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涂层对活塞性能的增强应用

涂层对活塞性能的增强应用 CERADIR先进陶瓷在线
2019-10-25
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导读：活塞顶涂层是种性价比较高的性能增强方案，可有效提高引擎的燃烧效率、马力，增强其机械寿命。

版权声明：版权归©Babcox Media, Inc.所有，原文名系《Crowning Glory – Coatings Make Great Pistons Even Better》，本文系意译原文，略有修改。CERADIR™先进陶瓷在线致力于全球先进陶瓷产业的推广和普及。如对原文感兴趣，欢迎订阅ENGINE BUILDER MAGAZINE。

塞顶涂层是种性价比较高的性能增强方案，可有效提高引擎的燃烧效率、马力，增强其机械寿命。

高性价比的解决方案
俗言道，内燃机引擎对于热衷于机械的工程师而言是爱恨交加的，当我们去了解其运作原理时，其本质是个空气泵。若要准确地描述，活塞靠热量运转，通过在燃烧室内燃烧燃料产生能量，压力推动活塞运动。但所有活塞式内燃引擎都有个通病，即燃料中的实际内能损耗较高，仅有部分能量被有效转化为机械能。（CERA君注：燃油机的能量损耗主要存在于做工冲程，一般而言汽缸散热损失占约25%，废弃带走的能量占30%，机械损耗占10%，目前全球热效率最高的汽油机是丰田的混合动力Dynamic Force Engine 2.5升自吸发动机，其热效率为41%。）内燃机引擎作为被设计来最大限度榨取燃料能量的动力装置，这着实颇为讽刺。一般而言高性能引擎在设计最高功率输出时，即便不考虑油耗其热效率也将损失多达75%。
在理想状态下所有损失的能量会留存在燃烧室内。然而实际上一半的热能会直接从排气口排出（CERA君注：以丰田技术为例，通过采用类似EGR废弃循环技术控制氮氧化物的排放），另一半热能最终会传递向气缸盖、气缸壁和活塞顶部。而在此燃烧循环中最关键的阶段发生在活塞向上运动，活塞顶部接近最高点时，即温度和压力处于峰值。此时只有一小部分气缸孔暴露，燃烧室内的燃料能量直接冲击活塞顶推动活塞运动，从而实现内能到机械能的转变。
这种爆燃是活塞零部件使用寿命的克星（CERA君注：在汽修领域，活塞的非正常损坏中活塞顶烧伤是常见情况。这是由于发动机长时间在超负荷工况下或强烈爆燃条件下运转，造成活塞顶或侧面局部或大面积熔化），特别是在赛车竞赛中，超大马力的爆燃冲击和氮氧化物会使活塞零部件产生退火现象，从而降低材料硬度使其失去结构的完整性，这个现象在赛车竞速中尤为明显。而活塞顶陶瓷涂层则可明显改善该现象，此次来自JE PISTONS的产品经理Nick DiBlasi会在下文进行介绍。
理论上有三种热量的传递方式：对流、传导和辐射。对流是指空气、水或其它流体在流体内部通过较热部分传递到较冷部分时发生的热量传递情况；（热）传导是热量直接流过固体（即在物质不转移的情况下，分子、原子间相互碰撞产生动能的转移，从高温区向低温区传递）；而辐射则是能量通过波的形态加热（能量以波的形态从辐射源向所有方向直线放射）的过程，就像日晒在你的皮肤上那样。
当热量传递至活塞时，三种热量传递的方式都在不同程度地做功：热气体在燃烧室中旋转，产生滚流现象；发射出的热量被活塞顶不断吸收；热量最终通过传导向外传递，其中部分能量最终传递至内环、机油、气缸壁。
“陶瓷涂层涂覆于活塞顶部时，起到反射热量的作用，将活塞吸收到的热量程度降至最低。” Nick DiBlasi解释道，“反射的热量从一开始就没有多少机会使活塞升温，从而提供了第一道防线。”
“除了反射，陶瓷的材料特性限制了能量在一般工况下的温度传导率。”他继续说道，“涂层涂覆在热量的传递路径上，在涂层材料和活塞顶部之间的接合处，即使它很稀薄也提供了一个有效的隔热阈值，减少热量传递到活塞零部件上。”
说到涂层稀薄，那么在涂覆过程中覆盖了多厚的陶瓷涂层呢？根据Nick DiBlasi透露的说法陶瓷涂层通常以0.005（英寸）涂覆在活塞顶部以获得最佳性能。做个比较，发丝在0.006~0.002（英寸，合0.15~0.05毫米）左右，复印纸厚度大约0.004（英寸，80克双铜复印纸的厚度是0.06毫米），铝箔纸的厚度约0.008（英寸）。因此其实陶瓷涂层涂覆在活塞顶部时，对表面增加的厚度几乎可以忽略不计，可以与各类圆形或蝶形的活塞兼容，亦可和不同型号引擎的进气道兼容（而不会阻碍进气效率）。Nick DiBlasi说：“由于陶瓷涂层以0.0005（英寸）涂覆，我们完全不需要对活塞结构进行调校。”
不同于其它活塞定制件和升级组件，陶瓷涂层适用性广。“宽泛的适用性是陶瓷涂层最大的优势之一。” Nick DiBlasi介绍道：“JE Pistons已经将陶瓷涂层成功应用在各项活塞强化方案案例中，”这些实例包括了活塞的压力感应、N2O氮气加速、自吸强化，并尝试用各类燃油进行测试，以确保各车队客户提出的各种要求。“
目前陶瓷涂层已广泛应用在北美的竞速赛道上。

【声明】内容源于网络
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