用于汽油机和柴油机的新型活塞裙部涂层

【德】　M. Blümm　A. Baberg　F.T.H.Dörnenburg　D. Leitzmann



用于汽油机和柴油机的新型活塞裙部涂层

【德】M. BlümmA. BabergF.T.H.DörnenburgD. Leitzmann

降低摩擦对于内燃机的总效率起着越来越重要的作用，因此无论是在汽油机还是柴油机上活塞裙部涂层都得到了广泛的应用，这对活塞在燃烧室中工作又提出进一步的要求，需要具有更高工作能力的活塞裙部涂层，Federal-Mogul公司在其涂层系列中又开发了2种新的涂层品种。

活塞裙部涂层EcoTough涂层抗磨损

1　减少寄生损失

内燃机效率的提高对由活塞、活塞销和活塞环组组成的摩擦系统零部件的要求越来越高。为了进一步提高效率，就必须降低寄生损失。以1台2.0L涡轮增压缸内直喷式汽油机作为参考基准，则可供使用的机械功份额为37%，而其中25%的消耗源于摩擦和辅助设备损失，而其中摩擦损失占比很大，仅活塞裙部和活塞销的摩擦就占到摩擦和辅助设备总损失的17%[1]。

除了确定合适的活塞间隙和裙部几何形状之外，采用活塞裙部涂层是优化摩擦功率和减少磨损的非常有效的措施。Federal-Mogul公司为汽油机和柴油机活塞裙部涂层开发了耐久性与发动机使用寿命相同的涂层，能降低活塞裙部与气缸工作表面之间的摩擦。

这些涂层可使活塞能承受更高的热负荷和机械负荷，并已证实，活塞裙部涂层可能已达到其耐久性的边缘，所以裙部涂层必须进行革新。Federal-Mogul公司成功地开发出了2种能满足汽油机和柴油机更高要求并具有高工作能力的活塞裙部涂层，其中，为汽油机和柴油机分别选择了不同的配方，因为虽然这两种热力机械的运行条件越来越趋于相似，但是仍各自具有特殊的要求，所以，涂层系统的匹配显得尤为重要。

2　用于汽油机的活塞裙部涂层

在汽油机上，当未燃烧的燃油稀释气缸工作表面上的机油时会对摩擦产生不利的影响，因而发生固体接触的混合摩擦状况的概率增大，从而也就会引起活塞环/活塞裙部与气缸工作表面摩擦副之间的摩擦功率增加。在具有起动-停车功能的汽车上，发动机重新起动时的混合摩擦阶段的次数也会增多。除了效率损失之外，也意味着磨损增大，这将减小活塞的使用寿命，并且会对活塞的噪声辐射产生不利的影响。

图1　呈红棕色的新一代EcoTough活塞裙部涂层

图2　新一代EcoTough涂层各种不同成分的金相显微照片

该涂层配方使裙部涂层在摩擦功率较低的同时，提高了抗磨损性能。图3示出了试验中新一代EcoTough裙部涂层的磨损值与广泛应用的标准裙部涂层的比较。与标准裙部涂层相比，这种新型裙部涂层在磨损最多减小40%的同时，在极端要求下仍具有更高的耐久性，而且还能为基础发动机的效率节省约15%的摩擦功率。

图3　　　　用于汽油机的新一代EcoTough新型裙部　　　涂层的磨损和摩擦与标准涂层的比较

广泛的试验证实了新型裙部涂层的这些特性。为此，首先在机外试验台试验中查明涂层的磨损状况，然后再在着火发动机冷起动运转中确定行之有效的涂层方案。试验所应用的发动机的特点是具有极其苛刻的摩擦学条件，配合间隙很小且气缸工作表面又非常粗糙。这样的摩擦特性是在1台浮动缸套发动机上实现的[2]。

此外，在开发和确证进程中，涂层系统还必须进行1种试验，在这种试验中涂层被人工预先损坏，紧接着用强力的高压机油喷束冲击(机油喷射试验)，涂层在铝基质上的粘合状况仍显示良好，即使涂层已被预先损坏但仍然能经受得住强力的高压机油喷束的冲击。这种试验用数值确定了裙部涂层的附着力和粘合性能。由于涂层应用于活塞裙部是采用全自动大量生产工艺(图4)进行的，因而能够低成本地获得这些磨损和摩擦方面的优点。在此期间，具有这种裙部涂层的活塞样品已获得汽车制造商的确认。

图4　涂敷活塞裙部涂层的丝网印刷法

3　模拟方法

数值模拟对于开发裙部涂层特别是确证其运行性能起到了很大作用。这种模拟的任务自然是优化活塞的结构，例如结构轻量化及减小压缩高度，但是模拟方法同样也有助于评估试验结果。在新型涂层进行发动机试验之前，先计算所应用的1.6L汽油机活塞裙部的侧压力，这样便于识别易于产生磨损的高接触压力的运转范围，从而就能有针对性地进行活塞的运转试验。然而，图5表明运转后的裙部涂层即使在高接触压力区域也看不出有明显的磨损。这种无损伤地承受局部高单位面积压力的能力，是高负荷发动机活塞裙部与气缸工作表面抗磨损性能的重要前提条件。

图5　　　　接触压力模拟计算与在1.6L汽油机上　　　运转试验后的裙部涂层的比较

4　用于柴油机的活塞裙部涂层

在柴油机上，特别是高峰值压力会引起活塞裙部的摩擦和磨损。与汽油机活塞相比，柴油机活塞的刚度要大得多，而且具有专门为柴油机优化的裙部造型。当然，由于裙部的刚性较大，就增加了“咬缸风险”，而增加润滑剂含量能避免这种“咬缸倾向”，此外这样也能使摩擦值明显低于汽油机裙部涂层。即使柴油机燃油具有较好的润滑性，与汽油机燃油相比产生的磨损较小，因此能够开发优化摩擦的柴油机专用活塞裙部涂层。目前，柴油机活塞裙部涂层经过多年来的使用已被证实是可靠的，但是与汽油机的发展情况相类似，柴油机上的机械负荷也进一步提高，柴油机活塞裙部也需要提高其抗磨损能力。为了满足这样的要求，被命名为“EcoTough-D”的裙部涂层也投入了量产。这种涂层系统同样适合于铝活塞和钢活塞，因而在轿车和轻型载货车上的应用越来越多(图6)。

图6　　　　具有新型EcoTough-D裙部　　　涂层的轿车柴油机钢活塞

这种以聚合物为基础的涂层同样也用短的碳纤维加强，而且这种涂层中融合了石墨作为固体润滑剂。图7示出了EcoTough-D涂层的磨损和摩擦值与传统石墨基涂层的比较，其中摩擦比常见的裙部涂层最多低35%，同时抗磨性改善高达30%。全自动涂敷工艺能提供必需的涂层厚度，以避免裙部间隙加大可能会产生有害噪声辐射的活塞侧向运动。

图7　　　　用于柴油机活塞的EcoTough-D裙部涂层　　　磨损和摩擦与传统石墨基涂层的比较

5　结论和展望

未来，这些表面涂层技术对于提高内燃机效率将起到越来越重要的作用。在与活塞结构设计和所应用的活塞材料的相互作用中，活塞裙部涂层有助于优化摩擦功率，即使在苛刻的边界条件下也有助于减小裙部的磨损。此外，EcoTough-D涂层还有助于优化柴油机的噪声。

这些新型的涂层系统不仅可用于汽油机，而且可用于柴油机，并作为活塞裙部的涂层，它们在高负荷发动机上能在降低摩擦的同时获得必需的抗磨损性能。

[1] JückstockR. Perspektiven zur reibungsreduzierung im Grundmotor[J]. Sonderausgabe “75 Janhre MTZ”. MTE, 2014(75)： 114-118.

[2] Dermot M, Kwangsoo K， Masaaki T. Part 1： piston friction and noise study of three different piston architectures for an automotive gasoline engine[C]. SAE Paper 2006-01-0427.

2016-03-01)