用于汽油機和柴油機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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用于汽油機和柴油機的新型活塞裙部涂層

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

降低摩擦對于內(nèi)燃機的總效率起著越來越重要的作用，因此無論是在汽油機還是柴油機上活塞裙部涂層都得到了廣泛的應(yīng)用，這對活塞在燃燒室中工作又提出進一步的要求，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)燃機效率的提高對由活塞、活塞銷和活塞環(huán)組組成的摩擦系統(tǒng)零部件的要求越來越高。為了進一步提高效率，就必須降低寄生損失。以1臺2.0L渦輪增壓缸內(nèi)直噴式汽油機作為參考基準，則可供使用的機械功份額為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公司為汽油機和柴油機活塞裙部涂層開發(fā)了耐久性與發(fā)動機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荷和機械負荷，并已證實，活塞裙部涂層可能已達到其耐久性的邊緣，所以裙部涂層必須進行革新。Federal-Mogul公司成功地開發(fā)出了2種能滿足汽油機和柴油機更高要求并具有高工作能力的活塞裙部涂層，其中，為汽油機和柴油機分別選擇了不同的配方，因為雖然這兩種熱力機械的運行條件越來越趨于相似，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　用于汽油機的活塞裙部涂層

在汽油機上，當未燃燒的燃油稀釋氣缸工作表面上的機油時會對摩擦產(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-停車功能的汽車上，發(fā)動機重新起動時的混合摩擦階段的次數(shù)也會增多。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，并且會對活塞的噪聲輻射產(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，提高了抗磨損性能。圖3示出了試驗中新一代EcoTough裙部涂層的磨損值與廣泛應(yīng)用的標準裙部涂層的比較。與標準裙部涂層相比，這種新型裙部涂層在磨損最多減小40%的同時，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)動機的效率節(jié)省約15%的摩擦功率。

圖3　　　　用于汽油機的新一代EcoTough新型裙部　　　涂層的磨損和摩擦與標準涂層的比較

廣泛的試驗證實了新型裙部涂層的這些特性。為此，首先在機外試驗臺試驗中查明涂層的磨損狀況，然后再在著火發(fā)動機冷起動運轉(zhuǎn)中確定行之有效的涂層方案。試驗所應(yīng)用的發(fā)動機的特點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臺浮動缸套發(fā)動機上實現(xiàn)的[2]。

此外，在開發(fā)和確證進程中，涂層系統(tǒng)還必須進行1種試驗，在這種試驗中涂層被人工預(yù)先損壞，緊接著用強力的高壓機油噴束沖擊(機油噴射試驗)，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)受得住強力的高壓機油噴束的沖擊。這種試驗用數(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大量生產(chǎn)工藝(圖4)進行的，因而能夠低成本地獲得這些磨損和摩擦方面的優(yōu)點。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。

圖4　涂敷活塞裙部涂層的絲網(wǎng)印刷法

3　模擬方法

數(shù)值模擬對于開發(fā)裙部涂層特別是確證其運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估試驗結(jié)果。在新型涂層進行發(fā)動機試驗之前，先計算所應(yīng)用的1.6L汽油機活塞裙部的側(cè)壓力，這樣便于識別易于產(chǎn)生磨損的高接觸壓力的運轉(zhuǎn)范圍，從而就能有針對性地進行活塞的運轉(zhuǎn)試驗。然而，圖5表明運轉(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。這種無損傷地承受局部高單位面積壓力的能力，是高負荷發(fā)動機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　　　　接觸壓力模擬計算與在1.6L汽油機上　　　運轉(zhuǎn)試驗后的裙部涂層的比較

4　用于柴油機的活塞裙部涂層

在柴油機上，特別是高峰值壓力會引起活塞裙部的摩擦和磨損。與汽油機活塞相比，柴油機活塞的剛度要大得多，而且具有專門為柴油機優(yōu)化的裙部造型。當然，由于裙部的剛性較大，就增加了“咬缸風(fēng)險”，而增加潤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裙部涂層。即使柴油機燃油具有較好的潤滑性，與汽油機燃油相比產(chǎn)生的磨損較小，因此能夠開發(fā)優(yōu)化摩擦的柴油機專用活塞裙部涂層。目前，柴油機活塞裙部涂層經(jīng)過多年來的使用已被證實是可靠的，但是與汽油機的發(fā)展情況相類似，柴油機上的機械負荷也進一步提高，柴油機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)用越來越多(圖6)。

圖6　　　　具有新型EcoTough-D裙部　　　涂層的轎車柴油機鋼活塞

這種以聚合物為基礎(chǔ)的涂層同樣也用短的碳纖維加強，而且這種涂層中融合了石墨作為固體潤滑劑。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，其中摩擦比常見的裙部涂層最多低35%，同時抗磨性改善高達30%。全自動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產(chǎn)生有害噪聲輻射的活塞側(cè)向運動。

圖7　　　　用于柴油機活塞的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，這些表面涂層技術(shù)對于提高內(nèi)燃機效率將起到越來越重要的作用。在與活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計和所應(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)化柴油機的噪聲。

這些新型的涂層系統(tǒng)不僅可用于汽油機，而且可用于柴油機，并作為活塞裙部的涂層，它們在高負荷發(fā)動機上能在降低摩擦的同時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)