汽車發(fā)動機低摩擦技術(shù)研究進展

孔曉麗 董爽 陳捷

（中國第一集團有限公司 研發(fā)總院，長春 130013）

主題詞：發(fā)動機 低摩擦 平均摩擦有效壓力 CO2排放 燃油經(jīng)濟性

1 前言

在節(jié)能減排的全球化命題中，世界各國都把二氧化碳排放作為燃油經(jīng)濟性的重要度量。為了滿足未來油耗目標和二氧化碳排放法規(guī)限值，世界各國汽車企業(yè)致力于開發(fā)低排放節(jié)能發(fā)動機產(chǎn)品。李駿院士等專家認為低摩擦技術(shù)通過減少機械損耗提升發(fā)動機效率，相比電動化等其他節(jié)能技術(shù)，因其具有高性價比，已成為汽車發(fā)動機節(jié)能減排的重要手段[1-4]。

圖1 歐洲CO2排放目標（汽油、柴油、混動車型）[1]

按2013歐洲整車CO2排放平均值計算，如圖1所示，Werner Bick假設(shè)發(fā)動機減小摩擦50%，整車CO2排放將減少10%以上[1]。在過去的20多年里，Markus Schwaderlapp認為國際發(fā)動機產(chǎn)品已實現(xiàn)降摩擦30%以上，整車CO2排放減少7%[3]。FEV針對面向2025年未來內(nèi)燃機技術(shù)戰(zhàn)略分析指出，低摩擦技術(shù)在未來發(fā)動機產(chǎn)品中持續(xù)分擔(dān)重要指標，如圖2所示，Michael Wittler提出NEDC循環(huán)工況整車CO2排放貢獻度為4.5%[2]。全球汽車企業(yè)聚焦汽車節(jié)能減排增加了對降低摩擦磨損的技術(shù)需求，針對現(xiàn)有和未來產(chǎn)品進行低摩擦設(shè)計與開發(fā)呈現(xiàn)的重要意義越來越大，增長趨勢越來越快。

本文通過挖掘國際頂尖的期刊文獻，總結(jié)了國內(nèi)外乘用車發(fā)動機低摩擦技術(shù)研究進展，對國際上領(lǐng)先的研究機構(gòu)、領(lǐng)先的汽車公司的創(chuàng)新成果進行了系統(tǒng)梳理，包括發(fā)動機機械摩擦損失分布、各系統(tǒng)摩擦影響因素與降摩擦潛力分析、關(guān)鍵零部件減摩優(yōu)化措施與應(yīng)用效果等，是代表當(dāng)前國際上汽車發(fā)動機低摩擦技術(shù)最前沿技術(shù)水平的概述。

圖2 未來內(nèi)燃機技術(shù)節(jié)能減排潛力分析[2]

2 發(fā)動機摩擦損失

發(fā)動機摩擦損失主要包括活塞缸筒系統(tǒng)摩擦損失、配氣系統(tǒng)摩擦損失、曲軸摩擦損失、機油泵驅(qū)動損失、水泵驅(qū)動損失、前端附件驅(qū)動損失等。發(fā)動機摩擦通常采用反拖拆除法對整機摩擦損失進行分解。Joachim Schommers等的研究表明[5]，在機油溫度和冷卻液溫度90℃工況、發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 000 r/min時，奔馳SLK350 V6汽油機活塞組和曲軸摩擦分別占整機摩擦損失的48%和13%（見圖3）。不同轉(zhuǎn)速、不同工況下各部分所占的比例不同，如配氣系統(tǒng)在低轉(zhuǎn)速摩擦相對較高，而在高轉(zhuǎn)速工況摩擦占比減小。

圖3 發(fā)動機能量流與摩擦分布（V6汽油機為例）[5]

3 低摩擦系統(tǒng)設(shè)計

發(fā)動機低摩擦結(jié)構(gòu)設(shè)計，涉及到曲柄連桿機構(gòu)、配氣機構(gòu)、潤滑系統(tǒng)、附件驅(qū)動輪系等發(fā)動機關(guān)鍵機構(gòu)和系統(tǒng)，需要綜合考慮成本、工藝裝備、維護保養(yǎng)等因素，同時需要滿足發(fā)動機可靠性與動力性等各項指標需求。

Wolfgang Schoeffmann等專家將低摩擦系統(tǒng)設(shè)計方案按發(fā)動機產(chǎn)品開發(fā)狀態(tài)可歸納為以下三類[6]：

第一類低摩擦概念設(shè)計方案，適用于新產(chǎn)品開發(fā)概念設(shè)計階段，需要大量生產(chǎn)制造加工準備：

（1）曲軸偏置

（2）長連桿

（3）低摩擦配氣機構(gòu)（RFF+HLA，Roller Finger Follower+Hydraulic Lash Adjuster,滾子搖臂+液壓挺柱）

（4）主軸承直徑最小化

（5）可變活塞冷卻噴嘴（缸體增加油道）

（6）分體冷卻

（7）鏈條或皮帶驅(qū)動機油泵

第二類低摩擦優(yōu)化設(shè)計方案，適用于現(xiàn)有發(fā)動機升級產(chǎn)品，需要適當(dāng)改動產(chǎn)品制造與裝配工藝：

（1）連桿大頭直徑減小

（2）軸承間隙優(yōu)化

（3）機油壓力與流量優(yōu)化

（4）減小缸筒變形結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

（5）珩磨參數(shù)優(yōu)化

第三類為低摩擦附加方案，適用于現(xiàn)有發(fā)動機產(chǎn)品，產(chǎn)品制造與裝配改動很?。?/p>

（1）可變機油泵

（2）低摩擦涂層（活塞環(huán)、活塞銷）

（3）平衡軸滾動軸承

（4）凸輪軸滾動軸承

（5）電子節(jié)溫器

（6）高效水泵

（7）高效附件

3.1 主運動系

活塞與缸筒（缸套）的摩擦是發(fā)動機主要摩擦源，影響摩擦損失的主要因素是活塞環(huán)結(jié)構(gòu)與切向彈力、活塞裙部的幾何形狀、缸孔形貌與加工質(zhì)量、配合間隙等。

降低活塞環(huán)組彈力和減小活塞環(huán)高度可以大幅度減小活塞組件摩擦損耗，前提要保證盡可能減小缸筒變形，控制機油消耗量、漏氣量和磨損。圖4為FEV提供的汽油機最佳活塞環(huán)切向彈力和環(huán)高最佳設(shè)計范圍，Markus Schwaderlapp等認為匹配先進缸套表面和缸筒變形的減小，可以實現(xiàn)活塞組摩擦減小44%，CO2排放降低潛力達4.1%[3]。

圖4 FEV活塞環(huán)切線彈力和環(huán)高散點圖[3]

偏置曲軸機構(gòu)通過減少活塞側(cè)向力來減少摩擦。乘用車發(fā)動機曲軸偏置量一般為缸徑的10～15%左右。AVL研究曲軸偏置對活塞摩擦的影響，模擬計算結(jié)果表明曲軸偏置可以減少活塞摩擦10%（見圖5）。增加配缸間隙可以減小活塞與缸筒之間摩擦，但配缸間隙增加會引起NVH性能惡化。曲軸偏置機構(gòu)允許NVH水平不變的基礎(chǔ)上適當(dāng)增大運行間隙，有利于減小摩擦?；钊N表面采用類金剛石碳（Diamond-Like Carbon，DLC）涂層，如圖6所示，活塞組摩擦可以減小11%。

圖5 曲軸偏置對活塞摩擦影響[6]

圖6 DLC涂層活塞銷降摩擦效果[7]

軸承摩擦包括曲軸、連桿、平衡軸軸承摩擦占發(fā)動機摩擦20～25%。對于滑動軸承，影響軸承摩擦的主要參數(shù)是軸承直徑尺寸。FEV針對單缸排量450 cm3的發(fā)動機曲軸，主軸頸直徑由55 mm減至43 mm，模擬計算與應(yīng)力應(yīng)變測量結(jié)果表明，曲軸主軸承摩擦減小50%（見圖7）。運動件包括曲軸、連桿、活塞和活塞銷質(zhì)量減小，曲軸負荷進一步降低，曲軸直徑實現(xiàn)最小化，曲軸摩擦可以降低達40%，CO2排放降低潛力1.2%[3]。

圖7 FEV主軸頸直徑散點圖與減摩潛力分析[3]

3.2 配氣系統(tǒng)

配氣系統(tǒng)摩擦包括配氣機構(gòu)摩擦、凸輪軸軸承摩擦以及正時驅(qū)動摩擦損失。

配氣機構(gòu)在發(fā)動機整個工作范圍均承受高負荷，在較低轉(zhuǎn)速下，作用于氣門上的負荷主要由彈簧力引起；在較高轉(zhuǎn)速時，零件質(zhì)量引起的慣性力占主導(dǎo)地位。與其它機構(gòu)不同的是，配氣機構(gòu)在低轉(zhuǎn)速區(qū)是處于臨界潤滑狀態(tài)，故其低速時摩擦損失所占比例會明顯增加。配氣機構(gòu)摩擦損失主要取決于所采用氣門驅(qū)動形式，不同類型配氣機構(gòu)摩擦對比如圖8所示。因凸輪與從動件采用滾動接觸方式，滾輪搖臂式配氣機構(gòu)摩擦損失較小。直推式配氣機構(gòu)凸輪與挺柱采用滑動接觸方式，尤其在低轉(zhuǎn)速區(qū)摩擦功偏高。Wolfgang Schoeffmann和Xiaoli Kong等專家的研究認為挺柱表面采用類金剛石碳（DLC）涂層可以大幅降低配氣機構(gòu)摩擦[6-7]。減小配氣機構(gòu)運動件質(zhì)量、降低彈簧負荷都是減少配氣機構(gòu)摩擦損失的有效措施。

圖8 不同型式配氣機構(gòu)摩擦對比[6]

通過減少凸輪軸軸承數(shù)量和減小軸承尺寸、可以減小凸輪軸軸承摩擦。整體集成式凸輪軸軸承座結(jié)構(gòu)有利于改善結(jié)構(gòu)剛度、減少軸承定位數(shù)量、軸承尺寸最小化與滾動軸承應(yīng)用。不同軸承數(shù)量減小對摩擦影響試驗結(jié)果如圖9所示，常用工況點發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 000 r/min時可以減小摩擦40～45%。AVL試驗表明凸輪軸采用滾動軸承可以減小30%凸輪軸摩擦[6]。大眾、奧迪、福特、現(xiàn)代汽車發(fā)動機的凸輪軸第一軸頸都采用滾動軸承。

圖9 軸承數(shù)量對摩擦影響[6]

采用皮帶驅(qū)動有利于減小正時驅(qū)動摩擦損失。FEV給出皮帶驅(qū)動和鏈條驅(qū)動對配氣系統(tǒng)摩擦影響，如圖10所示，皮帶正時驅(qū)動NEDC循環(huán)工況可以帶來約0.9%節(jié)油效果。Thomas Fink和Hong-Kil Baek等專家研究認為正時鏈條驅(qū)動損失可以在結(jié)構(gòu)布置、鏈條張力、導(dǎo)軌材料等方面進行摩擦優(yōu)化[8-9]。

圖10 不同正時驅(qū)動方式對配氣系統(tǒng)的摩擦影響[3]

3.3 潤滑系統(tǒng)

發(fā)動機潤滑系統(tǒng)特性直接影響發(fā)動機整機和零部件的摩擦。通過機油流量控制、節(jié)能機油應(yīng)用和機油快速升溫等技術(shù)可以降低潤滑系統(tǒng)摩擦。

基于發(fā)動機整機工況需求的可變流量潤滑技術(shù)，通過可變流量機油泵結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負荷、溫度信號，實時改變自身排量，實現(xiàn)輸出壓力和流量控制，特別是在發(fā)動機常用工況機油流量和壓力輸出的大幅降低，進而有效降低機油泵驅(qū)動損失，提高整車燃油經(jīng)濟性。圖11為Mercedes-Benz開發(fā)的兩階可變機油泵控制策略及其減小摩擦功耗效果[5]。相比定量泵，可變機油泵機油流量減小了50%，實現(xiàn)機油泵損失大幅度減小。低速低負荷工況機油壓力200 kPa，活塞冷卻噴嘴按需選擇開啟或關(guān)閉，高速高負荷工況機油壓力400 kPa，冷卻噴嘴開啟。冷卻噴嘴關(guān)閉可同時減小活塞組摩擦，轉(zhuǎn)速2 000 r/min機油溫度90℃工況，活塞組摩擦減小10%。

圖11 二階可變潤滑系統(tǒng)降摩擦效果[5]

國外先進發(fā)動機已廣泛應(yīng)用0W-20等低粘度節(jié)能機油，實現(xiàn)發(fā)動機低摩擦、提升燃油經(jīng)濟性指標同時兼顧整機可靠性要求。通過采用低粘度油品，實現(xiàn)壓力潤滑區(qū)摩擦系數(shù)降低；通過采用新型摩擦改進劑，實現(xiàn)邊界潤滑區(qū)摩擦系數(shù)大幅降低。通過全面優(yōu)化機油泵性能以及低粘度機油應(yīng)用，整車油耗可以降低1.6～2.1%。發(fā)動機冷啟動階段加速機油升溫，通過高效熱管理如冷卻系優(yōu)化、分體冷卻、電子節(jié)溫器、離合式水泵等發(fā)動機快速暖機技術(shù)，有助于減小低溫工況潤滑系摩擦損失。

3.4 附件輪系

附件驅(qū)動損失與輪系振動、皮帶張力、附件數(shù)量以及前端輪系布置密切相關(guān)。通過減小皮帶張緊力、附件按需智能控制、減少驅(qū)動部件等輪系布置優(yōu)化措施，可以大幅度減小前端附件損失，發(fā)動機整機降摩擦潛力高達8%[6]。

圖12 解耦曲軸皮帶輪降摩擦效果[5]

采用發(fā)電機超越皮帶輪（Overrunning Alternator Pulley）、解耦曲軸皮帶輪（Decoupled Crankshaft Pulley），可以使系統(tǒng)在更低的張力下工作，消除振動和強烈動態(tài)張力波動，進而減小能耗并改善燃油效率。圖12為奔馳發(fā)動機采用解耦曲軸皮帶輪在反拖和全負荷工況測量摩擦損失減小效果，在輪系共振區(qū)域最大可減小摩擦損失50%。同時曲軸一軸頸負荷減小、主軸承磨損減小，特別是對于啟停貧油工況，有利于改善油耗。奔馳、通用、尼桑、寶馬汽車發(fā)動機均采用解耦曲軸皮帶輪來改善前端輪系性能[10-13]。

4 動力總成降摩擦潛力

發(fā)動機一些減摩措施同樣也適用于變速箱零部件。通過變速箱優(yōu)化設(shè)計和低粘度潤滑油等技術(shù)傳動系本身降摩擦潛力達30%。綜合上述的發(fā)動機降摩擦措施，動力總成整體降摩擦潛力可達36%，如圖13所示，整車NEDC循環(huán)CO2排放貢獻度8.5%左右[3]。

未來動力總成無論在傳統(tǒng)內(nèi)燃機還是在混合動力總成仍需要持續(xù)聚焦低摩擦系統(tǒng)工程。圖14給出了動力總成采用機械減摩方案與混動化方案性價比趨勢分析，可見，電動化節(jié)能減排潛力較高，但就投資成本收益回報率，機械減摩節(jié)能的性價比更高。因此，應(yīng)充分挖掘低摩擦技術(shù)潛力，以實現(xiàn)未來日趨嚴格的汽車節(jié)能減排目標。

圖13 動力總成降摩擦潛力分析[3]

圖14 CO2減排措施性價比分析[3]

5 結(jié)束語

汽車發(fā)動機低摩擦技術(shù)發(fā)展迅速，由于篇幅有限，本文針對國內(nèi)外乘用車發(fā)動機，側(cè)重描述了具有代表性的低摩擦設(shè)計方案及其應(yīng)用效果，分系統(tǒng)介紹了關(guān)鍵零部件的減摩優(yōu)化措施與節(jié)能潛力分析。通過對低摩擦技術(shù)成本與節(jié)能收益趨勢分析指出，未來動力總成無論在傳統(tǒng)內(nèi)燃機還是在混合動力總成仍需要持續(xù)聚焦低摩擦系統(tǒng)工程，應(yīng)充分挖掘低摩擦技術(shù)最大潛力，提升發(fā)動機燃油經(jīng)濟性，支撐整車實現(xiàn)節(jié)能減排目標。