微配缸間隙活塞處理技術(shù)的開發(fā)研究

葉青陽

(上海新動(dòng)力汽車科技股份有限公司，上海 200438)

0 前言

活塞與氣缸的配缸間隙是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要技術(shù)參數(shù)。在不同應(yīng)用環(huán)境下，發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、材料及其他技術(shù)參數(shù)不同，其活塞與氣缸的配缸間隙也不盡相同。

柴油機(jī)活塞與氣缸之間的配缸間隙會(huì)直接影響缸套-活塞組的工作性能,適當(dāng)減小配缸間隙可有效降低活塞的敲擊噪聲，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。但如配缸間隙過小，可能導(dǎo)致活塞與缸套之間的潤滑油膜被破壞,二者之間的配合變差,摩擦功上升,甚至造成拉缸。因此,為了改善活塞與缸套的匹配特性,在設(shè)計(jì)過程中須考慮活塞與氣缸之間的配缸間隙。本文針對(duì)微配缸間隙技術(shù)進(jìn)行研究，在確保柴油機(jī)性能和可靠性的前提下，通過對(duì)活塞進(jìn)行納米技術(shù)處理，減小配缸間隙，達(dá)到降低燃油耗的目的。

1 技術(shù)方案

活塞納米處理采用納米級(jí)自潤滑元素進(jìn)行滲入處理，可減小自潤滑表面的摩擦力，起到良好的摩擦學(xué)改性作用。其技術(shù)優(yōu)勢(shì)為：可直接對(duì)現(xiàn)有量產(chǎn)產(chǎn)品進(jìn)行納米滲透，在減小配缸間隙的同時(shí)，提高活塞裙部的自潤滑性能，防止氣缸發(fā)生拉缸損壞。納米處理的主要工序如下：整體放入滲透池—加入滲透液—滲透(加熱、保溫、冷卻)—清洗浸油包裝，其中滲透時(shí)間采用程序控制，包括加熱、保溫及冷卻，共計(jì)36 h。

為確保給納米處理后的活塞滿足常規(guī)活塞設(shè)計(jì)的要求，從尺寸及材料特性方面對(duì)納米處理前后的活塞進(jìn)行對(duì)比分析。經(jīng)測(cè)量，活塞本體在納米處理前后的布氏硬度(HBW10/100)分別為119 HB和100 HB，活塞本體的布氏硬度下降19 HB，下降趨勢(shì)明顯[1]。

活塞納米處理前后，活塞本體的主要尺寸對(duì)比見表1，處理后活塞大點(diǎn)直徑(即活塞最大截面上的長軸直徑)增加了0.030 mm左右，銷孔直徑也有不同程度的增加。由此可見，采用納米處理后，可以達(dá)到微配缸間隙的目的。

表1 活塞納米處理前后主要尺寸對(duì)比

體積穩(wěn)定性是指活塞裙部直徑變化的百分比，直接影響活塞的使用性能和壽命?；钊共砍蕶E圓形，因此需要對(duì)比分析長軸(垂直于活塞銷孔座軸線方向)和短軸(銷孔座軸線方向)這2個(gè)方向的體積穩(wěn)定性。經(jīng)納米技術(shù)處理，活塞長軸方向的體積穩(wěn)定性基本無變化，短軸方向的體積穩(wěn)定性降低約46.5%。由此可見，納米處理可改善活塞的體積穩(wěn)定性，結(jié)果見表2。

表2 活塞經(jīng)納米技術(shù)處理前后體積穩(wěn)定性對(duì)比

活塞本體材料經(jīng)納米處理前后的金相對(duì)比如圖1所示。由圖1可知，本體材料在納米處理前后沒有明顯變化，金相等級(jí)均為3級(jí)。

圖1 活塞本體材料經(jīng)納米處理前后的金相對(duì)比

綜上所述，經(jīng)納米處理后活塞本體硬度下降19 HB，降低了16.7%，活塞大點(diǎn)直徑比原始尺寸增加了0.030 mm，體積穩(wěn)定性提升了46.5%，金相組織沒有明顯變化。滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行要求，可以進(jìn)行后續(xù)的性能試驗(yàn)。

2 性能試驗(yàn)

2.1 燃油消耗率對(duì)比

為了減小測(cè)試誤差，分別選用上海新動(dòng)力汽車科技股份有限公司研制的滿足國五排放要求的4 L柴油機(jī)(以下簡稱“4 L國五”)、滿足國三排放要求的9 L非道路用柴油機(jī)(以下簡稱“9 L國三”)，以及滿足國三排放要求的7 L非道路用柴油機(jī)(以下簡稱“7 L國三”)，在相同發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架和測(cè)試設(shè)備下，進(jìn)行性能對(duì)比。各機(jī)型的最低燃油消耗率見表3。采用納米技術(shù)后，4 L國五柴油機(jī)的最低燃油消耗率降低了約4 g/(kW·h)，改善率為2.1%；9 L國三和7 L國三柴油機(jī)的最低燃油消耗率均降低了5 g/(kW·h)，改善率約為2.6%。各機(jī)型萬有特性油耗曲線如圖2所示。由圖可知，采用納米技術(shù)后，各機(jī)型的最低燃油消耗率覆蓋的工況范圍遠(yuǎn)大于原發(fā)動(dòng)機(jī)。測(cè)試結(jié)果表明，活塞經(jīng)納米技術(shù)處理后，發(fā)動(dòng)機(jī)最低燃油消耗率降低了2.0%～2.6%。

圖2 各機(jī)型萬有特性油耗曲線

表3 各機(jī)型最低燃油消耗率對(duì)比

2.2 機(jī)油消耗率對(duì)比

選用4 L國五柴油機(jī)進(jìn)行后續(xù)的機(jī)油消耗率以及摩擦功試驗(yàn)。機(jī)油消耗率采用稱重法測(cè)量，分別進(jìn)行24 h和48 h的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果見表4。由表可知，采用微配缸間隙方案的發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油消耗率優(yōu)于原發(fā)動(dòng)機(jī)，且隨著時(shí)間的增加，機(jī)油消耗率的改善情況更加顯著，24 h時(shí)機(jī)油消耗的改善率為10.0%，48 h時(shí)機(jī)油消耗的改善率達(dá)到50.0%。

表4 活塞納米處理前后機(jī)油消耗率對(duì)比

2.3 摩擦功對(duì)比

針對(duì)4 L國五柴油機(jī)，選取機(jī)油溫度分別為40 ℃、80 ℃和100 ℃時(shí)對(duì)納米處理前后的活塞進(jìn)行摩擦功對(duì)比，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，在機(jī)油溫度為40 ℃和80 ℃時(shí)，2種活塞的摩擦功變化趨勢(shì)相當(dāng)；在機(jī)油溫度為100 ℃時(shí)，在各轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，納米處理后的活塞比納米處理前的活塞摩擦功下降約0.5～1.0 kW。

圖3 不同機(jī)油溫度下的摩擦功對(duì)比

綜上所述，與原發(fā)動(dòng)機(jī)相比，經(jīng)納米處理后的發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率、機(jī)油消耗率及摩擦功等性能均有所改善，說明該技術(shù)方案是有效的。但相比常規(guī)設(shè)計(jì)，配缸間隙減小了0.02～0.03 mm，活塞材質(zhì)本身的硬度也下降了約20 HB，因此需進(jìn)一步進(jìn)行耐久性考核，確保該方案具備投入生產(chǎn)的可行性[2]。

3 可靠性試驗(yàn)

為了驗(yàn)證經(jīng)納米技術(shù)處理后的活塞可靠性，選取3款發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行臺(tái)架耐久性考核，試驗(yàn)工況包括冷熱沖擊試驗(yàn)、卡特循環(huán)耐久試驗(yàn)及全速全負(fù)荷耐久試驗(yàn)，具體可靠性考核方案見表5。

表5 可靠性考核方案

分別從機(jī)油消耗率、漏氣量、活塞裙部及銷孔尺寸等幾個(gè)方面進(jìn)行耐久試驗(yàn)對(duì)比，考核結(jié)果見表6。由表6可見：① 耐久試驗(yàn)前后，各方案中的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗率和漏氣量均滿足發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)技術(shù)要求，經(jīng)納米技術(shù)處理的活塞表現(xiàn)更佳；② 從活塞裙部大點(diǎn)位置減小量來看，經(jīng)納米技術(shù)處理的活塞磨損量大于原活塞磨損量，但仍滿足可靠性考核要求，主要是順應(yīng)性變形導(dǎo)致活塞磨損量偏大；③ 從活塞銷孔垂直方向減小量來看，經(jīng)納米技術(shù)處理前后的活塞銷孔磨損值相當(dāng)。

表6 可靠性考核結(jié)果

綜上可得，經(jīng)納米技術(shù)處理后的活塞滿足可靠性考核要求，具備投入生產(chǎn)使用的條件。

4 結(jié)論

通過對(duì)多款發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率、機(jī)油消耗率及摩擦功的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架性能試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比研究，得出以下結(jié)論。

(1)活塞經(jīng)納米技術(shù)處理后，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率降低2.1%～2.6%，機(jī)油消耗率降低10.0%～50.0%，摩擦功可降低0.5～1.0 kW，大幅提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，且降低了客戶的用車成本。

(2)通過發(fā)動(dòng)機(jī)500 h冷熱沖擊試驗(yàn)、500 h卡特循環(huán)試驗(yàn)及1 000 h全速全負(fù)荷試驗(yàn)，可以得出：經(jīng)納米技術(shù)處理后，活塞裙部大點(diǎn)直徑磨損量小于0.020 mm，銷孔直徑磨損量小于0.015 mm，均滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性要求；同時(shí)，機(jī)油消耗率和漏氣量也滿足各款發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)指標(biāo)要求。試驗(yàn)結(jié)果顯示，機(jī)油消耗率降低了10.0%～30.0%，漏氣量降低了1.0%～13.0%。

綜上所述，經(jīng)納米技術(shù)處理后，活塞的各項(xiàng)性能及可靠性均滿足發(fā)動(dòng)機(jī)整體設(shè)計(jì)要求。