活塞裙部涂层图案对摩擦力及燃油耗的影响

2015-01-09中村正明伊東明美菊原浩司中鉢裕介

汽车与新动力 2015年2期

【日】中村正明伊東明美菊原浩司中鉢裕介

0 前言

为了降低CO2排放，并减轻用户的经济负担，改善发动机的燃油经济性已成为重要的课题。降低活塞周边部件的摩擦损失可以有效改善怠速及低负荷工况下的燃油经济性，但如果为此减少活塞裙部的滑动摩擦面积，就有可能影响活塞的可靠性及耐久性。尤其对商用车柴油机而言，提高活塞可靠性及耐久性对于提高其商品性是很重要的。

为降低活塞的摩擦损失，有研究提出，可在活塞裙部涂覆水珠图案或波纹状图案的涂层。本次研究以减少流体润滑状态下的裙部滑动面积为前提，利用活塞裙部涂层图案降低摩擦，在以流体润滑区域为主的活塞反推力侧涂覆带图案的涂层，确认其改善发动机燃油经济性和降低活塞摩擦力的效果。

1 试验方法

1.1 试验装置

使用缸径104mm、行程118mm的直喷式4缸柴油机测定燃油耗。此外，使用缸径112mm、行程115mm的直喷式单缸柴油机测定活塞摩擦力。

1.2 燃油耗的测定

发动机燃油耗的测定在表1所列运转条件下实施。由于活塞的摩擦损失受裙部滑动面温度的影响较大，因此，将冷却液温度固定为80℃，在润滑油温度分别为80℃、85℃、90℃和95℃的4个条件下测定发动机的燃油耗。对于零负荷时的燃油经济性，则测定发动机拖动运转时的扭矩改善率，并以此作为燃油耗降低率。

1.3 活塞摩擦力的测定方法

用图1所示浮动式缸套装置测定活塞摩擦力。由于气缸套是通过负荷垫片与气缸体连接的，所以，利用这一装置，可以测出作用在气缸套上的活塞摩擦力。除摩擦力外，作用在气缸套上的还有活塞侧向力，但这可以通过气缸上下的止动装置予以固定。

将浮动式缸套装置安装在试验用直喷式单缸柴油机上。用于摩擦力测定的活塞与燃油耗测定所用的活塞设计基本相同。

表1 发动机运转条件（燃油耗测定）

1.4 活塞的润滑状态与试验用活塞

1.4.1 活塞的润滑状态

图2为用浮动式缸套装置测定活塞摩擦力的实例，图中还示出了缸内压力。依据测量原理，在图2中，活塞处于上升行程中测得的摩擦力值为正值，活塞在下降行程中测得的摩擦力值为负值。由结果可知，在活塞侧向力起作用的膨胀行程前半段，活塞摩擦力呈增加趋势。

图3（a）示出了活塞的摩擦力；图3（b）示出了此时的侧向力；图3（c）的纵轴是每行程的活塞摩擦力除以侧向力得出的值，横轴是每行程的活塞速度除以侧向力得出的值。这里测出的活塞摩擦力是活塞环与活塞裙部的摩擦力之和，因此，摩擦力除以侧向力得出的值并不是活塞裙部的摩擦系数。但是，作为在较大程度上影响活塞裙部摩擦力的值，该值被认为可以作为活塞裙部摩擦系数的代用特性值。由图3（c）推定活塞的润滑状态后可以得出结论，除排气行程和活塞在推力侧滑动的膨胀行程外，活塞的滑动速度越快，或是侧向力越小，活塞裙部摩擦系数的代用特性值就越大。因此可以认为，活塞大致处于流体润滑状态。

图4详细分析了图3（c）中的膨胀行程。图4中，A区域对应1～15°CA的摩擦力。在这一曲轴转角范围内，虽然缸内压力较高，但活塞的侧向力仍很小，因此认为，对这一时期的摩擦力有较大影响的不是活塞，而是活塞第1道环。图4中的B区域对应165～180°CA的摩擦力，这里代表的是下止点附近活塞速度较慢区域的润滑状态。另外，图4中C区域对应16～60°CA时的摩擦力，这一区域的活塞侧向力最大，对活塞裙部的摩擦力有较大影响。在这一时期的活塞裙部，随着活塞速度除以侧向力所得值的降低，活塞裙部摩擦系数代用特性值在达到最小值之后呈增大趋势，推测此时处于混合润滑状态。在膨胀行程中，活塞推力侧与气缸套接触，推力侧的滑动面积减少，有可能会导致活塞摩擦力增大，所以决定只在反推力侧的活塞裙部涂覆带图案的涂层。

1.4.2 试验用活塞

表2列出了用于试验的活塞参数。在探讨裙部涂层图案的过程中，是以减少滑动面积为目的的，因此希望在没有涂层的部位不会形成油膜。也就是说，不希望产生因油膜破裂而导致的润滑油剪断阻力。为此，准备4种试验用活塞：活塞A的裙部涂覆竖纹图案涂层，其润滑油的排出性较高；活塞B的裙部涂覆横纹图案涂层，有利于在涂层部位形成油膜；另外，还有裙部涂覆水珠图案涂层的活塞C和活塞D，这是为了了解对润滑油排出性能的影响。这些涂层图案只涂覆在活塞的反推力侧，活塞的推力侧涂覆普通涂层。但是，为了确认在反推力侧施加涂层图案的妥当性，在活塞D的推力侧也涂覆竖纹图案的涂层。最后，将由上述试验活塞测得的结果，与标准活塞（即推力侧与反推力侧均涂覆普通涂层的活塞）的数据进行对比。

试验中使用的涂层材料是Dow Corning公司生产的石墨系涂层材料，涂层厚度目标值为12μm。涂层部位面积如表2所列，约为标准活塞的50%。此外，试验活塞在涂覆涂层前的外径及廓形均相同。

2 试验结果

2.1 燃油耗测定结果

图5示出了试验活塞相比标准活塞的燃油经济性改善率。由图5可知，活塞A在从低负荷至中等负荷区域的范围内，燃油经济性得到改善，并且未发现燃油经济性变差的区域。另一方面，活塞B及活塞C获得燃油经济性改善效果的运转区域范围较小，并且高负荷区域的燃油经济性变差。活塞D从低负荷至中等负荷区域的燃油经济性改善效果较为明显，但在高负荷区域的燃油经济性也变差了。

利用上述4种活塞得出的燃油耗值，计算其JE05工况下的燃油经济性改善率（表3）。

表3 燃油经济性改善率（JE05工况，T2）

由上述结果可知，就裙部涂层图案对发动机燃油经济性的影响而言，活塞A的竖纹图案涂层显示出最佳值。与其他图案的涂层相比，涂覆竖纹图案涂层的活塞裙部在无涂层部位的排油性更好，这些部位难以形成油膜，因此滑动面积也更小。

2.2 活塞摩擦力的测定结果

针对在燃油耗测试中获得最佳结果的活塞A，使用浮动式缸套装置测定其摩擦力。在获得相对较大燃油经济性改善效果的1 200r／min、25%负荷条件下，测定标准活塞与活塞A的摩擦力（图6）。由图6可知，在进气行程、压缩行程后半段及排气行程，活塞A的摩擦力都得以降低。另一方面，活塞A与标准活塞在膨胀行程中的摩擦力没有太大差异，此时活塞A的摩擦力稍低于标准活塞，其原因在于，虽然此时反推力侧的活塞裙部没有承受负荷，但该部位与气缸套之间存在油膜，而滑动面积较小的活塞A在反推力侧的油膜剪断阻力较小。

图7是由活塞摩擦力测定结果计算得出的活塞A与标准活塞的摩擦平均有效压力。由图7可知，相比发动机转速1 000r／min的运转条件，活塞在1 200r／min时的摩擦平均有效压力降低率更大。

根据图7的结果，活塞A与标准活塞的摩擦平均有效压力降低率如图8所示。由图8可知，越是在高转速低负荷的条件下，摩擦平均有效压力的降低率就越大。这意味着活塞裙部的涂层图案具有降低流体摩擦的效果。

接着，将活塞A反推力侧裙部的竖纹图案涂层涂覆在活塞裙部推力侧，并将其摩擦力与标准活塞的摩擦力进行对比（图9）。如图9所示，在推力侧涂覆竖纹图案的涂层后，膨胀行程的摩擦力增大了。这是因为在膨胀行程中，标准活塞的裙部处于混合润滑状态，随着实际滑动面积的减少，油膜厚度变薄，导致摩擦力增大。由此得出结论，在活塞裙部反推力侧涂覆竖纹图案涂层的目的是为了通过减少处于流体润滑状态部位的滑动面积，得到降低摩擦力的效果。