汽车发动机用摩擦学材料的技术动向

【日】　坂手宣夫



发展动向

汽车发动机用摩擦学材料的技术动向

【日】坂手宣夫

降低汽车发动机摩擦是改善发动机燃油经济性的主要措施之一，是降低CO2排放的有效途径。介绍近年来马自达公司开展的摩擦学相关研究，以及发动机减少摩擦的开发思路，阐述了通过应用全新的表面处理方法来减少摩擦，包括采用的新技术和新工艺来优化气门机构、气缸内圆面、活塞组件和曲轴系统等，并评价了采用上述工艺和技术后降低摩擦损失的效果。

汽车发动机摩擦学表面处理气门机构气缸内圆面活塞组件

1　概述

为应对全球范围内的环境破坏，以及资源枯竭问题，各个领域持续开展了减轻环境负担及节省资源的工作。在汽车行业，通过零部件轻量化、提高发动机效率以改善燃油经济性、采用乙醇等非矿物燃料以及汽车电动化等措施，推进能源使用的高效性和多样化等工作。在提高发动机效率方面，降低摩擦损失是1个重要的技术课题。为了达到降低摩擦损失的目的，近年来，对材料进行低摩擦表面处理的许多技术被投入实际应用中。此外，在发动机小型化和轻量化方面，如果要提高滑动部位的耐磨损性，需要应用新的表面处理方法。本文围绕以降低摩擦为目的的表面处理的应用，概述汽车发动机应用摩擦学材料技术的发展动向。

2　发动机的摩擦损失及降低摩擦的开发思路

发动机在将热能转变为动力时，会产生排气损失、冷却损失和摩擦损失等。Holmberg等人验证了当乘用车以60km/h运行时，燃料中化学能量的11.5%将作为发动机的摩擦损失被消耗了[1]。发动机内部如图1所示，主要的滑动部位包括凸轮轴/从动机结构(凸轮轴传动)、活塞裙、活塞环/气缸内圆面和曲轴/轴承等[2]。在这些部位产生的摩擦损失占据发动机总摩擦损失的主要份额(图2)[3]。

图1　发动机内部的主要滑动部位

图2　汽油机各部分的摩擦损失

滑动部位为了降低摩擦、防止损伤，通常利用发动机润滑油润滑。在机油润滑下的摩擦因数根据润滑油黏度、滑动速度及载荷作用下的滑动条件进行计算(整理)，而描述滑动面的润滑状态与摩擦特性关系的图形称为斯氏曲线(图3)。润滑状态可划分为边界润滑、混合润滑，以及流体润滑区域。发动机整个润滑区域内各部位的滑动条件有很大的差异，所以降低摩擦的方法在各个润滑区域各不相同。

图3　斯式曲线

在流体润滑区域内，因为没有2个构件的直接接触，而是通过油膜相对滑动。在该区域降低摩擦，需要降低发动机润滑油的黏度并缩小摩擦面积。在混合润滑区域内，在构件表面形成部分接触时，通过摩擦表面的平滑化及微细加工(如活塞裙部的微凹处理及二硫化钼喷射处理)可以形成油膜，有效降低摩擦。在边界润滑区域，2个构件直接接触面进一步扩大时，应用优化表面润滑性的处理技术，并且在发动机润滑油中添加摩擦调整剂来降低摩擦。

3　气门结构

根据凸轮机构开启、关闭进排气阀的不同，气门结构分为直接推动式(直打式)及摇臂式，前者使用了气门挺杆，而后者则利用了杠杆的原理，在发动机开发时可根据不同的设计理念进行选择。近年来，为了达到降低摩擦损失的目标，应用滚子摇臂的气门结构的发动机数量有所增加[4]，这种气门结构是在与凸轮的接触部分内置了滚针轴承的滚子。另一方面，伴随凸轮的滑动，直打式及摇臂式有小型化和适于高速旋转等优点，目前仍是应用主流。

带有滑动的凸轮/气门挺杆、凸轮/摇臂间的摩擦由边界润滑发展到混合润滑时，保持摩擦表面的平滑性可以有效降低摩擦。为了进一步降低摩擦，采用了润滑性高的表面处理方法。这种表面处理要求耐受高表面压力的优异耐磨损性能。如在气门挺杆与凸轮的滑动面上应用了类金刚石碳涂层处理(DLC)。在采用了具有油性吸附效果的无氢DLC的涂覆处理中，由于与添加了无灰系摩擦调整剂的发动机润滑油的结合，可降低约40%的摩擦。图4示出了无氢DLC涂层降低摩擦的机理[5]。在F1赛车用发动机方面，摇臂与凸轮2种构件的滑动面上实施了DLC涂层处理，力求降低摩擦并提高耐用性。按照降低摩擦与提高耐热胶粘极限的要求，对2个构件的DLC涂层组合进行研究，凸轮侧的DLC硬度为摇臂侧硬度的1.3倍[6]。此外，在其他的赛车用发动机的气门挺杆及凸轮在DLC涂层处理中，使用了微细网纹加工技术，即利用激光束在DLC涂层上加工了直径10～200μm的圆形微小凹坑，以提高储油效果[7]。

图4　无氢DLC降低摩擦的机理

4　活塞系

4.1活塞环组

通常乘用车发动机的活塞环组设置了3道活塞环。第一道气环对燃烧室进行气密封，第二道环为压缩环，第三道为刮落附着在缸孔内圆面多余油量，以调整从曲轴箱向上提升机油量的括油环。这些活塞环伴随活塞的往复运动，与气缸孔工作表面间形成滑动摩擦副。在多数情形下，使用高质量的镀铬及渗氮进行处理。而在要求更高耐磨性的柴油机上，较多地采用物理气相沉积(PVD)方法进行氮化铬(CrN)涂覆处理。另外，由于CrN涂层磨损导致的张力降低较小，所以早期进行低张力设定，降低了摩擦，近年来，这种方法在汽油机上的应用逐渐增加[8]。最近，被应用于气门挺杆的无氢DLC涂层，也被应用于活塞环的表面处理。图5是作为活塞环的表面处理，采用了发动机试验比较，分别评价了应用DLC涂层，以及传统的镀硬质铬时，活塞与气缸内孔内圆面间的摩擦损失结果。图5中纵轴表示摩擦平均有效压力(FMEP)，是衡量发动机摩擦损失大小的指标。发动机在 2000r/min 转速下，应用DLC涂层后，摩擦损失的降低率在压缩环上降低了12%，在括油环上降低了6%[9]。

图5　在活塞环上应用DLC涂层时降低摩擦的效果

4.2活塞裙部

在活塞裙部，基于降低与气缸工作表面的摩擦及防止热胶粘的目的，通常采用涂敷树脂黏合剂中分散二硫化钼等固体润滑剂颗粒的涂层。另外，利用喷丸强化处理，应用了在表面内埋二硫化钼颗粒的方法。最近，在二硫化钼涂层上形成凹坑(微凹)的点状图案涂层工艺(花纹式镀钼涂层)被开发出来，并得到应用(图6)，使得在发动机转速 1500r/min 时，摩擦损失比传统涂覆处理降低2%，与喷丸强化相比降低1%[10]。

图6　活塞裙部的点状图案(花纹式)涂覆处理

4.3缸孔内圆面

通常情况下，乘用车发动机的机体用铝合金制作，并采用缸孔中插入铸铁气缸套的结构。基于降低活塞环与缸套工作表面间摩擦的目的，正在研究缸孔工作表面的微细形状，以改善润滑油的储油性和控制油膜厚度等方法。

活塞利用曲轴机构往复运动，所以其速度在上、下止点附近减小，而上、下止点的中间部位速度增大。在速度大的区域，缸孔内表面/活塞环之间形成流体润滑状态。图7所示的微凹网纹是以降低该区域(即速度大的区域)的摩擦阻力为目标而研究的工艺。评价缸孔工作表面上按50%的面积率形成了圆形微小凹坑的气缸套与油环的摩擦，确认可以降低30%的摩擦力(图8)。此外，在研究不使用铸铁缸套的情况下，在缸孔内表面实施喷镀及电镀加工等表面处理的方法。这类方法除了降低摩擦外，还具备了机体质量轻、小型化的优点。下面介绍通过铁制材料的电弧喷镀的应用，研究降低摩擦的实例。喷镀后，经珩磨加工后的缸孔内表面上，形成微小凹坑及加工痕迹(图9)。使微小凹坑的面积率及表面粗糙最佳化，其比铸铁缸套低，并且有高的耐热胶粘性。

图7　缸孔内圆的微凹网纹处理

图8　微凹网纹处理降低摩擦的效果

图9　电弧喷镀后经珩磨加工表面的扫描电子显微镜观察图像

5　曲轴系

曲轴轴承使用被称之为轴瓦的滑动轴承。轴瓦是在钢制的支撑背(即瓦背)上色覆膜(即贴合)铝基合金或铜基轴承合金。要降低这种轴承的摩擦，缩小曲轴直径及减小轴瓦宽度是有效的措施，不过，都存在负荷上升的问题，所以，有必要提高耐热胶粘性及耐磨损性。另外，近年来，正在普及应用的怠速停机机构及混合动力车辆上，发动机的起动、停机次数大幅度增加，所以，这种情况下，也加大了轴瓦的负担。

为解决这类课题，实施表面处理的改进，即在轴瓦的表面上实施涂层处理，即在铝基或铜基的底材上涂覆一层软性涂层。研究了在聚酰胺-酰亚胺树脂中分散了二硫化钼颗粒的表面涂层，在铝合金底材轴瓦上应用这种表面涂层，在起动、停机磨损试验中，可获得降低24%的摩擦因数，以及降低66%的磨损量的效果。

6　转子发动机

转子发动机的主要摩擦部位，如转子支架/转子发动机径向密封片之间，相当于往复式发动机中的缸孔工作表面/活塞环(组成摩擦副)。转子发动机径向密封片是铸铁制作的，滑动面上利用电子束重新熔化加工实现冷硬化。转子支架滑动面则采用镀铬-钼合金材料。作为降低该部位的摩擦的方法，例如研究了改进电镀工艺的实例。由于在电镀液中添加有机磺酸作为催化剂，根据发动机试验，确认了电镀(材质)的晶体结构改变，摩擦磨损特性的提高，燃油经济性改善约1.5%(图10)。

图10　电镀铬-钼合金表面照片

7　结语

综上所述，DLC涂层处理及网纹结构涂覆活塞

环加工等对有效降低摩擦的材料技术开发有很重要的作用，可以提高发动机效率。但是，这类技术成本较高，所以仅限于在部分汽车上使用。今后，以发动机趋动汽车还是发展主流，因而，为应对全球规模的节省资源的需求，需要更大幅度地改善发动机效率，所以，按照降低处理成本及提高生产率的观点，也要求降低摩擦技术得到发展。期待未来摩擦学材料技术的进一步发展。

[1] K. Holmberg. P. Andersson and A. Erdemir： Global energy consumption due to passenger cars[J]. Tribology International, 2012,47： 221-234.

[2] 自動車技術會[J].自動車技術ハソトブシクテク基礎·理論編，1990,55.

[3] 自動車技術會[J].自動車技術ハソトブシクテク基礎·理論編，1990,53.

[4] 長谷川裕一ら.CX-5 SKYACTIV-Gのエソシヨソ技術[J].マシダ技報，2012,30： 3-8.

[5] 野原常靖ら.CO2削減た貢献するユソシフリクシヨソ低減技術の紹介[J].日產技報，No.68(2011)，65-68.

[6] 伊藤直彰ら.カムシヤフト，ロツカアムDLCコテイングの開発[J].Honda R&D Technical Review, F1 Special, 2009： 250-252.

[7] 山本健二.エソジソ部品はねけゐマイクロテスチヤDLCの適用[J].MECHANICAL SURFACE TECH, 2014,6： 24-25.

[8] 原科謙市.ビストンリグちシリダライナのフリクシヨソ低減技術，トライボロジスト，57，No.9(2012)，51-56.

[9] 樋口毅ら.ビストンリングヘの水素フリDLC膜の適用開発[J].自動車技術会学術講演会前刷集，2011,154-11： 13-16.

[10] 田岸龍太郎ら.新型FIT用SOHCi-VTECエンジンの開発[J].Honda R&D Technical Review, 2008，1(20)： 6-13.

2015-12-26)