The Effect Of Al2O3 Added Cr2O3 Thermal Barrier Coatings On Exhaust Emissions At A Diesel Engine

Abstract

In this study, an internal combustion four-stroke diesel engine was coated with Cr2O3, Cr2O3+ 25% Al2O3, Cr2O3+ 50% Al2O3and Cr2O3+ 75% Al2O3ceramic powders on the piston and valve surfaces using the plasma spray method. Compared with the coated engine and the standard engine exhaust gas temperatures, a temperature increase of 10.01% was observed in the Cr2O3+ 75% Al2O3dust coated engine. When comparing the coated engine and the exhaust emission values of the standard engine, HC emissions with 18.33%, CO emissions with 24.32% and smoke emissions with 9.05% were identified as the highest decreases on Cr2O3+ 75% Al2O3dust covered engine. In addition, CO2 and NOx emissions with the minimum increases of 1.97% and 2.89% were found on the Cr2O3 coated engine respectively.

Keywords

• Exhaust emission,Thermal barrier coating,piston,valve,Cr2O3

Dizel Bir Motorda Al2O3 İlaveli Cr2O3 Termal Bariyer Kaplamaların Egzoz Emisyonlarına Etkisi

Abstract

Bu çalışmada, içten yanmalı tek silindirli dört zamanlı bir dizel motor piston ve supap yüzeylerine, Cr₂O₃,  Cr₂O₃+%25Al₂O₃, Cr₂O₃+%50Al₂O₃ ve Cr₂O₃+%75 Al₂O₃ seramik tozları plazma sprey yöntemi kullanılarak kaplanmıştır. Kaplama uygulanmış motor ile standart motor egzoz gaz sıcaklıkları açısından kıyaslandığında, Cr₂O₃+%75Al₂O₃ tozu ile kaplı motorda %10.01 oranında sıcaklık artışı gözlenmiştir. Kaplama uygulanmış motor ile standart motorun egzoz emisyon değerleri kıyaslandığında, HC emisyonlarında en yüksek %18.33 oranında, CO emisyonlarında en yüksek %24.32 oranında, is (duman) emisyonlarında en yüksek %9.05 oranında azalma Cr₂O₃+%75Al₂O₃ tozu ile kaplanan motorda tespit edilmiştir. Ayrıca, CO₂ emisyonlarında en düşük %1.97 oranında, NOx emisyonlarında ise en düşük %2.89 oranında artış Cr₂O₃ tozu ile kaplı motorda tespit edilmiştir.

Keywords

• Egzoz Emisyon,Termal Bariyer Kaplama,Piston,Supap,Cr2O3

References

1. 1. Hanbey H. 2017. Investigation of the effects of tripropylene glycol addition to diesel fuel on combustion and exhaust emissions at an isolated diesel engine. Energy Conversion and Management. Volume 142, 15 June, Pages 62-68.
2. 2. Tay K.L. Yang W., Zhao F., Yu W. , Mohan B. 2017. Numerical investigation on the combined effects of varying piston bowl geometries and ramp injection rate-shapes on the combustion characteristics of a kerosene-diesel fueled direct injection compression ignition engine. Energy Conversion and Management. Vol. 136, Page 1–10.
3. 3. Jerald T.L., Timothy A.C., Jacobs J. 2016. Energy distributions in a diesel engine using low heat rejection (LHR) concepts. Energy Conversion and Management. Vol. 130, Page 14-24.
4. 4. Prasath B.R., Tamilporai P., Shabir M.F. 2010. Analysis of combustion, performance and emission characteristics of low heat rejection engine using biodiesel. International Journal of Thermal Sciences. Volume 49, Issue 12, Page 2483-2490.
5. 5. Vural E. 2014. Tek Silindirli Dizel Motora Uygulanan Seramik Kaplamaların Motor Performans ve Egzoz Emisyonlarına Etkisinin İncelenmesi. Doktora Tezi, Karabük Üniv., Fen Bilimleri Enstitüsü, İmalat Mühendisliği, Karabük.
6. 6. Vural E., Ozel S., Ozdalyan B. 2014. The investigation of microstructure and mechanical properties of oxide powders coated on engine pistons surface. Optoelectronıcs And Advanced Materials – Rapid Communications. Vol. 8, No. 5-6, p. 515-520.
7. 7. Masera K., Hossain A.K. 2018. Biofuels and thermal barrier: A review on compression ignition engine performance, combustion and exhaust gas emission. Journal of the Energy Institute. Available online https://doi.org/10.1016/j.joei.2018.02.005.
8. 8. Karthikayan S., Ganesan S., Vasanthakumar P., Sankaranarayanan G., Dinakar M. 2017. Innovative Research Trends in the Application of Thermal Barrier Metal Coating in Internal Combustion Engines. Materials Today: Proceedings. Volume 4, Issue 8, Pages 9004-9012.

9. 9. Sichani H.R., Salehi M., Edris H., Farani M.T. 2017. The effect of APS parameter on the microstructural, mechanical and corrosion properties of plasma sprayed Ni-Ti-Al intermetallic coatings. Surface and Coatings Technology. Volume 309, Pages 959-968.
10. 10. Bounazef M., Guessasma S., Montavon G., Coddet C. 2004. Effect of APS process parameters on wear behaviour of alumina-titania coatings. Mater. Lett. 58, pp. 2451-2455.
11. 11. Özel S., Vural E. 2016. The microstructure and hardness properties of plasma sprayed Cr2O3/Al2O3 coatings. Journal Of Optoelectronics and Advanced Materials. Vol. 18, No. 11-12, November - December, p. 1052 – 1056.
12. 12. Phillips B. A., Knapp J. K. 1995. Thermal spray coatings reduce wear and corrosion on calender rolls. Tappi Journal. October, 78 (10): 197-205.
13. 13. Ramaswamy P., Seetharamu S., Varma K.B.R., Rao K.J. 2000. Thermo mechanical fatigue characterization of zirconium (8%Y2O3 - ZrO2) and mullite thermal barrier coatings on diesel engine components: effect of coatings on diesel engine performance. Proceedings of the institution of mechanical Engineers, ProQuest Science Journals. 214 (5); 729.
14. 14. Vural E., Ozel S. 2018. Içten Yanmalı Dizel Motorda Cr2O3 Termal Bariyer Kaplamaların Motor Performansı Üzerine Etkisi. 14. Uluslararası Yanma Sempozyumu 25-27 Nisan, sayfa 374-378, Karabük Üniversitesi, Karabük/Türkiye.
15. 15. Vural E., Ozer S. 2015. Thermal Analysis of a Piston Coated with SiC and MgOZrO2 Thermal Barrier Materials. International Journal of Scientific and Technological Research. ISSN 2422-8702 (Online) Vol 1, No.7.
16. 16. Özel S. 2009. Alüminyum alaşımı ve bronzu yüzeyine oksit ve karbür bileşiklerinin plazma sprey yöntemiyle kaplanmasının araştırılması. Doktora Tezi, Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Elazığ.
17. 17. DMİ. 2018. https://www.memsnet.org/material/chromiumoxidecr2o3bulk/ (Erişim Tarihi: 24.04.2018)
18. 18. Sal E., Hazar H., Sap S., Oner M.C., Ilkılıc C. 2017. Exhaust Emission Analysis of Piston, Valve and Exhaust Pipe Chromium Carbide (Cr3C2) Coated LPG Engine. International Advanced Technologies Symposium (IATS’17), 19-22 October, Elazığ, Turkey.
19. 19. Ciniviz M. 2005. Türboşarjlı bir dizel motorunun yanma odasi yüzeylerinin Y2O3 – ZrO2 ile kaplanmasının performans ve emisyonlara etkileri. Doktora Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Selçuk Üniversitesi, Konya.
20. 20. Ergeneman M., Arslan H., Mutlu M. 1997. Motorlu Taşıtlardan kaynaklanan Kirleticiler kitabı, İstanbul.
21. 21. Atmanli A, Ileri E, Yuksel B. 2014. Experimental investigation of engine performance and exhaust emissions of a diesel engine fueled with diesel–n-butanol– vegetable oil blends. Energy Convers Manage;81:312–21.