DuroGlide?
——用于高燃油效率商用車發(fā)動機的新一代活塞環(huán)涂層

[德] S.Hoppe [美] T.Kantola

材料工藝

DuroGlide?
——用于高燃油效率商用車發(fā)動機的新一代活塞環(huán)涂層

[德] S.Hoppe [美] T.Kantola

商用車發(fā)動機發(fā)展的根本驅(qū)動力是提高燃油效率及滿足愈加嚴格的廢氣排放法規(guī)，這為發(fā)動機零部件，特別是活塞環(huán)的開發(fā)提出了重大挑戰(zhàn)。在動力氣缸中，活塞環(huán)組是摩擦損失的重要部件，活塞環(huán)組的摩擦損失占發(fā)動機總機械摩擦損失的25%，相應(yīng)影響燃油耗高達4%。要在不影響機油消耗的前提下，減小摩擦功率損失，同時滿足由于功率密度增加、缸孔更平滑、潤滑減少，以及使用代用燃料等越來越多的活塞環(huán)熱機械學(xué)和摩擦學(xué)要求。在這種情況下，以耐磨性和抗刮擦性為特征的活塞環(huán)工作表面的可靠性發(fā)揮著日益重要的作用。活塞環(huán)表面涂層作為關(guān)鍵設(shè)計要素，必然是解決活塞環(huán)/氣缸套摩擦學(xué)系統(tǒng)摩擦損失和增加可靠性的主要焦點之一。概述了新一代四面體非晶質(zhì)碳基(ta-C)活塞環(huán)涂層的開發(fā)，這項名為“DuroGlide?”的活塞環(huán)涂層在提高產(chǎn)品性能、減小摩擦方面樹立了新的標準。DuroGlide?涂層活塞環(huán)與其他同類產(chǎn)品相比，具有更出色的耐久性、耐磨性和抗刮擦性，結(jié)合先進的頂環(huán)和油環(huán)設(shè)計，可使商用車發(fā)動機節(jié)省燃油耗多達1.2%。介紹了DuroGlide?涂層如何提供優(yōu)越的耐磨性和抗刮擦性，從而在潤滑條件不良的情況下具有更高的性能和燃油效率。最后，總結(jié)了上壓縮環(huán)和油環(huán)的臺架試驗和發(fā)動機驗證的基本結(jié)果。

商用車 發(fā)動機 活塞環(huán) 涂層 可靠性

0 前言

在美國，有研究認為商用車僅占道路行駛車輛的7%左右，但其燃油消耗量卻超過道路車輛所用燃油的25%。為此，聯(lián)邦授權(quán)的燃油和排放法規(guī)的重點是把提高商用車燃油經(jīng)濟性作為改善空氣質(zhì)量和能源獨立戰(zhàn)略的關(guān)鍵因素。發(fā)動機制造商之間用以實現(xiàn)減排目標的方法和技術(shù)差別很大，目前啟動的工程技術(shù)開發(fā)費用昂貴。因為發(fā)動機零部件將經(jīng)歷新的運行邊界條件，增加了一定程度的不確定性。開發(fā)人員和用戶都需要采用耐用零部件，以確保實現(xiàn)預(yù)期的排放和燃油經(jīng)濟性。商用車發(fā)動機制造商正在尋求提高零部件可靠性的方法。在這種情況下，推出更耐用的發(fā)動機零部件和材料已成為研發(fā)的關(guān)鍵因素。

為達到聯(lián)邦排放和燃油消耗標準，中型和大型發(fā)動機制造商正在研究和實施創(chuàng)新的發(fā)動機循環(huán)策略。研究人員已提供了許多建議，如采用更高的燃燒壓力、使用低粘度機油、采用壓縮天然氣或丙烷做燃料(火花點燃發(fā)動機)、廢氣再循環(huán)，以及大量非傳統(tǒng)燃燒模式來達到已頒布法規(guī)的要求。其中有許多建議會對活塞頂部壓縮環(huán)的Stribeck潤滑摩擦學(xué)模式產(chǎn)生影響。例如，發(fā)動機降轉(zhuǎn)速使其在低速時達到特定的功率水平，產(chǎn)生更高更持久的壓力曲線，從而增加活塞環(huán)/缸孔界面上的法向力并降低Stribeck數(shù)。同理，使用低粘度機油并減小流體剪切厚度，可同樣改變Stribeck數(shù)。因此，在選擇這些上壓縮環(huán)材料時，必須考慮商用車發(fā)動機制造商目前必須執(zhí)行的附加需求，把滑動零部件推到遠離Stribeck曲線的下方。

除了工況模式要求外，中型和大型發(fā)動機使用的代用燃料也給上壓縮環(huán)提出了挑戰(zhàn)。例如，天然氣燃料由于其固有的潤滑性很差，導(dǎo)致了許多活塞環(huán)材料難以維持非傳統(tǒng)摩擦學(xué)狀況；還導(dǎo)致將上壓縮環(huán)更遠地推到Stribeck曲線下方的情況。事實上，合理選擇材料有利于發(fā)動機模式化運行。

降低燃油消耗和排放的其他策略包括降低缸孔表面粗糙度、提高油環(huán)張力、減小機油泵供油量，以及新的燃料供給方式等，所有這些策略都會導(dǎo)致不同程度的潤滑性和燃燒室中的各種化學(xué)問題。上壓縮環(huán)材料必須能承受邊界混合潤滑條件，而且不能有明顯的磨損和刮擦現(xiàn)象。

柴油機機油消耗是顆粒排放物中產(chǎn)生可溶性有機物和含碳物質(zhì)的重要因素。許多子系統(tǒng)都對柴油機的機油消耗有影響，如氣門桿密封、曲軸箱強制通風、渦輪增壓器，以及動力氣缸組件等，通常認為，動力氣缸組件是最主要的機油消耗來源。在動力氣缸內(nèi)減少機油消耗的傳統(tǒng)方法包括降低缸孔粗糙度、采用油環(huán)組件，以及增加活塞環(huán)的張力等。所有這些方法通過增加法向力的單位負荷、減小作用面積或減少機油供給等都有助于減小Stribeck數(shù)。其中，除降低缸孔粗糙度外，其他方法都會增加摩擦。缸孔粗糙度降低和由此導(dǎo)致的潤滑油可用性降低使得摩擦的動力氣缸組件臨界于刮擦條件。研究人員認為機油耗控制和摩擦反向相關(guān)，并始終存在潛在的活塞環(huán)或活塞刮擦風險，需要采取應(yīng)對措施。在這種情況下，采用更可靠的發(fā)動機零部件和材料變得尤為關(guān)鍵。

考慮到上述要求和條件，理想的活塞環(huán)涂層必須具有良好的耐久性，且磨損率非常低，同時不存在潛在刮擦風險。另外，在理想情況下，該材料在混合潤滑條件下應(yīng)具有超低的摩擦系數(shù)。從摩擦學(xué)角度來看，涂層應(yīng)與混合潤滑相容，并允許進行獨特的活塞環(huán)設(shè)計，從而幫助商用車行業(yè)達到燃油和排放法規(guī)要求。ta-C涂層能夠適應(yīng)這些要求，本文也將提供支持該觀點的試驗臺與發(fā)動機數(shù)據(jù)。

1 活塞環(huán)對燃油效率的影響

商用柴油機的燃油能量利用率在50%左右。5%～10%的燃油耗用于克服機械損失，在這些機械損失中，50%左右是由活塞總成引起，其余來自于全負荷時的活塞環(huán)摩擦損失(部分負荷時損失更高)?；钊h(huán)的摩擦損失可達25%以上，總的來說，活塞環(huán)大約能消耗發(fā)動機燃油耗總量的4%～5%。

眾所周知，活塞環(huán)總摩擦取決于混合摩擦和流體動力摩擦，其中，摩擦力的大小在很大程度上受摩擦條件(如活塞速度、機油粘度、缸孔幾何形狀和粗糙度等)的影響。如圖1所示，特別是在上止點和下止點時，混合摩擦的影響顯著，原因是氣壓力和活塞減速增加了活塞環(huán)和氣缸壁之間的粗糙面接觸。

除了表面涂層外，活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)特征如軸向?qū)挾取⒒钊h(huán)周邊的桶面形狀，以及油環(huán)切向負荷等也是減小摩擦的相關(guān)因素。例如，將發(fā)動機的頂部壓縮環(huán)的軸向?qū)挾葟?mm減小到2mm后，通過較低的氣體作用力、活塞環(huán)桶面幾何形狀變化和切向力共同影響，可使頂部壓縮環(huán)的摩擦力降低28%。

2 副作用管理

為使整車廠提升高燃油效率發(fā)動機的開發(fā)潛力，需要采用更加可靠的零部件。挑戰(zhàn)是減小活塞環(huán)與缸孔接觸導(dǎo)致的摩擦損失，同時能承受高溫、脈動的高負荷和不良潤滑等不利條件。然而，除了傳統(tǒng)的具有高挑戰(zhàn)性的工作環(huán)境，活塞環(huán)還要面對新發(fā)動機概念中的極端潤滑條件，如更光滑的缸孔、低粘度機油或代用燃料等，這些都要求活塞環(huán)具有更優(yōu)越的抗刮擦性和可靠性。因此，耐用的活塞環(huán)和氣缸摩擦學(xué)系統(tǒng)正在成為實現(xiàn)發(fā)動機性能目標的極其重要的特征。

3 活塞環(huán)涂層的作用

活塞環(huán)涂層在滿足卡車用發(fā)動機必需的預(yù)期壽命中發(fā)揮著重要作用。隨著發(fā)動機結(jié)構(gòu)的改進，活塞環(huán)涂層也必須發(fā)展，以順應(yīng)這種改變或使發(fā)動機結(jié)構(gòu)改進成為可能。采用具有氧化鋁(CKS)或Goetze金剛石(GDC)等硬質(zhì)顆粒嵌入物的鉻涂層是滿足越來越高的氣體壓力和熱負荷的有效措施，并有助于將活塞環(huán)和缸孔系統(tǒng)的磨損維持在最低水平。隨著物理氣相沉積(PVD)氮化鉻(CrN)涂層的發(fā)展，活塞環(huán)可以承受更高的熱負荷。

涂層作為關(guān)鍵的摩擦學(xué)設(shè)計要素，必然是控制活塞環(huán)/氣缸摩擦學(xué)系統(tǒng)的主要焦點。

如圖2所示，活塞環(huán)涂層的類型可根據(jù)震蕩式臺架試驗中測量的摩擦力進行排名。結(jié)果表明，氫化類金剛石結(jié)構(gòu)碳材料涂層(DLC)和ta-C涂層(DuroGlide?)比PVD-CrN和顆粒增強鉻涂層在減少摩擦損失方面具有更大的潛力。

DLC涂層本身的摩擦系數(shù)非常低，因此，在混合潤滑條件下能顯著降低摩擦損失。另外，DLC涂層主要由碳構(gòu)成，其刮擦傾向非常低。由于具有這些特點，DLC涂層特別適用于超載情況下的活塞環(huán)。眾所周知，傳統(tǒng)的DLC涂層雖為低摩擦涂層，但其厚度只有幾微米，從而限制了其在耐磨性要求很高的零部件(如商用車活塞環(huán))上的應(yīng)用。

4 新一代ta-C活塞環(huán)涂層

為克服上述局限性，F(xiàn)ederal-Mogul公司開發(fā)出了一種名為“DuroGlide?”的新型DLC活塞環(huán)涂層，其特征為四面體型非晶質(zhì)碳基材料ta-C。該ta-C涂層是一種超耐磨涂層，用一種新型的等離子體輔助高真空噴涂工藝方法制造，涂層厚度可增至20μm以上，磨損率很低，能充分滿足商用車發(fā)動機的長使用壽命要求。隨著ta-C涂層的開發(fā)成功，具有低摩擦、抗磨損性和突出的抗刮擦性的DLC涂層已能應(yīng)用于商用車發(fā)動機制造領(lǐng)域。

5 涂層特點

DuroGlide? ta-C涂層的結(jié)構(gòu)特征是具有均勻的非晶質(zhì)碳基涂層，其組織結(jié)構(gòu)如圖3所示。這種新型無氫碳基涂層可以達到先前無氫DLC涂層無法達到的厚度。這種更大涂敷厚度的能力是通過減小涂層內(nèi)應(yīng)力從而使其在活塞環(huán)表面具有優(yōu)良的附著力來實現(xiàn)的，適用于所有采用鑄鐵或鋼質(zhì)材料的活塞環(huán)。Ta-C涂層中的sp3-雜化碳的含量高達50%～85%，且形成了四面體碳原子結(jié)構(gòu)，使涂層硬度高達5000HV0.2。這種硬質(zhì)涂層的特征在于具有抗磨損所必須的低粗糙度。無氫涂層確保其能耐受高達500℃的高溫，這是先進柴油機的特征。

6 性能優(yōu)勢

通過臺架試驗發(fā)現(xiàn)ta-C涂層具有獨特的低摩擦、耐磨損和抗刮擦性等獨特性能，并在輕型車發(fā)動機上進行了試驗，并且在高負荷、渦輪增壓輕型車柴油機上也進行了幾輪發(fā)動機耐久性試驗。圖4表明，ta-C涂層頂部壓縮環(huán)的徑向磨損比PVD涂層或GDC涂層活塞環(huán)顯著降低。

許多發(fā)動機研發(fā)人員都在使用低粘度機油，以滿足強制性CO2排放和燃油效率目標要求。該項工作大多是用高溫/高剪切低粘度(HTHS)機油(定義為150℃時機油粘度小于<3.5cSt)來完成。圖5表示采用HTHS 2.9機油，在最大負荷情況下，模擬極差潤滑條件的臺架試驗研究結(jié)果。臺架試驗采用在批量生產(chǎn)條件下制造的直徑為132mm的活塞環(huán)區(qū)段和直徑為139mm的平臺珩磨氣缸套。試驗規(guī)范如表1所示。

比較表明，降低潤滑油粘度的高影響力和ta-C涂層的優(yōu)勢。無論試驗是否采用GDC涂層或PVD涂層活塞環(huán)，在使用低粘度HTHS 2.9潤滑油的情況下，摩擦學(xué)系統(tǒng)測得的刮擦?xí)r間減少了50%。與PVD涂層活塞環(huán)的高熱負荷耐磨性相比，ta-C涂層活塞環(huán)的耐刮擦性明顯提高。在上述極端滑動條件下，沒有觀察到擦傷跡象(定義為摩擦系數(shù)從0.3開始并逐步提高)。這一結(jié)果可能會排除采用分層的PVD/DLC方案，因為最常用的氫化DLC涂層厚度較小，容易將DLC涂層刮擦掉。

表1 活塞環(huán)氣缸套潤滑摩擦系統(tǒng)耐刮擦性臺架試驗條件

具有良好燃油經(jīng)濟性的未來發(fā)動機的開發(fā)方案包括采用涂覆氣缸缸孔。熱噴涂氣缸涂層因具有多孔的儲油結(jié)構(gòu)和特殊的表面形態(tài)，與活塞環(huán)組的潤滑條件很匹配。通過模擬活塞環(huán)周邊與缸孔的摩擦學(xué)條件的臺架試驗表明，使用鐵基熱噴涂氣缸時，活塞環(huán)周邊和氣缸上止點處的磨損增加。

臺架試驗表明，GDC涂層和PVD涂層的活塞環(huán)磨損增加率相同，而ta-C涂層活塞環(huán)能更有效地應(yīng)對這個具有挑戰(zhàn)性的摩擦學(xué)條件。在具有鐵基缸孔的渦輪增壓、直噴柴油機上進行的440h耐久試驗表明，ta-C涂層頂部壓縮環(huán)與量產(chǎn)活塞環(huán)組相比，磨損率減小50%。

表2 摩擦損失測量用浮動氣缸套試驗發(fā)動機技術(shù)規(guī)范(結(jié)果如圖6所示)

表3 浮動氣缸套發(fā)動機摩擦試驗工況

同時，還從點燃式浮動氣缸套汽油機上獲得了支持性摩擦數(shù)據(jù)。試驗發(fā)動機的技術(shù)規(guī)范如表2所示，發(fā)動機的試驗工況見表3。

使用ta-C涂層頂部活塞環(huán)和兩段式油環(huán)與其他現(xiàn)有優(yōu)良的活塞環(huán)涂層相比，摩擦明顯減小。與無涂層活塞環(huán)相比，使用ta-C涂層頂環(huán)和油環(huán)可以減小摩擦損失20%，比PVD涂層頂環(huán)和油環(huán)具有更明顯的優(yōu)勢。

7 測動機試驗結(jié)果

臺架試驗和輕型車用發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)表明，無氫DLC涂層尚未達到性能要求，已開始嘗試要求更高的商用車負荷循環(huán)。已有商用車發(fā)動機制造商表示有興趣在其未來節(jié)能發(fā)動機開發(fā)中利用ta-C涂層活塞環(huán)的潛力。為證實ta-C涂層與其他高端活塞環(huán)涂層(如PVD或GDC)相比所具有的顯著優(yōu)勢，進行了一系列商用車發(fā)動機全負荷試驗。

為說明ta-C涂層活塞環(huán)在商用車發(fā)動機上的潛力，對頂部壓縮環(huán)和油環(huán)都進行了涂層處理。圖7示出了涂層與先進的頂環(huán)設(shè)計，特別是與錐岸油環(huán)結(jié)合，從而實現(xiàn)了最佳的功能和摩擦損失優(yōu)勢。

在首個商用車發(fā)動機試驗實例中，對1臺排量為11L的歐6卡車發(fā)動機進行了620h的耐久性試驗，以研究ta-C(DuroGlide?)涂層油環(huán)的摩擦性能及其功能和耐久性。與現(xiàn)有歐6控油環(huán)設(shè)計(電鍍，接觸壓力1.4MPa)相比，測得ta-C涂層錐岸油環(huán)(接觸壓力0.9MPa)的制動比油耗降低約0.7%。圖8表示ta-C涂層錐岸油環(huán)極好的耐磨性，它僅磨損2μm，可以確保在整個發(fā)動機壽命內(nèi)能夠始終控制機油消耗。另外，其功能性也非常好，機油耗小于15g/h，竄氣量最大僅為100L/min。

在整個發(fā)動機試驗結(jié)束時，結(jié)合與活塞環(huán)相關(guān)的特性，進行了1個典型的卡車行駛負荷循環(huán)試驗，表明可以降低燃油耗1.2%左右，同時機油消耗量也有所降低。

在第2個商用車發(fā)動機試驗實例中，為了驗證ta-C(DuroGlide?)的涂層頂部壓縮環(huán)和油環(huán)的耐久性，在1臺6缸、排量12.8L符合歐6排放標準的卡車發(fā)動機上采用特殊的熱循環(huán)試驗進行了全負荷條件系列試驗。發(fā)動機運行了1080h，獲得ta-C涂層頂部壓縮環(huán)和錐岸油環(huán)的可靠性試驗結(jié)果。為與活塞環(huán)組互補，發(fā)動機配置了平臺珩磨灰鑄鐵氣缸套。在整個試驗過程中，發(fā)動機竄氣量和機油消耗率均保持在較低水平。圖9示出了在完成試驗后每個氣缸的ta-C涂層頂部壓縮環(huán)和錐岸油環(huán)開口端周邊狀況。在頂環(huán)開口最關(guān)鍵的區(qū)域沒有表現(xiàn)出全面的磨損。在經(jīng)過長時間的運行后，頂部壓縮環(huán)和油環(huán)都表現(xiàn)出了非常一致的小跡線，表明ta-C活塞環(huán)涂層具有非常好的耐磨性。

經(jīng)過該發(fā)動機試驗后的DuroGlide?涂層頂部壓縮環(huán)的平均活塞環(huán)磨損量與類似情況下經(jīng)過測動機試驗的PVD涂層頂部壓縮環(huán)磨損量的比較見圖10。同時，圖10也示出了在2種情況下上止點處的氣缸磨損情況(負值)。結(jié)果證實了ta-C涂層優(yōu)異的耐磨性。在油環(huán)岸外周表面進行的磨損測量也表明磨損量極低。

此前在同樣的試驗條件下，用幾個PVD涂層頂部壓縮環(huán)進行的試驗中，觀察到了活塞環(huán)周邊過載以及刮擦跡象。在報告的ta-C涂層活塞環(huán)的發(fā)動機試驗中，沒有發(fā)現(xiàn)刮擦現(xiàn)象，氣缸磨損量非常低，且珩磨痕跡依然可見。

8 結(jié)語

基于臺架試驗和大型發(fā)動機耐久性試驗結(jié)果，證明了ta-C DuroGlide?涂層的突出特點。與現(xiàn)有電鍍或PVD材料相比，DuroGlide?能減小摩擦和系統(tǒng)磨損，并具有極好抗刮擦性。在生產(chǎn)中，這種單一涂層厚度可超過20μm，能充分保證在發(fā)動機報廢/再制造前保持這些特征。因此，F(xiàn)ederal-Mogul公司最近決定把具有優(yōu)勢的DuroGlide?涂層技術(shù)推向商用車市場。除了本文給出的發(fā)動機試驗結(jié)果外，其他一些商用車發(fā)動機制造商已開始對DuroGlide?涂層活塞環(huán)的進一步開發(fā)。

DuroGlide?涂層的有利特點將使商用車行業(yè)進一步縮小目前燃油消耗和排放標準與未來標準之間的差距。發(fā)動機控制策略、較高的溫度、較低粘度的機油，以及更有效的活塞環(huán)設(shè)計等可以進一步減小摩擦和機油消耗。

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