Effect of thermal barrier coating on temperature and stress distribution in diesel engine

The paper presents results of FEM investigations into the effect of thermal barrier coating (TBC) on stress and temperature distributions in the components of naturally aspirated diesel engine. Calculations were performed by means of Abaqus ver. 6.8-3 computer program. The considered coating was plasma sprayed double-layered TBC consisting 0.15 mm thick NiCrAl bond layer and 0.3 mm ZrO2-8%Y2O3 top coat. TBC reduced the maximum temperature of the cylinder head by 15K compared to uncoated metal head, increased temperature of the outlet channel by 10 K and reduced maximum temperatures in inlet and outlet valves by 2 and 1.2 K, respectively. Although maximum temperature of the pis ton head remained the same after deposition of the coating but the range of temperatures at the piston head was reduced by 23.8%. Application o f TBC considerably reduced stresses in acritical region of outlet valve- the interface of stellite hardfacing /valve. The highest thermal stresses in the TBC were in the bondcoat, which confirms the common localization of damages. Stress concentrations were also found in the metal part at the edges of TBC and at the edges of the recess machined in the piston head. The reduction of metal temperatures and thermal gradients in protected components should have some positive effect on the components' durability.

W pracy przedstawiono rezultaty badań numerycznych wpływu powłoki typu bariery cieplnej (TBC) na rozkład temperatur i naprężeń w elementach wolnossącego silnika ZS. Obliczenia numeryczne zostały wykonane przy pomocy programu Abaqus wer. 6.8-3. Rozważano natryskaną plazmowo powlokę dwuwarstwową składającą się z warstwy podkładowej o gr. 0,15 mm i warstwy ceramicznej ZrO2-8%Y2O3 o grubości 0,3 mm. TBC obniżyła maksymalną temperaturę głowicy silnika o 15 K w porównaniu do głowicy nie pokrytej powłoką oraz obniżyła maksymalne temperatury zaworów wylotowego i dolotowego o 2 K i 1,2 K, odpowiednio. Wprawdzie maksymalna temperatura tłoka pozostała stała ale obniżył się o 23,8% zakres temperatur na powierzchni tłoka. Zastosowanie powłoki znacznie obniżyło wartość naprężeń w krytycznym miejscu zaworu wylotowego- granicy podłoża i warstwy napawanej stellitem Najwyższa wartość naprężeń TBC występowała w warstwie podkładowej co potwierdziło częstą lokalizację pęknięć. Znaleziono również koncentracje naprężeń na krawędzi TBC i krawędzi wybrania w denku tłoka. Obniżenie temperatur metalu i gradientów temperatur w pokrytych elementach powinno wydłużyć trwałość elementów.