采用新型活塞环涂层降低摩擦功率

【德】 M.Kennedy S.Hoppe J.Esser



采用新型活塞环涂层降低摩擦功率

【德】 M.Kennedy S.Hoppe J.Esser

活塞环具有降低内燃机燃油耗和CO2排放的巨大潜力。Federal-Mogul公司开发了名为“DuroGlide”的新型活塞环涂层，其特点是具有高耐久性，并能显著降低摩擦功率。由于新型涂层具备良好的耐磨损性，并且其抗烧损性能比传统活塞环涂层更好，因此可以满足对汽油机和柴油机提出的苛刻要求。

内燃机 活塞环涂层 燃油耗 CO2排放 摩擦功率

1 提高的活塞环负荷

降低燃油耗和满足日益收紧的废气排放法规要求已成为推动现代内燃机发展的重要因素，由此对发动机零部件开发，特别是活塞环提出了新的挑战。在发动机部分负荷运行条件下，活塞环组对降低总机械摩擦的贡献率高达25%，相当于可降低燃油耗4%。除了降低摩擦功率损失外，活塞环还必须承受热力-机械负荷及摩擦负荷，而光滑的气缸工作表面、可提供的润滑油膜减少，以及使用代用燃料等因素加剧了对这些方面的不利影响。因此，活塞环工作表面的耐久性显得越来越重要，具体体现在活塞环的耐磨损性，及抗烧损性方面。

2 碳基活塞环涂层工艺

涂层工艺成为重要的设计元素后，改善活塞环与气缸工作表面的摩擦性能就成为关注的焦点。类金刚石碳(DLC)涂层特别适用于与其他零件处于固体接触状态的构件。DLC涂层的突出性能来自其表面由热力和机械诱发的涂层转换区，该区域本身具有比涂层更小的抗剪切强度，从而能起到自润滑作用。

传统DLC涂层在用于活塞环时会受到以下限制： (1)如涂覆仅几微米厚的涂层，会限制使用寿命，若涂层较厚，则会因其典型的内应力而存在剥离的危险；(2)使用硬度较高的DLC涂层时，活塞环工作表面必须极其光滑，以便获得最佳的摩擦条件，避免损坏气缸套。目前使用的DLC活塞环涂层通常被用作其他耐磨损镀层上的磨合涂层。起初，Federal-Mogul公司利用名为“CarboGlide”的含氢DLC工艺，能获得厚度约10μm的涂层，具有良好的耐磨损性[1,2]。这种DLC涂层系统已被批量用于汽油机。但是，为了更广泛地应用DLC涂层，并利用其降低摩擦功率，必须为高速汽油机和柴油机重新开发一种更厚、更具耐磨损性的涂层工艺。

3 新型涂层的特点

研究人员开发了新型DuroGlide涂层，这种涂层适用于高要求的汽油机和柴油机，可以提高活塞环的使用寿命。图1示出了新型无氢碳基活塞环涂层的均质组织结构。因碳具有较多的sp3结合部分(四面体结构)，能够析出硬度高达5000 HV0.2的涂层。与目前的无氢DLC涂层不同，在Federal-Mogul公司与德国Dresten Fraunhofer材料和辐射技术研究所的合作中，已降低了工艺过程中涂层的内应力，即使在涂层厚度高达25μm的情况下，对于铸铁和钢表面仍具有良好的结合度，而高达500℃的耐高温性能促使其能适用于柴油机。此外，接近终端轮廓形状的涂层和适宜的磨光制造工艺确保活塞环工作表面具有较小的粗糙度。

图1 DuroGlide活塞环涂层的光栅电子断面照

4 性能特性值

新涂层的开发目标是降低发动机的机械摩擦功率损失，以及大幅提高活塞环碳基涂层的耐久性。图2示出了目前汽油机和柴油机使用的活塞环涂层摩擦系数比较。这种摩擦系数是在机外检验条件下测得的，在使用无添加剂机油的情况下，呈现出极高的混合摩擦份额。与铬陶瓷涂层(CKS)和Goetze金刚石涂层(GDC)等铬类涂层，以及CrN等物理汽相沉积(PVD)工艺相比，DuroGlide涂层能使摩擦系数降低约60%。为了查明发动机运行中的摩擦功率损失，在1台浮动缸套单缸汽油机上进行摩擦功率试验。图3为在着火运行发动机上，在不同运行工况点(转速和平均指示压力)测得的DuroGlide涂层压缩环与参比的CKS涂层压缩环的摩擦功率差异，所用的活塞环及其预张力(切向力)的设计保持不变。在点火后0～180°CA范围内，摩擦平均有效压力呈现最大优势，在发动机转速1000r/min、平均指示压力0.6MPa时，摩擦功率可获得10%的优势。从油环在机械摩擦损失方面可获得40%优势来看，使用DuroGlide涂层的油环能进一步降低摩擦。

图2 各种活塞环涂层的摩擦系数比较(采用机外摆动摩擦磨损测量仪在混合摩擦条件下进行测量)

图3 DuroGlide涂层第1道压缩环与轿车柴油机标准环的摩擦功率(与压力和转速相关)差异

为考察新型活塞环涂层的耐久性，在燃烧压力高达20MPa和升功率高达70kW的高负荷轿车柴油机上进行内容广泛的耐久性考核和超负荷试验。图4示出在发动机试验台上经500h运行后，活塞环平均径向磨损量的试验结果。结果表明，与目前使用的活塞环涂层(GDC和PVD-CrN)相比，DuroGlide涂层活塞环的平均径向磨损量减少约50%。

图4 在高负荷轿车柴油机上DuroGlide涂层压缩环的径向磨损量

除了对使用寿命非常重要的耐磨损性外，在超负荷及润滑不良的情况下，活塞环工作表面的性能显得越来越重要。图5示出了超负荷条件下抗烧损性能的试验台试验结果。在恒定的时间间隔内法向力升高到700N的情况下，摩擦系数如超过0.3就会诱发强烈的烧损痕迹。CKS和CrN涂层压缩环在试验持续120min和157min后就会出现烧损痕迹，而DuroGlide涂层压缩环则完成长达650min的超负荷试验，并且在活塞环和气缸工作表面未出现烧损现象。在1台高增压轿车柴油机上进行专门的热淬火试验，结果证实了新型活塞环涂层优异的抗烧损性能。

图5 超负荷试验中DuroGlide涂层活塞环与CKS、GDC和PVD-CrN涂层活塞环的抗烧损性能比较

5 技术定位

第1代含氢DLC涂层的特点是与灰铸铁和铝气缸套匹配后，具有良好的摩擦性能和卓越的运行性能。因而，从开发初期起，DuroGlide涂层的设计目标就是提高使用寿命，以适用于高负荷汽油机和高负荷柴油机。这种新型涂层能够沉积在铸铁和钢等基体材料上，适用于不同几何形状的工作表面，因而可用于压缩环和油环。图6示出了用于轿车柴油机和汽油机的经摩擦优化的活塞环组结构设计。第1道压缩环和油环在机械摩擦功率损失中占最大份额，分别约40%，因此，新型涂层被优先用于这两种活塞环。

图6 降低轿车发动机活塞环组摩擦的实例

除了在活塞工作表面使用涂层外，还须根据发动机的不同状况，通过合理设计活塞环的切向力、轴向和径向尺寸、工作表面几何形状，以及开口间隙组合，优化其摩擦性能和功能。

6 结语

简单介绍了新型DuroGlide活塞环涂层的开发过程，该工艺为活塞环涂层的耐久性及降低摩擦功

率树立了新标杆。与传统活塞环涂层相比，新型活塞环涂层具有更高的耐磨损性和抗烧损性能，而且根据不同的发动机用途，可节油1.5%，相当于CO2排放降低3g/km。作为DuroGlide涂层的开发成果，借助于等离子体工艺技术，并采用专门的表面抛光工艺，能达到25μm的涂层厚度。因此，即使在高负荷运行条件下，新型活塞环涂层也能满足使用寿命的要求，同时有使用其他替代工艺的可能性，例如基于PVD的CrCN涂层，或由极薄的无氢DLC涂层(<2μm)和PVD-CrN涂层组成的多涂层工艺。连续的发动机试验证实了新型涂层的有效性，这一工艺现已被投入量产。

Esser J, Hoppe S, Kennedy M. Kolbenringbeschichtung senkt innermotorische Reibung und Kraftstoffverbrauch im Ottomotor[J]. MTZ, 2012, 73(3).

Esser J, Hoppe S, Mittler R. Kolbenringauslegung für ottomotoren im spannungsfeld von reibungsreduzierung und funktionsverhalten[C]. VDI-Fachtagung Zylinderlaufbahnen, Kolben, Pleuel, Baden-Baden, Juni 2010.

2014-11-10)