國6排放柴油機的活塞環(huán)發(fā)展技術(shù)

祁中高　李夏平

摘要：本文介紹了國6排放以及低燃油耗柴油機對活塞環(huán)的基本要求，為此活塞環(huán)行業(yè)發(fā)展處多項應(yīng)對技術(shù)。

關(guān)鍵詞：國6 排放;低燃油耗;鋼質(zhì)活塞環(huán);應(yīng)對技術(shù)

0? 引言

為應(yīng)對全球氣候變化，各國都提出了綠色發(fā)展、節(jié)能減排、藍天計劃等發(fā)展目標(biāo)，并制定了相關(guān)的法律法規(guī)，中國在其中扮演了非常重要的角色。從大力鼓勵新能源、發(fā)展公共交通到制定并加快實施排放法規(guī)，體現(xiàn)了強烈的社會責(zé)任感。

從2004年7月開始實施國2排放到2018年實施國5排放，2019年7月燃氣機率先執(zhí)行國6排放標(biāo)準(zhǔn)，短短15年時間排放標(biāo)準(zhǔn)已與世界發(fā)達國家同步。

近幾年新能源汽車如雨后春筍蓬勃發(fā)展，那么作為傳統(tǒng)動力的內(nèi)燃機是否會被取而代之呢？據(jù)業(yè)內(nèi)研究分析，在商用車領(lǐng)域，特別是中重卡行業(yè)內(nèi)燃機仍有著不可替代的優(yōu)勢，新能源在續(xù)航里程、電池技術(shù)等方面還有待于進一步突破。2019年在全球汽車行業(yè)下滑的大背景下，中國的商用車仍取得了兩位數(shù)的增長。

作為商用車主要動力，柴油機技術(shù)近幾年來取得了突破性進度，中國的柴油發(fā)動機已達到了世界一流水平，不僅滿足國6排放要求，同時燃油經(jīng)濟性大幅提升。為此各種排放裝置得以應(yīng)用，所謂發(fā)動機排放控制裝置，指對發(fā)動機尾氣排放的控制有顯著影響的零部件，包括機內(nèi)控制和機外控制兩部分。機內(nèi)排放控制裝置主要是與燃燒相關(guān)的零件，包括燃油噴射系統(tǒng)、增壓器、EGR、活塞環(huán)、活塞、缸套、配氣機構(gòu)等;機外排放控制裝置指的是尾氣處理器，如SCR、DOC、POC、DPF等。

對于活塞環(huán)而言，它是發(fā)動機的心臟零件，其功能是密封燃氣、刮除多余機油，同時還有支撐活塞、導(dǎo)出熱量的功能。燃氣主要通過活塞環(huán)來密封，若活塞環(huán)的封氣功能不良，則燃氣下竄，至燃燒不充分，排氣冒黑煙，產(chǎn)生大量碳煙顆粒排放，并帶來功率下降、機油老化變質(zhì)的后果;機油主要通過活塞環(huán)來刮除，若活塞環(huán)的刮油功能不良，則機油竄入燃燒室參與燃燒，排氣冒藍煙，產(chǎn)生大量顆粒排放，部分生成膠狀物質(zhì)使活塞環(huán)卡死于環(huán)槽中，則發(fā)動機不能正常工作。同時活塞環(huán)占到整個發(fā)動機機械摩擦功損耗的25%。所以，活塞環(huán)性能的優(yōu)劣直接決定了整機的使用性能和排放性能，其是發(fā)動機排放控制裝置的關(guān)鍵零件之一。

1? 國6排放及高燃油經(jīng)濟性柴油機對活塞環(huán)的要求

為了滿足排放法規(guī)（圖1）以及提高燃油經(jīng)濟性（圖2 通過CO2的控制間接控制燃油耗）的要求，多項技術(shù)在發(fā)動機上被得以應(yīng)用，諸如：高爆壓、延遲噴射、EGR、低轉(zhuǎn)速、低粘度機油等。這些新技術(shù)也同時給零部件帶了諸多挑戰(zhàn)如折斷、磨損、拉缸、低摩擦功以及日趨嚴(yán)苛的機油耗及漏氣量。為此作為關(guān)鍵零部件的活塞環(huán)也發(fā)展出多項應(yīng)對技術(shù)，下面我們逐一介紹。

2? 活塞環(huán)解決方案

2.1 抗折斷的應(yīng)對措施

為了獲得較高的燃油經(jīng)濟性，提升爆壓是一個很好地解決方案，目前新開發(fā)的發(fā)動機動輒220bar、240bar甚至260bar的爆壓都是比較常見的，零部件的疲勞強度提出了很高的要求。

傳統(tǒng)的鑄鐵材料已不適用新的要求，鋼質(zhì)材料在這種需求下應(yīng)運而生，如圖3所示鋼質(zhì)材料顯示出了較優(yōu)越的疲勞強度。因此國6發(fā)動機的典型設(shè)計頂環(huán)均采用鋼質(zhì)材料，更有高端的發(fā)動機三道環(huán)均采用鋼質(zhì)材料。

2.2 抗磨損的應(yīng)對措施

活塞環(huán)的磨損分端面磨損及外圓磨損。高爆壓及EGR技術(shù)的使用使得活塞環(huán)磨損越來越嚴(yán)重，同時隨著爆壓的提升傳統(tǒng)的鋁活塞已不能適用，鋼活塞得到了普遍的應(yīng)用，對活塞環(huán)的側(cè)面磨損又提出了挑戰(zhàn)。為了解決磨損問題一方面材料改進，另一方面涂層技術(shù)升級，為此PVD及DLC技術(shù)這兩年迅猛發(fā)展。

2.2.1 端面閃鍍及鋼質(zhì)材料+氮化工藝解決端面磨損

為了解決端面磨損問題，發(fā)展出了兩種技術(shù)路線。一種是端面閃鍍技術(shù)，在環(huán)的下側(cè)面鍍上一層0.01mm左右厚度的Cr，對端面起到保護作用;另一種技術(shù)是采用鋼質(zhì)材料加上氮化工藝。這兩種技術(shù)都可以將端面的硬度提升至800-1100HV左右，其中鋼質(zhì)材料加氮化技術(shù)對鋼活塞的匹配性更好些。

2.2.2 GDC、PVD及DLC涂層應(yīng)對外圓磨損

這三種技術(shù)都是目前的主流技術(shù)，綜合表現(xiàn)各有千秋。

GDC技術(shù)為金剛石電鍍，在歐美應(yīng)用較多，是CKS（復(fù)合陶瓷電鍍）技術(shù)的升級版本，在鑄鐵材料上應(yīng)用較多。

PVD和DLC技術(shù)都屬于物理氣相沉積技術(shù)，以沉積物靶材不同而區(qū)分。這兩項這幾年發(fā)展的比較快，應(yīng)用的也越來越廣。

PVD技術(shù)以日本研究最為透徹，已批量使用近30年，其特點是具有較高的耐磨性，同時對缸套沒有攻擊性。可以達到較低的粗糙度以降低摩擦，在歐美及日本國6同等排放機型中均有廣泛的應(yīng)用。

DLC技術(shù)分薄膜與厚膜技術(shù)，薄膜技術(shù)在日本已有10年以上的批產(chǎn)應(yīng)用歷史。在國6發(fā)動機上更多是應(yīng)用厚膜DLC，硬度可以達到40GPa，厚度可以達到20微米，目前有歐洲、日本、新加坡三種技術(shù)路線。厚膜DLC最早起源于歐洲，但目前在歐洲也僅有一個品種量產(chǎn)，產(chǎn)品由日本供應(yīng)商提供。

圖4為這幾種涂層的耐磨性對比及測試方法。

2.3 低摩擦功應(yīng)對

降低摩擦功損耗可有效的提高燃油經(jīng)濟性，是這兩年來各大發(fā)動機廠商都熱衷于研究的一個課題，可以給用戶帶來更多的利益，提高產(chǎn)品的市場競爭力。提高爆壓是一個有效的手段，同時降低摩擦的工作也在同步進行。

2.3.1 低彈力設(shè)計

降低彈力是最直接的方法（圖5彈力趨勢），但降低彈力會影響刮油能力，導(dǎo)致機油耗的上升，因此降低彈力的同時降低接觸高度是一個有效的辦法。

對于氣環(huán)來說可以采用高性能材料比如鋼質(zhì)材料，提高材料的疲勞強度，以此來保證降低彈力后的強度。

對于油環(huán)來說降低高度的同時采用異形油帶可以降低接觸高度，保證在低彈力下保持高的刮油性能。異形油帶通常有以下幾種，其目的都是為了得到較窄的刮油刃。油帶變窄后磨損問題又凸顯出來，因此在需要配合GDC、PVD或者DLC涂層來保證其耐磨性。

錐度油帶（同向、異向）、LKZ油帶、窄油帶，如圖6所示。

2.3.2 涂層技術(shù)

降摩擦一方面降低彈力，另一方面就是降低摩擦系數(shù)，而摩擦系數(shù)與速度、機油粘度和載荷關(guān)聯(lián)。活塞環(huán)與缸套這對摩擦副如圖7所示主要集中在混合潤滑及流體潤滑區(qū)間，其中絕大部分時間段是屬于流體潤滑。在混合潤滑階段材料本身的特性對摩擦系數(shù)影響較大，在流體潤滑區(qū)間決定潤滑系數(shù)的主要因素是表面粗糙度，在這點上PVD表現(xiàn)比較突出，粗糙度可以達到Ra0.05。

2.4 低漏氣量應(yīng)對

活塞環(huán)最重要的功能之一就是密封氣體，密封不好就會造成動力損失，同時惡化機油。如何在高爆壓下保持良好的密封性？我們通常借助仿真軟件計算各環(huán)間壓力（圖8 計算案例），保證一環(huán)起到良好的密封性。如果二環(huán)岸間的壓力大于一環(huán)上側(cè)壓力就會造成密封不良，這個時候通常就會通過開口間隙、倒角尺寸、梯角配合來調(diào)節(jié)以達到良好的密封性。

3? 結(jié)語

活塞環(huán)作為發(fā)動機的關(guān)鍵零部件對排放控制同樣起著非常重要的作用，多項技術(shù)的發(fā)展可以有效的應(yīng)對發(fā)動機排放升級以及燃油經(jīng)濟性提升帶來的各項挑戰(zhàn)。發(fā)動機的發(fā)展帶動零部件的進步，活塞環(huán)的技術(shù)發(fā)展已完全可以滿足國6發(fā)動機要求。

參考文獻：

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