一種降摩擦技術在發(fā)動機上的應用

馬亞壇

安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心 安徽省合肥市 230001

1 引言

隨著國家油耗法規(guī)的越來越嚴格，研發(fā)節(jié)能、低油耗的發(fā)動機成為目前主機廠的主要研發(fā)方西之一。為了提高發(fā)動機的性能，尤其是經濟性能，長期以來人們對發(fā)動機的強氣、燃燒、噴油、放熱等方面投入了大量人力物力進行研究。現(xiàn)在，想從燃燒規(guī)律等方面著手再大幅度提高發(fā)動機經濟性變得越來越困難T。近十多年來，國內外內燃機發(fā)展的一個信息是重視并組織力量對降低發(fā)動機摩擦磨損開使研究，因為降低發(fā)動機摩擦損失也是降低燃油消耗率。本文介紹了某主機廠和合作廠商開發(fā)的一種零部件表面處理技術（WST技術），該技術應用在發(fā)動機運動件上，可以有效的降低運動件表面的摩擦系數(shù)，同時增加自潤滑效果，有效降低發(fā)動機的機械損失，實現(xiàn)節(jié)油降耗。

2 WST技術介紹

WST（Well test Special Technology）是利用熱噴涂與珠擊合而為一的新工藝（圖1 WST技術原理示意圖），復合材料（含固體潤滑劑）在高溫高壓的條件下撞擊并滲透進母材的20um深度表面，使金屬表面20um深度的晶象組織發(fā)生改變。同時固體潤滑劑滲入金屬表面后，使表面具有自潤滑效果。

WST技術采用的材料為特殊材質（比如陶瓷等）的滾珠（直徑在20μm-50μm）和固體潤滑劑（二硫化鉬、石墨等）。

3 WST技術特點

WST技術通過工藝控制，滾珠只是改變金屬表面的微觀結構，將機加工條紋處理成表面凹坑結構（圖2表面示意圖），可以實現(xiàn)潤滑油的存儲，形成良好的潤滑油膜；該表面結構非常致密，表面粗糙度可以達到Ra2以下（圖3表面對比）。另外滾珠撞擊金屬表面時攜帶的固體潤滑劑會鑲嵌進入金屬表面，金屬表面具有自潤滑效果。

WST技術提高金屬表面的硬度、增強油膜的附著性、降低粗糙度、消除引張應力、提升抗疲勞強度等，應用于發(fā)動機的各個運動件工作面可以幫助發(fā)動機降低摩擦損失及提高功率。該技術具有如下優(yōu)點：

3.1 不改變零件幾何尺寸

所有運動件產品可以不需變更設計，直接處理使用。

3.2 提升表面硬度

金屬表面10-20μm的晶象組織改變，提升硬度。

圖1 WST技術原理示意圖

圖2 表面示意圖

圖3 表面對比

4 WST技術應用

識別發(fā)動機機械損失中摩擦損失的產生源頭：曲軸組、連桿組、活塞組、配氣機構中的六個運動件（圖4運動件示意圖）。

圖4 運動件示意圖

在六個運動件表面采用WST技術（表1應用方案），降低運動表面摩擦系數(shù)，從而降低摩擦功，從而實現(xiàn)降低燃油耗的目的。

5 WST技術驗證

發(fā)動機降摩擦試驗使用的是目前量產發(fā)動機，由于每臺發(fā)動機制造、裝配誤差的存在（5%波動），這就造成發(fā)動機臺架測試時，控制不好將測量不準，為此經過精密策劃，共確定了4個測試對比方案進行相互驗證。其中臺架測試3項：機械損失測試對比、外特性測試對比、常用工況點測試對比；整車測試1項：NEDC循環(huán)油耗對比。

發(fā)動機運動件處理后直接降低的是摩擦損失，可以從表2中看出，采用涂層后的機械損失在各個轉速下都有所降低，在NEDC循環(huán)工況（1000r/min-3000r/min）下，兩臺樣機機械損失均降低5%左右，所以認為WST技術應用對發(fā)動機機械損失降低達到5%貢獻率。

通過發(fā)動機外特性數(shù)據(jù)對比測試（表3外特性對比數(shù)據(jù)），處理后樣機的油耗率相對于原型機均有一定程度的降低，2000rpm@2bar油耗率相對于原型機分別降低2.8%和2.5%，效果比較明顯；

通過對常用工況點的油耗率進行測試（表4），在不同檔位、不同轉速下，各點油耗率均有下降，3檔以上節(jié)油率比較明顯。

在量產車型上對發(fā)動機進行NEDC油耗對比測試，測試結果（表5NEDC循環(huán)油耗）。

表1 應用方案

表2 機械損失對比

表3 外特性對比

表4 常用工況點對比

表5 NEDC循環(huán)油耗

6 結語

本文研究了發(fā)動機運動件采用WST技術后，對發(fā)動機減磨降耗的作用。通過發(fā)動機集中測試數(shù)據(jù)的對比，相互驗證了該技術的可行性和應用效果。運動件使用WST涂層技術對活塞、活塞環(huán)、凸輪軸、機械挺柱、曲軸、軸瓦的應用，在發(fā)動機的動力性及經濟性指標均滿足設計指標要求前提下，降低NEDC循環(huán)油耗1.86%。WST技術應用方便，性能可靠，具有較搞的推廣價值。