國6排放柴油機的活塞環發展技術

祁中高　李夏平

摘要：本文介紹了國6排放以及低燃油耗柴油機對活塞環的基本要求，為此活塞環行業發展處多項應對技術。

關鍵詞：國6 排放;低燃油耗;鋼質活塞環;應對技術

0? 引言

為應對全球氣候變化，各國都提出了綠色發展、節能減排、藍天計劃等發展目標，并制定了相關的法律法規，中國在其中扮演了非常重要的角色。從大力鼓勵新能源、發展公共交通到制定并加快實施排放法規，體現了強烈的社會責任感。

從2004年7月開始實施國2排放到2018年實施國5排放，2019年7月燃氣機率先執行國6排放標準，短短15年時間排放標準已與世界發達國家同步。

近幾年新能源汽車如雨后春筍蓬勃發展，那么作為傳統動力的內燃機是否會被取而代之呢？據業內研究分析，在商用車領域，特別是中重卡行業內燃機仍有著不可替代的優勢，新能源在續航里程、電池技術等方面還有待于進一步突破。2019年在全球汽車行業下滑的大背景下，中國的商用車仍取得了兩位數的增長。

作為商用車主要動力，柴油機技術近幾年來取得了突破性進度，中國的柴油發動機已達到了世界一流水平，不僅滿足國6排放要求，同時燃油經濟性大幅提升。為此各種排放裝置得以應用，所謂發動機排放控制裝置，指對發動機尾氣排放的控制有顯著影響的零部件，包括機內控制和機外控制兩部分。機內排放控制裝置主要是與燃燒相關的零件，包括燃油噴射系統、增壓器、EGR、活塞環、活塞、缸套、配氣機構等;機外排放控制裝置指的是尾氣處理器，如SCR、DOC、POC、DPF等。

對于活塞環而言，它是發動機的心臟零件，其功能是密封燃氣、刮除多余機油，同時還有支撐活塞、導出熱量的功能。燃氣主要通過活塞環來密封，若活塞環的封氣功能不良，則燃氣下竄，至燃燒不充分，排氣冒黑煙，產生大量碳煙顆粒排放，并帶來功率下降、機油老化變質的后果;機油主要通過活塞環來刮除，若活塞環的刮油功能不良，則機油竄入燃燒室參與燃燒，排氣冒藍煙，產生大量顆粒排放，部分生成膠狀物質使活塞環卡死于環槽中，則發動機不能正常工作。同時活塞環占到整個發動機機械摩擦功損耗的25%。所以，活塞環性能的優劣直接決定了整機的使用性能和排放性能，其是發動機排放控制裝置的關鍵零件之一。

1? 國6排放及高燃油經濟性柴油機對活塞環的要求

為了滿足排放法規（圖1）以及提高燃油經濟性（圖2 通過CO2的控制間接控制燃油耗）的要求，多項技術在發動機上被得以應用，諸如：高爆壓、延遲噴射、EGR、低轉速、低粘度機油等。這些新技術也同時給零部件帶了諸多挑戰如折斷、磨損、拉缸、低摩擦功以及日趨嚴苛的機油耗及漏氣量。為此作為關鍵零部件的活塞環也發展出多項應對技術，下面我們逐一介紹。

2? 活塞環解決方案

2.1 抗折斷的應對措施

為了獲得較高的燃油經濟性，提升爆壓是一個很好地解決方案，目前新開發的發動機動輒220bar、240bar甚至260bar的爆壓都是比較常見的，零部件的疲勞強度提出了很高的要求。

傳統的鑄鐵材料已不適用新的要求，鋼質材料在這種需求下應運而生，如圖3所示鋼質材料顯示出了較優越的疲勞強度。因此國6發動機的典型設計頂環均采用鋼質材料，更有高端的發動機三道環均采用鋼質材料。

2.2 抗磨損的應對措施

活塞環的磨損分端面磨損及外圓磨損。高爆壓及EGR技術的使用使得活塞環磨損越來越嚴重，同時隨著爆壓的提升傳統的鋁活塞已不能適用，鋼活塞得到了普遍的應用，對活塞環的側面磨損又提出了挑戰。為了解決磨損問題一方面材料改進，另一方面涂層技術升級，為此PVD及DLC技術這兩年迅猛發展。

2.2.1 端面閃鍍及鋼質材料+氮化工藝解決端面磨損

為了解決端面磨損問題，發展出了兩種技術路線。一種是端面閃鍍技術，在環的下側面鍍上一層0.01mm左右厚度的Cr，對端面起到保護作用;另一種技術是采用鋼質材料加上氮化工藝。這兩種技術都可以將端面的硬度提升至800-1100HV左右，其中鋼質材料加氮化技術對鋼活塞的匹配性更好些。

2.2.2 GDC、PVD及DLC涂層應對外圓磨損

這三種技術都是目前的主流技術，綜合表現各有千秋。

GDC技術為金剛石電鍍，在歐美應用較多，是CKS（復合陶瓷電鍍）技術的升級版本，在鑄鐵材料上應用較多。

PVD和DLC技術都屬于物理氣相沉積技術，以沉積物靶材不同而區分。這兩項這幾年發展的比較快，應用的也越來越廣。

PVD技術以日本研究最為透徹，已批量使用近30年，其特點是具有較高的耐磨性，同時對缸套沒有攻擊性。可以達到較低的粗糙度以降低摩擦，在歐美及日本國6同等排放機型中均有廣泛的應用。

DLC技術分薄膜與厚膜技術，薄膜技術在日本已有10年以上的批產應用歷史。在國6發動機上更多是應用厚膜DLC，硬度可以達到40GPa，厚度可以達到20微米，目前有歐洲、日本、新加坡三種技術路線。厚膜DLC最早起源于歐洲，但目前在歐洲也僅有一個品種量產，產品由日本供應商提供。

圖4為這幾種涂層的耐磨性對比及測試方法。

2.3 低摩擦功應對

降低摩擦功損耗可有效的提高燃油經濟性，是這兩年來各大發動機廠商都熱衷于研究的一個課題，可以給用戶帶來更多的利益，提高產品的市場競爭力。提高爆壓是一個有效的手段，同時降低摩擦的工作也在同步進行。

2.3.1 低彈力設計

降低彈力是最直接的方法（圖5彈力趨勢），但降低彈力會影響刮油能力，導致機油耗的上升，因此降低彈力的同時降低接觸高度是一個有效的辦法。

對于氣環來說可以采用高性能材料比如鋼質材料，提高材料的疲勞強度，以此來保證降低彈力后的強度。

對于油環來說降低高度的同時采用異形油帶可以降低接觸高度，保證在低彈力下保持高的刮油性能。異形油帶通常有以下幾種，其目的都是為了得到較窄的刮油刃。油帶變窄后磨損問題又凸顯出來，因此在需要配合GDC、PVD或者DLC涂層來保證其耐磨性。

錐度油帶（同向、異向）、LKZ油帶、窄油帶，如圖6所示。

2.3.2 涂層技術

降摩擦一方面降低彈力，另一方面就是降低摩擦系數，而摩擦系數與速度、機油粘度和載荷關聯。活塞環與缸套這對摩擦副如圖7所示主要集中在混合潤滑及流體潤滑區間，其中絕大部分時間段是屬于流體潤滑。在混合潤滑階段材料本身的特性對摩擦系數影響較大，在流體潤滑區間決定潤滑系數的主要因素是表面粗糙度，在這點上PVD表現比較突出，粗糙度可以達到Ra0.05。

2.4 低漏氣量應對

活塞環最重要的功能之一就是密封氣體，密封不好就會造成動力損失，同時惡化機油。如何在高爆壓下保持良好的密封性？我們通常借助仿真軟件計算各環間壓力（圖8 計算案例），保證一環起到良好的密封性。如果二環岸間的壓力大于一環上側壓力就會造成密封不良，這個時候通常就會通過開口間隙、倒角尺寸、梯角配合來調節以達到良好的密封性。

3? 結語

活塞環作為發動機的關鍵零部件對排放控制同樣起著非常重要的作用，多項技術的發展可以有效的應對發動機排放升級以及燃油經濟性提升帶來的各項挑戰。發動機的發展帶動零部件的進步，活塞環的技術發展已完全可以滿足國6發動機要求。

參考文獻：

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[2]張長春.國5排放柴油機的活塞環解決方案[J].內燃機配件，2017（9）.

[3]Hanke、Iijiima、Muler、Voigt. Friction Reduction in Power Cylinder Systems of Commercial Vehicle Engines， MTZ，02/2019.