降低摩擦功耗的汽油机活塞组件优化设计

许欢平

（马勒技术投资（中国）有限公司，上海 201401）



降低摩擦功耗的汽油机活塞组件优化设计

许欢平

（马勒技术投资（中国）有限公司，上海 201401）

摘 要：本文着重探讨在降低摩擦功耗提高燃油经济性方面，马勒公司在汽油机活塞组件（分别从活塞、活塞环组和活塞销）上提出的优化设计方案，在理论分析和发动机台架试验数据的共同支撑下，完成对发动机降低摩擦功耗提高燃油经济性方面的升级换代工作，从而保证该款发动机满足客户新一阶段燃油耗要求，延长该发动机的生命周期。

关键词：降低摩擦 活塞 活塞环 活塞销 PVD DLC

引言

降低摩擦一直是动力总成设计人员的首要任务。但是，近些年来随着全球二氧化碳排放法规的逐渐升级，这项任务变得越来越紧迫。在活塞式发动机中，摩擦损失与转速的平方成正比。这是发动机生产商（OEM）在不断降低发动机转速的原因之一[1]。本文作者从工程实际案例中获得的经验出发进行探讨，以期能给同行带来一些改进方向和启示。

1 背景描述

在给国内一家知名的发动机生产商（OEM）开发一款1.6L VVT自然吸气发动机活塞组件的过程中，面临着从国IV（百公里7.0L综合工况油耗）升级到国V（百公里6.3L综合工况油耗）提供最优化的设计方案以满足客户降低燃油耗的要求。针对活塞组件，客户要求至少达到1%燃油耗的降低来配合整个发动机获得10%燃油耗降低的目标。下面将针对活塞组件各个零件——活塞、活塞环以及活塞销分别进行设计优化。

2 理论分析

发动机摩擦功耗占据着约1/3的乘用车燃油耗及二氧化碳排放[2,3]。预计该摩擦功耗损失在今后的5-10年内可以减小20%，长期甚至到60%[3]。尤其在低速低负荷工况，即城市工况下。例如，NEDC循环下运行时，摩擦功耗对燃油耗的贡献尤为显著[4]。而活塞和活塞环约占发动机摩擦功耗的50%[2]。因此，大量的研究和开发工作投入其中，以降低其在发动机中的摩擦损失。

马勒公司也对活塞组件进行了大量研究，并识别出哪些零部件的参数对降低摩擦功耗有显著效果，如图1所示。

图1 发动机需求及活塞组件降低摩擦功耗总览图

接下来，探究各个零部件参数对摩擦功耗影响的程度。在表2、表3和表4中，字母VH、H、M、L分别代表相应参数对摩擦功耗结果的影响：非常高、高、中等、低。这里，只考虑该参数对零部件本身的影响程度，而不考虑该零部件对发动机摩擦功耗影响的高低[5,6]。比如，活塞销涂层对销而言影响程度非常高，即使假定在该应用中活塞销对摩擦功耗没有任何贡献。当然，不同的运行工况也会有不同的影响程度。

表1 活塞

表2 活塞销

表3 活塞环

3 方案优化

基于上述研究工作，对该款1.6L VVT自然吸气发动机活塞组件进行了如下图2所示的技术方案优化。

图2 此前批产的基准活塞组件和马勒低摩擦活塞组件优化设计方案

活塞方面，从原来的箱式结构改为马勒轻量化Ecoform设计（见图3）。在不改变压缩高的情况下，将重量由原来的295g降低至275g（-6.8%）。同时，调整活塞和缸孔之间的配缸间隙，从55μm增大到74μm。由于配缸间隙的增大会带来NVH方面的负面影响，于是在发动机验证试验中增加了NVH试验来保证设计的可靠性。裙部涂层则从原来的普通石墨印刷改为马勒低摩擦EvoGlide涂层，同时增加了抗拉缸性能；裙部粗糙度也从RS12降低至RS7，从而进一步降低摩擦损失。

图3 马勒轻量化Ecoform结构设计

活塞销方面，将原来的无涂层活塞销改成低摩擦系数的DLC涂层的活塞销（图4左侧），同时增加了销和销孔之间的抗拉伤性能。

图4 DLC涂层活塞销与无涂层活塞销

活塞环方面，将原来的环组高度（1.2/1.5/2.5mm）改为（1.0/1.2/2.0mm），从而大大减小了活塞环横截面尺寸，达到降低摩擦面积和降低活塞环弹力的双重优势。整个环组弹力从原来的52.6N降低至优化后的28.2N（-46.4%），减小近一半的弹力。究其原因，这得益于马勒新一代开发的轮廓优化的X-Taper两片式油环（见图5）。上压缩环涂层由原来的陶瓷复合铬改为PVD涂层，降低摩擦系数的同时增加了活塞环表面的抗磨损性能，提升了活塞环的耐久性能；控油环涂层由原来的普通镀铬改为PVD涂层，降低摩擦系数的同时增加了控油环表面的抗磨损性能，为控油环保持设计轮廓的耐久性提供了非常有利的条件。

图5 马勒轮廓优化的X-Taper PVD两片式油环

与此同时，该发动机生产商采纳马勒的建议，改进发动机缸孔的绗磨参数，减小了缸孔表面粗糙度，与马勒低摩擦活塞环组形成良好的配合。

鉴于上述优化方案，以马勒的专家工具[7,8]在低负荷下进行估算预计，可以使燃油耗降低4.0%。

4 实验验证

对上述优化后的方案，虽然从理论分析上看，很好阐述了该方案的有效性，但最终还需要发动机台架实验结果来验证。在该项目开发过程中，为了验证优化后活塞组件设计降低摩擦功耗的有效性，项目组专门制定台架实验的验证计划，用摩擦功耗试验最终完成对该方案的验证。

试验条件：发动机在最小的干扰下用逐步拆解的方式来评估各个零件的摩擦损失；只测量旋转副零件——曲轴/连杆/活塞气体压力和流量控制完全按照整机中测量的数据油温控制在20℃/35℃/50℃/80℃/110℃；发动机转速控制在“750≥3000r/m，在20℃和35℃下”“750≥6250r/m，在50℃、80℃和110℃下”。

试验结果，见图6所示。

图6 摩擦功耗试验结果对比

5 总结

马勒低摩擦汽油机活塞组件设计优化方案，可以带来约4%左右的燃油耗降低（取决于基准设计）。此收益可以通过活塞组件摩擦功耗对比试验进行验证，并最终在发动机及整车试验中获得印证。该发动机生产商最终配合VVT技术、Start/Stop启停技术等同步升级，满足了国V目标（百公里6.3L综合工况油耗）。此设计方案优化可以推广至其他各个发动机生产商的降低燃油耗项目中，为我国汽车行业满足下一代燃油耗法规打下了扎实的基础。

参考文献

[1]Lindsay Brooke.另觅蹊径，降低摩擦[J].汽车工程：中文版，2015，（8）：49-51.

[2]Schommers J.Minimizing Friction in Combustion Engines[J].MTZ，2013.（74）：22-23.

[3]Holmberg K.，Andesson P.，Erdemir A. Global Energy Consumption Due to Friction in Passenger Cars[J]. Tribology International，2012，（47）：221-234.

[4]Fernandez M.，Tomanik E.，Carlini R.Comparison of the Potential to Reduce Fuel Consumption by Engine Energy Losses Mapping[Z]. SAE paper 2013-36-0221，2013.

[5]Tomanik E. Powercell Solutions for Engine Fuel Consumption Reduction[Z].SIMEA Brazil，2014.

[6]Nocera E. Reducing Mechanical Losses for Fuel Targets on the Inovar-auto[Z].11th symposium SAE of powertrain，Sorocaba，Brazil，2013.

[7]Tomanik E. Reduced Friction Power Cell Components[Z]. SAE paper 2000-01-3321，2000.

[8]Tomanik E.，Ferrarese A. Low Friction Ring Pack for Gasoline Engines[Z].ASME paper ICEF 1566，2006.

Powercell Solutions for Gasoline Engine Fuel Consumption Reduction

XU Huanping
(MAHLE Technologies Holding (China) Co., Ltd.,Shanghai 201401)

Abstract:This paper is mainly focus on MAHLE powercell optimized solutions for gas oline engine fuel cons umption reduction. From piston, piston pin and piston ring pack parameters optimization through the theoretical analysis, the author makes low friction proposal design of the powercell and verified in the engine test, and help OEM to upgrade its engine platform to fulfi ll the next generati on of fuel consumption requirement and extent the engine platform lifetime.

Key words:Reduce friction, Piston, Piston Ring, Piston pin, PVD, DLC