用于汽油機(jī)和柴油機(jī)的新型活塞裙部涂層

【德】　M. Blümm　A. Baberg　F.T.H.D?rnenburg　D. Leitzmann

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用于汽油機(jī)和柴油機(jī)的新型活塞裙部涂層

【德】M. BlümmA. BabergF.T.H.D?rnenburgD. Leitzmann

降低摩擦對(duì)于內(nèi)燃機(jī)的總效率起著越來(lái)越重要的作用，因此無(wú)論是在汽油機(jī)還是柴油機(jī)上活塞裙部涂層都得到了廣泛的應(yīng)用，這對(duì)活塞在燃燒室中工作又提出進(jìn)一步的要求，需要具有更高工作能力的活塞裙部涂層，F(xiàn)ederal-Mogul公司在其涂層系列中又開(kāi)發(fā)了2種新的涂層品種。

活塞裙部涂層EcoTough涂層抗磨損

1　減少寄生損失

內(nèi)燃機(jī)效率的提高對(duì)由活塞、活塞銷和活塞環(huán)組組成的摩擦系統(tǒng)零部件的要求越來(lái)越高。為了進(jìn)一步提高效率，就必須降低寄生損失。以1臺(tái)2.0L渦輪增壓缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)作為參考基準(zhǔn)，則可供使用的機(jī)械功份額為37%，而其中25%的消耗源于摩擦和輔助設(shè)備損失，而其中摩擦損失占比很大，僅活塞裙部和活塞銷的摩擦就占到摩擦和輔助設(shè)備總損失的17%[1]。

除了確定合適的活塞間隙和裙部幾何形狀之外，采用活塞裙部涂層是優(yōu)化摩擦功率和減少磨損的非常有效的措施。Federal-Mogul公司為汽油機(jī)和柴油機(jī)活塞裙部涂層開(kāi)發(fā)了耐久性與發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命相同的涂層，能降低活塞裙部與氣缸工作表面之間的摩擦。

這些涂層可使活塞能承受更高的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，并已證實(shí)，活塞裙部涂層可能已達(dá)到其耐久性的邊緣，所以裙部涂層必須進(jìn)行革新。Federal-Mogul公司成功地開(kāi)發(fā)出了2種能滿足汽油機(jī)和柴油機(jī)更高要求并具有高工作能力的活塞裙部涂層，其中，為汽油機(jī)和柴油機(jī)分別選擇了不同的配方，因?yàn)殡m然這兩種熱力機(jī)械的運(yùn)行條件越來(lái)越趨于相似，但是仍各自具有特殊的要求，所以，涂層系統(tǒng)的匹配顯得尤為重要。

2　用于汽油機(jī)的活塞裙部涂層

在汽油機(jī)上，當(dāng)未燃燒的燃油稀釋氣缸工作表面上的機(jī)油時(shí)會(huì)對(duì)摩擦產(chǎn)生不利的影響，因而發(fā)生固體接觸的混合摩擦狀況的概率增大，從而也就會(huì)引起活塞環(huán)/活塞裙部與氣缸工作表面摩擦副之間的摩擦功率增加。在具有起動(dòng)-停車功能的汽車上，發(fā)動(dòng)機(jī)重新起動(dòng)時(shí)的混合摩擦階段的次數(shù)也會(huì)增多。除了效率損失之外，也意味著磨損增大，這將減小活塞的使用壽命，并且會(huì)對(duì)活塞的噪聲輻射產(chǎn)生不利的影響。

圖1　呈紅棕色的新一代EcoTough活塞裙部涂層

圖2　新一代EcoTough涂層各種不同成分的金相顯微照片

該涂層配方使裙部涂層在摩擦功率較低的同時(shí)，提高了抗磨損性能。圖3示出了試驗(yàn)中新一代EcoTough裙部涂層的磨損值與廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)裙部涂層的比較。與標(biāo)準(zhǔn)裙部涂層相比，這種新型裙部涂層在磨損最多減小40%的同時(shí)，在極端要求下仍具有更高的耐久性，而且還能為基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)的效率節(jié)省約15%的摩擦功率。

圖3　　　　用于汽油機(jī)的新一代EcoTough新型裙部　　　涂層的磨損和摩擦與標(biāo)準(zhǔn)涂層的比較

廣泛的試驗(yàn)證實(shí)了新型裙部涂層的這些特性。為此，首先在機(jī)外試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)中查明涂層的磨損狀況，然后再在著火發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)中確定行之有效的涂層方案。試驗(yàn)所應(yīng)用的發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是具有極其苛刻的摩擦學(xué)條件，配合間隙很小且氣缸工作表面又非常粗糙。這樣的摩擦特性是在1臺(tái)浮動(dòng)缸套發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)的[2]。

此外，在開(kāi)發(fā)和確證進(jìn)程中，涂層系統(tǒng)還必須進(jìn)行1種試驗(yàn)，在這種試驗(yàn)中涂層被人工預(yù)先損壞，緊接著用強(qiáng)力的高壓機(jī)油噴束沖擊(機(jī)油噴射試驗(yàn))，涂層在鋁基質(zhì)上的粘合狀況仍顯示良好，即使涂層已被預(yù)先損壞但仍然能經(jīng)受得住強(qiáng)力的高壓機(jī)油噴束的沖擊。這種試驗(yàn)用數(shù)值確定了裙部涂層的附著力和粘合性能。由于涂層應(yīng)用于活塞裙部是采用全自動(dòng)大量生產(chǎn)工藝(圖4)進(jìn)行的，因而能夠低成本地獲得這些磨損和摩擦方面的優(yōu)點(diǎn)。在此期間，具有這種裙部涂層的活塞樣品已獲得汽車制造商的確認(rèn)。

圖4　涂敷活塞裙部涂層的絲網(wǎng)印刷法

3　模擬方法

數(shù)值模擬對(duì)于開(kāi)發(fā)裙部涂層特別是確證其運(yùn)行性能起到了很大作用。這種模擬的任務(wù)自然是優(yōu)化活塞的結(jié)構(gòu)，例如結(jié)構(gòu)輕量化及減小壓縮高度，但是模擬方法同樣也有助于評(píng)估試驗(yàn)結(jié)果。在新型涂層進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)之前，先計(jì)算所應(yīng)用的1.6L汽油機(jī)活塞裙部的側(cè)壓力，這樣便于識(shí)別易于產(chǎn)生磨損的高接觸壓力的運(yùn)轉(zhuǎn)范圍，從而就能有針對(duì)性地進(jìn)行活塞的運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。然而，圖5表明運(yùn)轉(zhuǎn)后的裙部涂層即使在高接觸壓力區(qū)域也看不出有明顯的磨損。這種無(wú)損傷地承受局部高單位面積壓力的能力，是高負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)活塞裙部與氣缸工作表面抗磨損性能的重要前提條件。

圖5　　　　接觸壓力模擬計(jì)算與在1.6L汽油機(jī)上　　　運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)后的裙部涂層的比較

4　用于柴油機(jī)的活塞裙部涂層

在柴油機(jī)上，特別是高峰值壓力會(huì)引起活塞裙部的摩擦和磨損。與汽油機(jī)活塞相比，柴油機(jī)活塞的剛度要大得多，而且具有專門(mén)為柴油機(jī)優(yōu)化的裙部造型。當(dāng)然，由于裙部的剛性較大，就增加了“咬缸風(fēng)險(xiǎn)”，而增加潤(rùn)滑劑含量能避免這種“咬缸傾向”，此外這樣也能使摩擦值明顯低于汽油機(jī)裙部涂層。即使柴油機(jī)燃油具有較好的潤(rùn)滑性，與汽油機(jī)燃油相比產(chǎn)生的磨損較小，因此能夠開(kāi)發(fā)優(yōu)化摩擦的柴油機(jī)專用活塞裙部涂層。目前，柴油機(jī)活塞裙部涂層經(jīng)過(guò)多年來(lái)的使用已被證實(shí)是可靠的，但是與汽油機(jī)的發(fā)展情況相類似，柴油機(jī)上的機(jī)械負(fù)荷也進(jìn)一步提高，柴油機(jī)活塞裙部也需要提高其抗磨損能力。為了滿足這樣的要求，被命名為“EcoTough-D”的裙部涂層也投入了量產(chǎn)。這種涂層系統(tǒng)同樣適合于鋁活塞和鋼活塞，因而在轎車和輕型載貨車上的應(yīng)用越來(lái)越多(圖6)。

圖6　　　　具有新型EcoTough-D裙部　　　涂層的轎車柴油機(jī)鋼活塞

這種以聚合物為基礎(chǔ)的涂層同樣也用短的碳纖維加強(qiáng)，而且這種涂層中融合了石墨作為固體潤(rùn)滑劑。圖7示出了EcoTough-D涂層的磨損和摩擦值與傳統(tǒng)石墨基涂層的比較，其中摩擦比常見(jiàn)的裙部涂層最多低35%，同時(shí)抗磨性改善高達(dá)30%。全自動(dòng)涂敷工藝能提供必需的涂層厚度，以避免裙部間隙加大可能會(huì)產(chǎn)生有害噪聲輻射的活塞側(cè)向運(yùn)動(dòng)。

圖7　　　　用于柴油機(jī)活塞的EcoTough-D裙部涂層　　　磨損和摩擦與傳統(tǒng)石墨基涂層的比較

5　結(jié)論和展望

未來(lái)，這些表面涂層技術(shù)對(duì)于提高內(nèi)燃機(jī)效率將起到越來(lái)越重要的作用。在與活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和所應(yīng)用的活塞材料的相互作用中，活塞裙部涂層有助于優(yōu)化摩擦功率，即使在苛刻的邊界條件下也有助于減小裙部的磨損。此外，EcoTough-D涂層還有助于優(yōu)化柴油機(jī)的噪聲。

這些新型的涂層系統(tǒng)不僅可用于汽油機(jī)，而且可用于柴油機(jī)，并作為活塞裙部的涂層，它們?cè)诟哓?fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)上能在降低摩擦的同時(shí)獲得必需的抗磨損性能。

[1] JückstockR. Perspektiven zur reibungsreduzierung im Grundmotor[J]. Sonderausgabe “75 Janhre MTZ”. MTE, 2014(75)： 114-118.

[2] Dermot M, Kwangsoo K， Masaaki T. Part 1： piston friction and noise study of three different piston architectures for an automotive gasoline engine[C]. SAE Paper 2006-01-0427.

2016-03-01)