezza, la compattezza e le capacità di basse emissioni. Di conseguenza, la velocità del calore rilasciato, la temperatura e la pressione all'interno del cilindro sono aumentate in modo significativo, peggiorando l'ambiente all'interno del cilindro1,2,3,4. Il pistone, il componente principale all'interno del cilindro di un motore diesel, è soggetto a shock termici crescenti, che ne incidono notevolmente l'affidabilità e la durata. I rivestimenti a barriera termica (TBC) forniscono un eccellente isolamento termico e sono utili per l'antierosione, la resistenza agli shock termici e la resistenza all'ossidazione ad alta temperatura5,6. Nelle pratiche ingegneristiche, queste caratteristiche possono influenzare in modo significativo il trasferimento di calore tra il substrato di lavoro e l'ambiente ad alta temperatura, influenzando così la resistenza strutturale e la durata a fatica del substrato di lavoro7,8. Il TBC sulla parte superiore del pistone può ridurre efficacemente la temperatura nella parte superiore del pistone e migliorare significativamente la combustione, le prestazioni termiche e la resistenza del motore ai colpi9.

Con il rapido sviluppo della tecnologia di preparazione del TBC, sono state condotte ricerche sui pistoni con TBC con diversi studi che indagano l'influenza dei TBC sulle prestazioni dei motori a combustione interna. Già negli anni '80, Morel et al.10,11 hanno condotto una valutazione tramite modello numerico del pistone e della testa di un motore diesel per carichi pesanti. Il pistone è stato rivestito con un rivestimento di spruzzatura al plasma di zirconio (ZPS) da 1,5 mm. È stato riscontrato che l'efficienza termica del motore aumenta di circa il 5%. Taymaz12 ha dimostrato che i TBC migliorano l'efficienza termica dei motori diesel, riducendo così il consumo di carburante a velocità e carichi diversi. Toyota ha proposto un nuovo concetto di isolamento termico in una camera di combustione nota come Thermo-Swing Wall Insulation Technology (TSWIN). Un nuovo materiale isolante, alluminio anodizzato poroso rinforzato con silice (SiRPA), con bassa conduttività termica e bassa capacità termica volumetrica, è stato sviluppato e applicato alla superficie superiore del pistone, con conseguente riduzione della perdita di calore senza sacrificare le prestazioni del motore, migliorando così la efficienza termica13,14,15,16.