【德】 M.Kennedy S.Hoppe J.Esser

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采用新型活塞環(huán)涂層降低摩擦功率

【德】 M.Kennedy S.Hoppe J.Esser

活塞環(huán)具有降低內(nèi)燃機燃油耗和CO2排放的巨大潛力。Federal-Mogul公司開發(fā)了名為“DuroGlide”的新型活塞環(huán)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(tǒng)活塞環(huán)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(nèi)燃機 活塞環(huán)涂層 燃油耗 CO2排放 摩擦功率

1 提高的活塞環(huán)負荷

降低燃油耗和滿足日益收緊的廢氣排放法規(guī)要求已成為推動現(xiàn)代內(nèi)燃機發(fā)展的重要因素，由此對發(fā)動機零部件開發(fā)，特別是活塞環(huán)提出了新的挑戰(zhàn)。在發(fā)動機部分負荷運行條件下，活塞環(huán)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(huán)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(huán)工作表面的耐久性顯得越來越重要，具體體現(xiàn)在活塞環(huán)的耐磨損性，及抗燒損性方面。

2 碳基活塞環(huán)涂層工藝

涂層工藝成為重要的設計元素后，改善活塞環(huán)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(tài)的構(gòu)件。DLC涂層的突出性能來自其表面由熱力和機械誘發(fā)的涂層轉(zhuǎn)換區(qū)，該區(qū)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(tǒng)DLC涂層在用于活塞環(huán)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(nèi)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(huán)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(huán)涂層通常被用作其他耐磨損鍍層上的磨合涂層。起初，F(xiàn)ederal-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(tǒng)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(fā)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(fā)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(huán)的使用壽命。圖1示出了新型無氫碳基活塞環(huán)涂層的均質(zhì)組織結(jié)構(gòu)。因碳具有較多的sp3結(jié)合部分(四面體結(jié)構(gòu))，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(shù)研究所的合作中，已降低了工藝過程中涂層的內(nèi)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(jié)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?；钊h(huán)工作表面具有較小的粗糙度。

圖1 DuroGlide活塞環(huán)涂層的光柵電子斷面照

4 性能特性值

新涂層的開發(fā)目標是降低發(fā)動機的機械摩擦功率損失，以及大幅提高活塞環(huán)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(huán)涂層摩擦系數(shù)比較。這種摩擦系數(shù)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(xiàn)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(shù)降低約60%。為了查明發(fā)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(fā)動機上，在不同運行工況點(轉(zhuǎn)速和平均指示壓力)測得的DuroGlide涂層壓縮環(huán)與參比的CKS涂層壓縮環(huán)的摩擦功率差異，所用的活塞環(huán)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(nèi)，摩擦平均有效壓力呈現(xiàn)最大優(yōu)勢，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速1000r/min、平均指示壓力0.6MPa時，摩擦功率可獲得10%的優(yōu)勢。從油環(huán)在機械摩擦損失方面可獲得40%優(yōu)勢來看，使用DuroGlide涂層的油環(huán)能進一步降低摩擦。

圖2 各種活塞環(huán)涂層的摩擦系數(shù)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(huán)與轎車柴油機標準環(huán)的摩擦功率(與壓力和轉(zhuǎn)速相關)差異

為考察新型活塞環(huán)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(nèi)容廣泛的耐久性考核和超負荷試驗。圖4示出在發(fā)動機試驗臺上經(jīng)500h運行后，活塞環(huán)平均徑向磨損量的試驗結(jié)果。結(jié)果表明，與目前使用的活塞環(huán)涂層(GDC和PVD-CrN)相比，DuroGlide涂層活塞環(huán)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(huán)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(huán)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(jié)果。在恒定的時間間隔內(nèi)法向力升高到700N的情況下，摩擦系數(shù)如超過0.3就會誘發(fā)強烈的燒損痕跡。CKS和CrN涂層壓縮環(huán)在試驗持續(xù)120min和157min后就會出現(xiàn)燒損痕跡，而DuroGlide涂層壓縮環(huán)則完成長達650min的超負荷試驗，并且在活塞環(huán)和氣缸工作表面未出現(xiàn)燒損現(xiàn)象。在1臺高增壓轎車柴油機上進行專門的熱淬火試驗，結(jié)果證實了新型活塞環(huán)涂層優(yōu)異的抗燒損性能。

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

5 技術(shù)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(fā)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(huán)和油環(huán)。圖6示出了用于轎車柴油機和汽油機的經(jīng)摩擦優(yōu)化的活塞環(huán)組結(jié)構(gòu)設計。第1道壓縮環(huán)和油環(huán)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(yōu)先用于這兩種活塞環(huán)。

圖6 降低轎車發(fā)動機活塞環(huán)組摩擦的實例

除了在活塞工作表面使用涂層外，還須根據(jù)發(fā)動機的不同狀況，通過合理設計活塞環(huán)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(yōu)化其摩擦性能和功能。

6 結(jié)語

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

率樹立了新標桿。與傳統(tǒng)活塞環(huán)涂層相比，新型活塞環(huán)涂層具有更高的耐磨損性和抗燒損性能，而且根據(jù)不同的發(fā)動機用途，可節(jié)油1.5%，相當于CO2排放降低3g/km。作為DuroGlide涂層的開發(fā)成果，借助于等離子體工藝技術(shù)，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(huán)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(xù)的發(fā)動機試驗證實了新型涂層的有效性，這一工藝現(xiàn)已被投入量產(chǎn)。

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)