活塞裙部涂層圖案對摩擦力及燃油耗的影響

【日】 中村正明 伊東明美 菊原浩司 中鉢裕介

0 前言

為了降低CO2排放，并減輕用戶的經濟負擔，改善發動機的燃油經濟性已成為重要的課題。降低活塞周邊部件的摩擦損失可以有效改善怠速及低負荷工況下的燃油經濟性，但如果為此減少活塞裙部的滑動摩擦面積，就有可能影響活塞的可靠性及耐久性。尤其對商用車柴油機而言，提高活塞可靠性及耐久性對于提高其商品性是很重要的。

為降低活塞的摩擦損失，有研究提出，可在活塞裙部涂覆水珠圖案或波紋狀圖案的涂層。本次研究以減少流體潤滑狀態下的裙部滑動面積為前提，利用活塞裙部涂層圖案降低摩擦，在以流體潤滑區域為主的活塞反推力側涂覆帶圖案的涂層，確認其改善發動機燃油經濟性和降低活塞摩擦力的效果。

1 試驗方法

1.1 試驗裝置

使用缸徑104mm、行程118mm的直噴式4缸柴油機測定燃油耗。此外，使用缸徑112mm、行程115mm的直噴式單缸柴油機測定活塞摩擦力。

1.2 燃油耗的測定

發動機燃油耗的測定在表1所列運轉條件下實施。由于活塞的摩擦損失受裙部滑動面溫度的影響較大，因此，將冷卻液溫度固定為80℃，在潤滑油溫度分別為80℃、85℃、90℃和95℃的4個條件下測定發動機的燃油耗。對于零負荷時的燃油經濟性，則測定發動機拖動運轉時的扭矩改善率，并以此作為燃油耗降低率。

1.3 活塞摩擦力的測定方法

用圖1所示浮動式缸套裝置測定活塞摩擦力。由于氣缸套是通過負荷墊片與氣缸體連接的，所以，利用這一裝置，可以測出作用在氣缸套上的活塞摩擦力。除摩擦力外，作用在氣缸套上的還有活塞側向力，但這可以通過氣缸上下的止動裝置予以固定。

將浮動式缸套裝置安裝在試驗用直噴式單缸柴油機上。用于摩擦力測定的活塞與燃油耗測定所用的活塞設計基本相同。

表1 發動機運轉條件（燃油耗測定）

1.4 活塞的潤滑狀態與試驗用活塞

1.4.1 活塞的潤滑狀態

圖2為用浮動式缸套裝置測定活塞摩擦力的實例，圖中還示出了缸內壓力。依據測量原理，在圖2中，活塞處于上升行程中測得的摩擦力值為正值，活塞在下降行程中測得的摩擦力值為負值。由結果可知，在活塞側向力起作用的膨脹行程前半段，活塞摩擦力呈增加趨勢。

圖3（a）示出了活塞的摩擦力；圖3（b）示出了此時的側向力；圖3（c）的縱軸是每行程的活塞摩擦力除以側向力得出的值，橫軸是每行程的活塞速度除以側向力得出的值。這里測出的活塞摩擦力是活塞環與活塞裙部的摩擦力之和，因此，摩擦力除以側向力得出的值并不是活塞裙部的摩擦系數。但是，作為在較大程度上影響活塞裙部摩擦力的值，該值被認為可以作為活塞裙部摩擦系數的代用特性值。由圖3（c）推定活塞的潤滑狀態后可以得出結論，除排氣行程和活塞在推力側滑動的膨脹行程外，活塞的滑動速度越快，或是側向力越小，活塞裙部摩擦系數的代用特性值就越大。因此可以認為，活塞大致處于流體潤滑狀態。

圖4詳細分析了圖3（c）中的膨脹行程。圖4中，A區域對應1～15°CA的摩擦力。在這一曲軸轉角范圍內，雖然缸內壓力較高，但活塞的側向力仍很小，因此認為，對這一時期的摩擦力有較大影響的不是活塞，而是活塞第1道環。圖4中的B區域對應165～180°CA的摩擦力，這里代表的是下止點附近活塞速度較慢區域的潤滑狀態。另外，圖4中C區域對應16～60°CA時的摩擦力，這一區域的活塞側向力最大，對活塞裙部的摩擦力有較大影響。在這一時期的活塞裙部，隨著活塞速度除以側向力所得值的降低，活塞裙部摩擦系數代用特性值在達到最小值之后呈增大趨勢，推測此時處于混合潤滑狀態。在膨脹行程中，活塞推力側與氣缸套接觸，推力側的滑動面積減少，有可能會導致活塞摩擦力增大，所以決定只在反推力側的活塞裙部涂覆帶圖案的涂層。

1.4.2 試驗用活塞

表2列出了用于試驗的活塞參數。在探討裙部涂層圖案的過程中，是以減少滑動面積為目的的，因此希望在沒有涂層的部位不會形成油膜。也就是說，不希望產生因油膜破裂而導致的潤滑油剪斷阻力。為此，準備4種試驗用活塞：活塞A的裙部涂覆豎紋圖案涂層，其潤滑油的排出性較高；活塞B的裙部涂覆橫紋圖案涂層，有利于在涂層部位形成油膜；另外，還有裙部涂覆水珠圖案涂層的活塞C和活塞D，這是為了了解對潤滑油排出性能的影響。這些涂層圖案只涂覆在活塞的反推力側，活塞的推力側涂覆普通涂層。但是，為了確認在反推力側施加涂層圖案的妥當性，在活塞D的推力側也涂覆豎紋圖案的涂層。最后，將由上述試驗活塞測得的結果，與標準活塞（即推力側與反推力側均涂覆普通涂層的活塞）的數據進行對比。

試驗中使用的涂層材料是Dow Corning公司生產的石墨系涂層材料，涂層厚度目標值為12μm。涂層部位面積如表2所列，約為標準活塞的50%。此外，試驗活塞在涂覆涂層前的外徑及廓形均相同。

2 試驗結果

2.1 燃油耗測定結果

圖5示出了試驗活塞相比標準活塞的燃油經濟性改善率。由圖5可知，活塞A在從低負荷至中等負荷區域的范圍內，燃油經濟性得到改善，并且未發現燃油經濟性變差的區域。另一方面，活塞B及活塞C獲得燃油經濟性改善效果的運轉區域范圍較小，并且高負荷區域的燃油經濟性變差。活塞D從低負荷至中等負荷區域的燃油經濟性改善效果較為明顯，但在高負荷區域的燃油經濟性也變差了。

利用上述4種活塞得出的燃油耗值，計算其JE05工況下的燃油經濟性改善率（表3）。

表3 燃油經濟性改善率（JE05工況，T2）

由上述結果可知，就裙部涂層圖案對發動機燃油經濟性的影響而言，活塞A的豎紋圖案涂層顯示出最佳值。與其他圖案的涂層相比，涂覆豎紋圖案涂層的活塞裙部在無涂層部位的排油性更好，這些部位難以形成油膜，因此滑動面積也更小。

2.2 活塞摩擦力的測定結果

針對在燃油耗測試中獲得最佳結果的活塞A，使用浮動式缸套裝置測定其摩擦力。在獲得相對較大燃油經濟性改善效果的1 200r／min、25%負荷條件下，測定標準活塞與活塞A的摩擦力（圖6）。由圖6可知，在進氣行程、壓縮行程后半段及排氣行程，活塞A的摩擦力都得以降低。另一方面，活塞A與標準活塞在膨脹行程中的摩擦力沒有太大差異，此時活塞A的摩擦力稍低于標準活塞，其原因在于，雖然此時反推力側的活塞裙部沒有承受負荷，但該部位與氣缸套之間存在油膜，而滑動面積較小的活塞A在反推力側的油膜剪斷阻力較小。

圖7是由活塞摩擦力測定結果計算得出的活塞A與標準活塞的摩擦平均有效壓力。由圖7可知，相比發動機轉速1 000r／min的運轉條件，活塞在1 200r／min時的摩擦平均有效壓力降低率更大。

根據圖7的結果，活塞A與標準活塞的摩擦平均有效壓力降低率如圖8所示。由圖8可知，越是在高轉速低負荷的條件下，摩擦平均有效壓力的降低率就越大。這意味著活塞裙部的涂層圖案具有降低流體摩擦的效果。

接著，將活塞A反推力側裙部的豎紋圖案涂層涂覆在活塞裙部推力側，并將其摩擦力與標準活塞的摩擦力進行對比（圖9）。如圖9所示，在推力側涂覆豎紋圖案的涂層后，膨脹行程的摩擦力增大了。這是因為在膨脹行程中，標準活塞的裙部處于混合潤滑狀態，隨著實際滑動面積的減少，油膜厚度變薄，導致摩擦力增大。由此得出結論，在活塞裙部反推力側涂覆豎紋圖案涂層的目的是為了通過減少處于流體潤滑狀態部位的滑動面積，得到降低摩擦力的效果。

3 結語

調查反推力側活塞裙部的涂層圖案對降低摩擦損失和燃油耗的影響，得出以下結論。

（1）標準活塞的摩擦力特性主要是在反推力側的滑動行程中呈現流體潤滑狀態。在推力側滑動且作用于活塞裙部的負荷達最大值的膨脹行程前半段，摩擦力特性呈混合潤滑狀態。

（2）根據發動機燃油耗測定及摩擦力測定的結果可知，在反推力側的活塞裙部涂覆帶圖案的涂層，具有降低燃油耗和摩擦的效果。活塞在反推力側滑動行程中降低摩擦力的效果最為明顯。另外，豎紋圖案涂層具有良好的排油性，其燃油耗降低效果最佳。

（3）根據摩擦力測定結果可知，標準活塞在膨脹行程中具有混合潤滑的特征。如在活塞裙部推力側涂覆帶圖案的涂層，則膨脹行程中的摩擦力會大幅增加。

（4）綜上所述，活塞裙部涂層圖案能改善燃油經濟性的原因是，在呈流體潤滑特性的行程中，裙部的實際滑動面積減少，從而降低了流體摩擦。