采用新型活塞環涂層降低摩擦功率

【德】 M.Kennedy S.Hoppe J.Esser

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采用新型活塞環涂層降低摩擦功率

【德】 M.Kennedy S.Hoppe J.Esser

活塞環具有降低內燃機燃油耗和CO2排放的巨大潛力。Federal-Mogul公司開發了名為“DuroGlide”的新型活塞環涂層，其特點是具有高耐久性，并能顯著降低摩擦功率。由于新型涂層具備良好的耐磨損性，并且其抗燒損性能比傳統活塞環涂層更好，因此可以滿足對汽油機和柴油機提出的苛刻要求。

內燃機 活塞環涂層 燃油耗 CO2排放 摩擦功率

1 提高的活塞環負荷

降低燃油耗和滿足日益收緊的廢氣排放法規要求已成為推動現代內燃機發展的重要因素，由此對發動機零部件開發，特別是活塞環提出了新的挑戰。在發動機部分負荷運行條件下，活塞環組對降低總機械摩擦的貢獻率高達25%，相當于可降低燃油耗4%。除了降低摩擦功率損失外，活塞環還必須承受熱力-機械負荷及摩擦負荷，而光滑的氣缸工作表面、可提供的潤滑油膜減少，以及使用代用燃料等因素加劇了對這些方面的不利影響。因此，活塞環工作表面的耐久性顯得越來越重要，具體體現在活塞環的耐磨損性，及抗燒損性方面。

2 碳基活塞環涂層工藝

涂層工藝成為重要的設計元素后，改善活塞環與氣缸工作表面的摩擦性能就成為關注的焦點。類金剛石碳(DLC)涂層特別適用于與其他零件處于固體接觸狀態的構件。DLC涂層的突出性能來自其表面由熱力和機械誘發的涂層轉換區，該區域本身具有比涂層更小的抗剪切強度，從而能起到自潤滑作用。

傳統DLC涂層在用于活塞環時會受到以下限制： (1)如涂覆僅幾微米厚的涂層，會限制使用壽命，若涂層較厚，則會因其典型的內應力而存在剝離的危險；(2)使用硬度較高的DLC涂層時，活塞環工作表面必須極其光滑，以便獲得最佳的摩擦條件，避免損壞氣缸套。目前使用的DLC活塞環涂層通常被用作其他耐磨損鍍層上的磨合涂層。起初，Federal-Mogul公司利用名為“CarboGlide”的含氫DLC工藝，能獲得厚度約10μm的涂層，具有良好的耐磨損性[1,2]。這種DLC涂層系統已被批量用于汽油機。但是，為了更廣泛地應用DLC涂層，并利用其降低摩擦功率，必須為高速汽油機和柴油機重新開發一種更厚、更具耐磨損性的涂層工藝。

3 新型涂層的特點

研究人員開發了新型DuroGlide涂層，這種涂層適用于高要求的汽油機和柴油機，可以提高活塞環的使用壽命。圖1示出了新型無氫碳基活塞環涂層的均質組織結構。因碳具有較多的sp3結合部分(四面體結構)，能夠析出硬度高達5000 HV0.2的涂層。與目前的無氫DLC涂層不同，在Federal-Mogul公司與德國Dresten Fraunhofer材料和輻射技術研究所的合作中，已降低了工藝過程中涂層的內應力，即使在涂層厚度高達25μm的情況下，對于鑄鐵和鋼表面仍具有良好的結合度，而高達500℃的耐高溫性能促使其能適用于柴油機。此外，接近終端輪廓形狀的涂層和適宜的磨光制造工藝確保活塞環工作表面具有較小的粗糙度。

圖1 DuroGlide活塞環涂層的光柵電子斷面照

4 性能特性值

新涂層的開發目標是降低發動機的機械摩擦功率損失，以及大幅提高活塞環碳基涂層的耐久性。圖2示出了目前汽油機和柴油機使用的活塞環涂層摩擦系數比較。這種摩擦系數是在機外檢驗條件下測得的，在使用無添加劑機油的情況下，呈現出極高的混合摩擦份額。與鉻陶瓷涂層(CKS)和Goetze金剛石涂層(GDC)等鉻類涂層，以及CrN等物理汽相沉積(PVD)工藝相比，DuroGlide涂層能使摩擦系數降低約60%。為了查明發動機運行中的摩擦功率損失，在1臺浮動缸套單缸汽油機上進行摩擦功率試驗。圖3為在著火運行發動機上，在不同運行工況點(轉速和平均指示壓力)測得的DuroGlide涂層壓縮環與參比的CKS涂層壓縮環的摩擦功率差異，所用的活塞環及其預張力(切向力)的設計保持不變。在點火后0～180°CA范圍內，摩擦平均有效壓力呈現最大優勢，在發動機轉速1000r/min、平均指示壓力0.6MPa時，摩擦功率可獲得10%的優勢。從油環在機械摩擦損失方面可獲得40%優勢來看，使用DuroGlide涂層的油環能進一步降低摩擦。

圖2 各種活塞環涂層的摩擦系數比較(采用機外擺動摩擦磨損測量儀在混合摩擦條件下進行測量)

圖3 DuroGlide涂層第1道壓縮環與轎車柴油機標準環的摩擦功率(與壓力和轉速相關)差異

為考察新型活塞環涂層的耐久性，在燃燒壓力高達20MPa和升功率高達70kW的高負荷轎車柴油機上進行內容廣泛的耐久性考核和超負荷試驗。圖4示出在發動機試驗臺上經500h運行后，活塞環平均徑向磨損量的試驗結果。結果表明，與目前使用的活塞環涂層(GDC和PVD-CrN)相比，DuroGlide涂層活塞環的平均徑向磨損量減少約50%。

圖4 在高負荷轎車柴油機上DuroGlide涂層壓縮環的徑向磨損量

除了對使用壽命非常重要的耐磨損性外，在超負荷及潤滑不良的情況下，活塞環工作表面的性能顯得越來越重要。圖5示出了超負荷條件下抗燒損性能的試驗臺試驗結果。在恒定的時間間隔內法向力升高到700N的情況下，摩擦系數如超過0.3就會誘發強烈的燒損痕跡。CKS和CrN涂層壓縮環在試驗持續120min和157min后就會出現燒損痕跡，而DuroGlide涂層壓縮環則完成長達650min的超負荷試驗，并且在活塞環和氣缸工作表面未出現燒損現象。在1臺高增壓轎車柴油機上進行專門的熱淬火試驗，結果證實了新型活塞環涂層優異的抗燒損性能。

圖5 超負荷試驗中DuroGlide涂層活塞環與CKS、GDC和PVD-CrN涂層活塞環的抗燒損性能比較

5 技術定位

第1代含氫DLC涂層的特點是與灰鑄鐵和鋁氣缸套匹配后，具有良好的摩擦性能和卓越的運行性能。因而，從開發初期起，DuroGlide涂層的設計目標就是提高使用壽命，以適用于高負荷汽油機和高負荷柴油機。這種新型涂層能夠沉積在鑄鐵和鋼等基體材料上，適用于不同幾何形狀的工作表面，因而可用于壓縮環和油環。圖6示出了用于轎車柴油機和汽油機的經摩擦優化的活塞環組結構設計。第1道壓縮環和油環在機械摩擦功率損失中占最大份額，分別約40%，因此，新型涂層被優先用于這兩種活塞環。

圖6 降低轎車發動機活塞環組摩擦的實例

除了在活塞工作表面使用涂層外，還須根據發動機的不同狀況，通過合理設計活塞環的切向力、軸向和徑向尺寸、工作表面幾何形狀，以及開口間隙組合，優化其摩擦性能和功能。

6 結語

簡單介紹了新型DuroGlide活塞環涂層的開發過程，該工藝為活塞環涂層的耐久性及降低摩擦功

率樹立了新標桿。與傳統活塞環涂層相比，新型活塞環涂層具有更高的耐磨損性和抗燒損性能，而且根據不同的發動機用途，可節油1.5%，相當于CO2排放降低3g/km。作為DuroGlide涂層的開發成果，借助于等離子體工藝技術，并采用專門的表面拋光工藝，能達到25μm的涂層厚度。因此，即使在高負荷運行條件下，新型活塞環涂層也能滿足使用壽命的要求，同時有使用其他替代工藝的可能性，例如基于PVD的CrCN涂層，或由極薄的無氫DLC涂層(<2μm)和PVD-CrN涂層組成的多涂層工藝。連續的發動機試驗證實了新型涂層的有效性，這一工藝現已被投入量產。

Esser J, Hoppe S, Kennedy M. Kolbenringbeschichtung senkt innermotorische Reibung und Kraftstoffverbrauch im Ottomotor[J]. MTZ, 2012, 73(3).

Esser J, Hoppe S, Mittler R. Kolbenringauslegung für ottomotoren im spannungsfeld von reibungsreduzierung und funktionsverhalten[C]. VDI-Fachtagung Zylinderlaufbahnen, Kolben, Pleuel, Baden-Baden, Juni 2010.

2014-11-10)