汽油機(jī)和柴油機(jī)活塞環(huán)的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

文/江蘇 范明強(qiáng)

汽油機(jī)和柴油機(jī)活塞環(huán)的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

文/江蘇 范明強(qiáng)

編者按：作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的資深專家，范明強(qiáng)老師在我刊《基礎(chǔ)知識(shí)講座》發(fā)表的連載文章“現(xiàn)代缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)”、“現(xiàn)代轎車柴油機(jī)電控高壓噴油系統(tǒng)”深受廣大讀者喜愛。除了對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)普及工作的孜孜不倦，在2012年第10期《汽車維修與保養(yǎng)》專家文集付印之際，范明強(qiáng)老師還特意為我刊撰寫了《汽油機(jī)和柴油機(jī)活塞環(huán)的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)》一文。該文就發(fā)動(dòng)機(jī)在面臨“動(dòng)力更強(qiáng)、效率更高、排放更低”等不斷提高的技術(shù)要求下，活塞環(huán)如何提高發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命、降低發(fā)動(dòng)機(jī)維修成本這一技術(shù)難點(diǎn)，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工作原理以及國(guó)際市場(chǎng)展望等方面為廣大讀者做了詳細(xì)的介紹。

現(xiàn)代汽車要求發(fā)動(dòng)機(jī)具有更高的功率、更低的油耗和更潔凈的廢氣排放，汽油機(jī)和柴油機(jī)活塞環(huán)的材料以及耐磨性和結(jié)構(gòu)等對(duì)實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)具有重要作用。

由于未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)功率越來(lái)越高，而排放法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格，并要求在降低維修成本的同時(shí)，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，這一切都對(duì)現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞環(huán)，特別是第一道壓縮環(huán)，提出了更高的要求。

發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)的主要功能在于：①汽缸內(nèi)高溫高壓燃?xì)獾拿芊猓虎谠诖_保耐燒蝕強(qiáng)度的同時(shí)，具有良好的熱傳導(dǎo)性；③控制機(jī)油耗，降低廢氣排放(這對(duì)于顆粒排放特別重要)；④通過應(yīng)用適合于批量生產(chǎn)成本的材料、涂層、結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝，限制磨損率，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。

表1 活塞環(huán)典型的鑄造材料(＊ 指對(duì)應(yīng)于特定環(huán)尺寸的數(shù)值)

一、設(shè)計(jì)特點(diǎn)

以下介紹車用汽油機(jī)和柴油機(jī)活塞第一、第二道壓縮環(huán)基本材料、鍍層、結(jié)構(gòu)型式和軸向高度等方面的發(fā)展?fàn)顩r，以及為滿足工作表面幾何形狀、耐磨性(鍍層)、貼合能力和側(cè)面強(qiáng)化等方面特殊設(shè)計(jì)要求的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。

1．基本材料

目前活塞環(huán)采用各種品質(zhì)的鑄鐵和鋼作為材料。對(duì)鑄鐵材料而言，如表1所示，按照材料強(qiáng)度、彈性延伸率、疲勞強(qiáng)度和耐磨性等指標(biāo)表征的承載能力，可選用的各種鑄鐵材料幾乎都用到了。對(duì)于第一道壓縮環(huán)，應(yīng)特別優(yōu)先選用一種具有最高抗彎強(qiáng)度和彈性模數(shù)的球墨鑄鐵，其基體為馬氏體，以獲得高的硬度，可使側(cè)面具有較好的耐磨性。

當(dāng)今新開發(fā)的一種在調(diào)質(zhì)熱處理狀態(tài)下呈現(xiàn)細(xì)化片狀組織的灰鑄鐵材料，被應(yīng)用于第二道活塞環(huán)，使其實(shí)現(xiàn)無(wú)鍍層環(huán)的應(yīng)用，并通過生成鉻、釩、錳和鎢元素的特殊碳化物，以及馬氏體基體組織，以獲得良好的耐磨性。而GOE44可鍛鑄鐵是一種在細(xì)化珠光體基體組織中針對(duì)性地生成殘余碳化物成分的材料，能將高抗切向力強(qiáng)度與良好的耐磨性結(jié)合起來(lái)。

由于對(duì)材料強(qiáng)度，特別是疲勞強(qiáng)度和良好耐磨性的要求越來(lái)越高，現(xiàn)在趨向于進(jìn)一步優(yōu)化球狀石墨的生成，以便在靜態(tài)(裝配狀態(tài))和動(dòng)態(tài)負(fù)荷下獲得較高的抗彎強(qiáng)度，同時(shí)用貝氏體基體組織來(lái)獲得活塞環(huán)側(cè)面和工作表面較低的磨損率。

由于汽油機(jī)和柴油機(jī)活塞結(jié)構(gòu)高度不斷降低，壓縮環(huán)的軸向高度相應(yīng)減小，特別是現(xiàn)代轎車柴油機(jī)的強(qiáng)化程度越來(lái)越高，最大汽缸爆發(fā)壓力已高達(dá)2MPa，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求越來(lái)越高，這一切都要求提高活塞環(huán)側(cè)面的強(qiáng)度儲(chǔ)備和耐磨性，鋼材料特別符合這些要求。與鑄鐵材料相比，鋼具有良好的機(jī)械動(dòng)態(tài)承載能力，因此在彎曲負(fù)荷增大的情況下具有較高的疲勞強(qiáng)度。圖1是活塞環(huán)用基本材料可承受的應(yīng)力幅。當(dāng)然，通過表面鍍層和

表面處理可部分縮小鑄鐵和鋼之間的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度差異。試驗(yàn)表明，通過附加的化學(xué)處理可使氮化鋼活塞環(huán)的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度提高大約30%。

應(yīng)用含鉻量為13%或18%的高鉻馬氏體鋼，這種材料通過生成精細(xì)分布的鉻碳化物和附加生成的滲氮層可使表面層硬度明顯提高，從而獲得良好的耐磨性。如果使用調(diào)質(zhì)處理的Cr-Si低合金鋼，那么環(huán)工作表面鍍層是必需的。

最近20多年內(nèi)，國(guó)外車用汽油機(jī)第1道壓縮環(huán)都已由鑄鐵環(huán)改用鋼環(huán)，特別是歐洲和日本偏愛于氮化鋼環(huán)(見表2)。在車用汽油機(jī)高轉(zhuǎn)速條件下，軸向高度低的第1道鋼環(huán)已成為標(biāo)準(zhǔn)零件，在此期間開發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)第1道環(huán)超過90%采用氮化鋼環(huán)，而第2道環(huán)大多采用成本較低的鑄鐵環(huán)，并根據(jù)各自的功能要求選擇相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式和工作表面涂層。

在歐洲轎車柴油機(jī)即升功率大于50kW/L的高強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)上，第1道壓縮環(huán)必須使用牌號(hào)為52/56的球墨鑄鐵，第2道環(huán)采用牌號(hào)為32的調(diào)質(zhì)耐磨灰鑄鐵(見表3)。通過采用強(qiáng)化的球墨鑄鐵(GOE 56)或18%鉻鋼來(lái)改善環(huán)側(cè)面特別是上側(cè)面的耐磨性。當(dāng)然，特別是在環(huán)軸向高度低的情況下，使用鋼環(huán)存在著環(huán)槽磨損增大的風(fēng)險(xiǎn)，但在平時(shí)情況下環(huán)槽和環(huán)側(cè)面的總磨損量差異并不大。

在柴油機(jī)上，由于活塞環(huán)的軸向高度較高，其材料向鋼演變的傾向并不明顯，一方面是因?yàn)殍T鐵環(huán)和環(huán)槽鑲?cè)Σ牧现g的材料配對(duì)非常好；另一方面是因?yàn)殍T鐵材料具有非常好的加工性，這對(duì)形成尖銳的環(huán)下工作邊棱特別重要。

商用車柴油機(jī)第1道壓縮環(huán)使用球墨鑄鐵已有非常豐富的經(jīng)驗(yàn)，從球墨鑄鐵環(huán)在歐洲柴油機(jī)的使用上占有很高的比例就可以看出(見表3)。但是，自上世紀(jì)60年代以來(lái)，具有非常低軸向磨損的18 % 鉻鋼鍍層壓縮環(huán)，在商用車柴油機(jī)的應(yīng)用上也具有相當(dāng)豐富的使用經(jīng)驗(yàn)。此外，隨著汽缸爆發(fā)壓力超過20 MPa，可望鋼活塞環(huán)的應(yīng)用會(huì)有所增加。

表2 歐洲汽油機(jī)第1和2道活塞環(huán)材料的分布

表3 歐洲柴油機(jī)活塞環(huán)材料的分布(批量生產(chǎn)和研發(fā)，2010)

2． 活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)型式

車用汽油機(jī)第1道活塞環(huán)100%采用矩形環(huán),其工作表面根據(jù)有關(guān)機(jī)油耗和曲軸箱通風(fēng)方面的要求,采用對(duì)稱球形、單邊球形或錐形。大約30%的歐洲轎車汽油機(jī)，為了改善機(jī)油消耗，工作表面不是帶有單邊鼓形度就是帶有錐度。

轎車柴油機(jī)大部分第1道活塞環(huán)同樣采用矩形環(huán)。在最近25年內(nèi)，轎車柴油機(jī)第1道活塞環(huán)采用雙梯形環(huán)的比例穩(wěn)定在30%左右。隨著汽缸直徑的增大，受燃燒側(cè)的影響，雙梯形環(huán)的比重也隨之增加(見圖2)。

3． 活塞環(huán)的軸向高度

最近25年,國(guó)外汽油機(jī)第1道壓縮環(huán)明顯趨向于低軸向高度(見圖3)。由于轉(zhuǎn)速的提高和由此而導(dǎo)致的活塞質(zhì)量的減輕或尺寸的縮小，活塞環(huán)高度的降低在技術(shù)上是必要的。對(duì)于第1道活塞環(huán)必須應(yīng)用軸向高度低的環(huán)而言，開發(fā)氮化鋼環(huán)是一個(gè)前提條件。當(dāng)今,開發(fā)汽油機(jī)時(shí),1.0mm和1.2 mm環(huán)高是第1道活塞環(huán)優(yōu)先選擇的尺寸,而第2道活塞環(huán)優(yōu)先選擇1.2 ～1.75mm之間的尺寸。

在柴油機(jī)上，由于汽缸爆發(fā)壓力大大升高，不會(huì)出現(xiàn)活塞環(huán)軸向高度降低的趨勢(shì)(見圖4、圖5)，其中活塞環(huán)高度的降低很可能出現(xiàn)在缸徑小于75mm的柴油機(jī)上，而在商用車柴油機(jī)上，由于爆發(fā)壓力的升高而傾向于加大活塞環(huán)的高度。當(dāng)考慮到應(yīng)用軸向高度低的活塞環(huán)對(duì)降低摩擦功率具有相當(dāng)大的作用時(shí)，也要特別注意對(duì)軸向耐磨性可能產(chǎn)生的影響。

二、工作表面的耐磨性

現(xiàn)代車用發(fā)動(dòng)機(jī)所采用的噴油和燃燒策略,使第1道活塞環(huán)承受著明顯提高的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，因此通過以下方法提高活塞環(huán)工作表面的耐磨性是開發(fā)工作的重點(diǎn)。

1．電化學(xué)鍍層

現(xiàn)在，標(biāo)準(zhǔn)硬鉻鍍層優(yōu)先選擇用作第2道環(huán)和刮油環(huán)的耐磨層。多年來(lái)，這種鉻陶瓷(CKS)由于具有較高的熱負(fù)荷承載能力和良好的耐磨性，因此在現(xiàn)代高強(qiáng)化柴油機(jī)上有廣泛的應(yīng)用。

為了滿足更高的要求，美國(guó)Federal-Mogul公司開發(fā)了一種新的鍍層方法。這種鍍層是在硬鉻基體上由特殊的基質(zhì)組織形成的極細(xì)微的裂紋網(wǎng)格，并在其中牢固地固定著密集的極小的金剛石微粒(見圖6)，這種鉻金剛石鍍層命名為GDC，它是市場(chǎng)上眾多鍍層中自身磨損最低的一種涂層。這種GDC鍍層能形成尖銳的環(huán)下工作棱邊，在具有高熱負(fù)荷承載能力和耐磨性的同時(shí)，成為降低機(jī)油耗和曲軸箱通風(fēng)的重要措施，并以其有利的綜合性能為未來(lái)新一代高強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)提供了一種創(chuàng)新技術(shù)。由于這種電化學(xué)鍍層方法具有相對(duì)較高的析出率，因此在工藝方法上具有很大的吸引力。

在電化學(xué)鍍層方面，主要的發(fā)展方向是針對(duì)新材料組合和表面金相組織，進(jìn)一步提高鉻基體鍍層的熱負(fù)荷承載能力，同時(shí)在磨損和機(jī)械效率方面又不能出現(xiàn)重大的缺陷。

2． 熱噴鍍

多年來(lái)，在車用發(fā)動(dòng)機(jī)上，熱噴鍍主要用于壓縮環(huán)，特別是等離子噴鍍中陶瓷噴鍍占了很大份額。應(yīng)用陶瓷噴鍍非常有利于減少因活塞環(huán)和汽缸壁之間增加的粘連磨損而引起的燒損痕跡，但它并不適合進(jìn)一步改善耐磨性的硬質(zhì)合金類組織的析出。為此，開發(fā)了高速火焰噴鍍(HVOF)技術(shù)，它能將超聲波火焰中的粉末狀CrC、WC材料和金屬狀Ni-Cr-Mo合金植入并燒結(jié)在活塞環(huán)工作表面，這是在大約3000℃的溫度下進(jìn)行的噴鍍，這樣在鍍層(見圖7)的內(nèi)部壓應(yīng)力下，形成埋入Ni-Cr-Mo基體中的亞微觀碳化物。這種鍍層具有多孔性、最高的附著強(qiáng)度和750～1000HV硬度。除了陶瓷鍍層組織具有改善抗粘連燒損性能外，德國(guó)Federal-Mogul公司以MK-Jet商標(biāo)使用的HVOF鍍層也具有出眾的耐磨性，其磨損率要比等離子噴鍍降低30%～40%。

3． 氮化層

高鉻合金馬氏體鋼上形成的氮化層，由于邊緣區(qū)域的硬度明顯提高，以及隨之而來(lái)的特殊氮析出物，使活塞環(huán)-汽缸套摩擦副的磨損大大降低。特別是氮化工藝過程的發(fā)展，使得有針對(duì)性地控制氮化層的形成成為可能，這對(duì)氮化層應(yīng)用的發(fā)展具有決定性的意義。圖8示出了汽油機(jī)實(shí)際應(yīng)用的典型氮化層顯微組織的照片。

活塞環(huán)整體的氮化層提高了環(huán)側(cè)面的耐磨性，加上環(huán)槽鑲?cè)?cè)面的超精磨光，達(dá)到了活塞環(huán)側(cè)面與環(huán)槽側(cè)面良好的協(xié)調(diào)性，實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)證明這樣的配對(duì)是十分有利的。但是，氮化鋼環(huán)的耐磨性及其相對(duì)較低的熱負(fù)荷承載能力，一般來(lái)說(shuō)還不夠應(yīng)用于現(xiàn)代柴油機(jī)第一道活塞環(huán)。

4．物理蒸汽沉淀(PVD)涂層

最新一代的活塞環(huán)涂層是按物理蒸汽沉淀(PVD)法制造的。原則上，這種主要在鉻氮(CrN)基礎(chǔ)上形成的涂層(見圖9)，其性

能特點(diǎn)是具有1800～2000HV之間極高的硬度、低的摩擦系數(shù)和陶瓷結(jié)晶體組織，因此這種CrN涂層顯現(xiàn)出較低的磨損率和較高的化學(xué)穩(wěn)定性。但是，這種從簿層技術(shù)衍生而來(lái)的涂層工藝，使得PVD涂層在活塞環(huán)上的應(yīng)用受到了限制。事實(shí)證明，在涂層厚度超過50μm的情況下，由于極高的涂層內(nèi)應(yīng)力，出現(xiàn)了涂層的附著和裂紋問題。要解決這些難點(diǎn)，首先要用鋼作為PVD涂層活塞環(huán)的基體材料，同時(shí)為了減少涂層與活塞環(huán)基體材料之間的內(nèi)應(yīng)力，活塞環(huán)基體材料應(yīng)進(jìn)行氮化。通常，用于汽油機(jī)的涂層厚度為10～15μm，而柴油機(jī)，由于引起磨損的負(fù)荷較高，其涂層厚度選用30～50μm為宜。

5．涂層的性能和市場(chǎng)展望

圖10示出了本文所介紹的涂層相對(duì)耐磨性的比較。GDC工作表面涂層的磨損率是迄今為止最低的，特別是對(duì)柴油機(jī)而言，熱負(fù)荷承載能力、抗燒損能力是必需的，而鉻氮和氮化鋼環(huán)不能滿足現(xiàn)代柴油機(jī)的要求，因此通常不使用。試驗(yàn)表明，高負(fù)荷承載能力涂層在目前典型的車用發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用中沒有明顯差異，仍然能根據(jù)所能達(dá)到的極限負(fù)荷做出有關(guān)涂層熱負(fù)荷承載能力的結(jié)論。CKS鍍層滿足了目前批量生產(chǎn)的要求，并能通過GDC來(lái)擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。MK-Jet(HVOF)鍍層和PVD性能處于涂層分級(jí)的較高水平。

自氮化鋼環(huán)在歐洲汽油機(jī)上使用以來(lái)，上世紀(jì)90年代初期是確保功能非?？煽康牧慵?。如圖8所示，氮化鋼環(huán)橫斷面上表層中相應(yīng)的硬度分布情況，通過用CKS或PVD方法附加涂層，有可能提高到要求的抗燒損能力。圖11顯示出1985～2010年間歐洲批量生產(chǎn)汽油機(jī)第一道活塞環(huán)采用涂層的情況。

對(duì)柴油機(jī)而言，為了達(dá)到要求的耐磨性和抗燒損可靠性，早期就已采用的措施仍是必要的。上世紀(jì)90年代初期，繼續(xù)推廣使用的鉻鍍層已達(dá)到了熱負(fù)荷承載能力的極限，雖然等離子涂層具有抗燒損能力，但是卻引起了汽缸套工作表面明顯的錐形磨損，而CKS涂層的開發(fā)成功地使抗燒損的可靠性得到了大幅提高。即使比功率不斷地提高，但這種涂層仍能在保持低的汽缸套磨損的同時(shí)，進(jìn)一步確保必要的抗燒損可靠性。GDC鉻金剛石鍍層使活塞環(huán)工作表面電化學(xué)鍍層的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，以滿足未來(lái)車用發(fā)動(dòng)機(jī)功率進(jìn)一步提高的需要。圖12顯示出1985～2010年期間歐洲轎車柴油機(jī)活塞環(huán)涂層的應(yīng)用狀況。

三、活塞環(huán)工作表面的設(shè)計(jì)

第一道活塞環(huán)工作表面的設(shè)計(jì)，在柴油機(jī)上越來(lái)越重要。第一道活塞環(huán)工作表面單邊鼓形設(shè)計(jì)已經(jīng)有20多年的歷史，對(duì)歐洲柴油機(jī)而言已是一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。下工作邊旁的微小鼓形度在功能上起著重要的作用，同時(shí)也對(duì)現(xiàn)代制造技術(shù)提出了更高的要求。

為了獲得最佳的刮油性能，良好的活塞環(huán)工作表面設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能帶有尖銳的下工作棱邊。與不加工的倒圓工作棱邊相比，采用尖銳的基體材料工作棱邊的活塞環(huán)能改善機(jī)油耗，其最高可達(dá)到60%。

四、貼合能力

彈簧漲緊的刮油環(huán)的貼合能力取決于其橫截面和所調(diào)整的切向力，而常規(guī)等寬單體壓縮環(huán)貼合能力的額定值則首先決定于開口寬度。在一定的幾何尺寸下，無(wú)論是裝配應(yīng)力還是彈性應(yīng)力都是由開口寬度決定的，因此，合適的應(yīng)力狀況和可裝配性為貼合能力限制了相對(duì)窄的范圍。

單體環(huán)的貼合能力在整個(gè)圓周上是不均勻的，特別是在環(huán)開口對(duì)面達(dá)到最大值。由于在開口端部沒有彎曲力矩，因此該處的貼合能力降為零。圖13原理性地顯示出常規(guī)活塞環(huán)和一種FO(形狀優(yōu)化)活塞環(huán)在整個(gè)活塞環(huán)圓周上貼合能力的比較。如圖14所示的FO活塞環(huán)通過靠近開口處徑向?qū)挾鹊目勺冊(cè)O(shè)計(jì)得到了形狀優(yōu)化的活塞環(huán)，從而改善了活塞環(huán)的局部彎曲能力和對(duì)汽缸不均勻變形的適應(yīng)能力。

迄今為止，汽油機(jī)和柴油機(jī)上的試驗(yàn)結(jié)果已證實(shí)這種貼合能力優(yōu)化的FO活塞環(huán)降低機(jī)油耗的巨大潛力。為了換用FO活塞環(huán)，美國(guó)Federal-Mogul公司開發(fā)了一種全新的制造方法，并于2005年第一季度首次大量生產(chǎn)、裝用FO活塞環(huán)。

五、活塞環(huán)的側(cè)面強(qiáng)化

現(xiàn)在新一代發(fā)動(dòng)機(jī)的要求使得側(cè)面強(qiáng)化成為活塞環(huán)磨損或材料協(xié)調(diào)性的基礎(chǔ)。氮化鋼活塞環(huán)側(cè)面鍍鉻在重型柴油機(jī)上已很好地證實(shí)了其可靠性。開發(fā)的新鍍層方法，使得矩形環(huán)和梯形環(huán)側(cè)面的鍍鉻層厚度最大可達(dá)10μm，同時(shí)能取消傳統(tǒng)工藝過程中所必需的昂貴的精加工?！伴W光鍍鉻技術(shù)”制造的活塞環(huán)，在2005年已開始在商用車柴油機(jī)上使用。

不久的將來(lái)，車用汽油機(jī)和柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷、熱負(fù)荷還要進(jìn)一步提高，要求活塞環(huán)在設(shè)計(jì)和制造工藝上進(jìn)一步創(chuàng)新，活塞環(huán)基礎(chǔ)材料的強(qiáng)度和耐磨性也要進(jìn)一步開發(fā)。未來(lái)車用柴油機(jī)第一道壓縮環(huán)除了應(yīng)用鑄鐵材料外，鋼材料也將得到應(yīng)用。

目前選用的電化學(xué)鍍層、熱噴鍍鍍層和PVD鍍層等，在原則上尚未達(dá)到其使用極限，應(yīng)根據(jù)活塞環(huán)的使用條件采取不同的解決方案。為了滿足低機(jī)油耗和曲軸箱通風(fēng)所提出的要求，應(yīng)采用具有最佳幾何形狀的活塞環(huán)，例如最合適的工作表面或形狀優(yōu)化的FO活塞環(huán)，以進(jìn)一步提高活塞環(huán)的貼合能力。