Porous thermal barrier coatings for enhancing the efficiency of internal combustion engines

Abstract

Internal combustion engines have a key role in the social and economic advancement of modern society but also a significant contribution to greenhouse gas emissions. For these engines, to preserve their role, a higher efficiency, that dramatically reduces the environmental impact, is necessary. To achieve increased engine efficiency, a technical solution is to lower the heat losses in the combustion chamber. Among them, the heat losses to the pistons are the preferential route, due to their extensive impact on fuel consumption. In this paper, porous thermal barrier coatings with large pores were applied to the pistons of diesel engines to improve engine efficiency. Atmospheric Plasma Spray (APS) process and porosity former TBC feedstock were employed to obtain high porosity coatings with large pores. Scanning Electron Microscopy (SEM) was utilized to investigate the microstructure of the coating in coupons and pistons. The optical properties of the coatings were explored with two methods: the spectral normal hemispherical reflectivity at room temperature (SNHRRT) and spectral normal emissivity at high temperature (SNEHT). The coatings’ behavior under thermal cyclic conditions was assessed by Flame Rig Test. Microstructure analysis was also performed before and after the test to identify the failure mechanisms. The engine efficiency was evaluated by measuring the Indicated Specific Fuel Consumption (ISFC) in a single-cylinder engine test. The results showed that porous coating with large pores combined with a higher emissivity can withstand the engine environment well and have the potential to provide enhancements in engine efficiency.

Spalovací motory mají klíčovou roli v sociálním a ekonomickém pokroku moderní společnosti, ale také významný příspěvek k emisím skleníkových plynů. Pro tyto motory je nutná vyšší účinnost, která dramaticky snižuje dopad na životní prostředí, aby zachovala jejich roli. Pro dosažení zvýšené účinnosti motoru je technické řešení ve formě snížení tepelných ztrát ve spalovací komoře. Tepelné ztráty přes písty spalovacího motoru jsou jedním z hlavních způsobů tepelných ztrát. V tomto článku byly na písty dieselových motorů aplikovány porézní tepelné bariérové povlaky s velkými póry, aby se zlepšila účinnost motoru. Atmosférický plazmový nástřik (APS) struktury TBC byl použit k získání povlaků s velkou porezitou s velkými póry. Ke studiu mikrostruktury povlaku na vzorcích a reálných pístech byla použita skenovací elektronová mikroskopie (SEM). Optické vlastnosti povlaků byly sledovány dvěma metodami: spektrální normální hemisférická odrazivost při pokojové teplotě (SNHRRT) a spektrální normální emisivita při vysoké teplotě (SNEHT). Metoda Flame Rig Test byla použita pro hodnocení povlaků při tepelném cyklickém zatěžování. Analýza mikrostruktury byla provedena před a po tepelných zatěžováních s cílem identifikovat mechanismy selhání struktury TBC. Účinnost motoru byla hodnocena metodou Indicated Specific Fuel Consumption (ISFC) při testování motoru s jedním válcem. Výsledky ukázaly, že porézní povlak s velkými póry kombinovanými s vyšší emisivitou dokáže dobře vydržet prostředí motoru a má potenciál poskytnout zvýšení účinnosti motoru.