甲醇发动机正时链条磨损失效分析与工艺改进

武道，邢建恒，叶斌，孟凡飞，谭小军，刘荣军

甲醇发动机正时链条磨损失效分析与工艺改进

武道，邢建恒，叶斌，孟凡飞，谭小军，刘荣军

（杭州东华链条集团有限公司，浙江 杭州 311102）

甲醇发动机正时链条磨损伸长的问题频发，本研究采用动态测试、耐磨试验和浸泡试验的方法，旨在找到甲醇发动机正时链条磨损伸长的主要原因和解决方案。动态测试结果显示，甲醇发动机正时链条的受力与同排量汽油发动机正时链条受力没有明显差异，不是导致链条磨损伸长的主要原因。耐磨试验和浸泡试验结果显示，甲醇不充分燃烧后，产生的甲酸和未燃甲醇降低机油粘度，导致销轴和套筒之间不能建立足够厚度的润滑油膜，且甲酸会腐蚀加剧销轴和套筒之间摩擦副的磨损，是正时链条磨损伸长的主要原因。在销轴表面处理过程中，采用NH4I作为催化剂和渗剂中添加SiO2的方法能改善销轴表面粗糙度和抗腐蚀性能，提升销轴耐磨性能。

甲醇发动机；正时链条；磨损

2019年，科技部、工信部等八部委联合发布了关于在部分地区开展甲醇汽车应用的指导意见，意见中指出要强化甲醇汽车产业合理布局，加快能源多元化和清洁能源汽车发展，推动传统产业转型升级[1]。国内汽车企业已经研发甲醇燃料发动机多年，但是在研发和试验过程中发现，由于燃料发生变化，燃烧所产生的酸性物质改变了机油的性状[2]，为汽油或柴油发动机所设计的正时链条不能适用于甲醇燃料发动机的机油工况。有文献表明甲醇发动机的零部件在甲醇和甲醇燃烧产物环境中会被腐蚀，从而发生腐蚀磨损[3-4]，并针对一些零部件提出了解决方案，但是甲醇发动机正时链条的磨损原理和解决方案始终没有被系统解决。国内某汽车制造厂尝试采用销轴渗铬的方式改善耐磨性能，但没有成功。在台架试验和路试过程中，正时链条磨损伸长和断裂的问题仍然频发，甲醇汽车用户深受其害。所以，分析正时链条磨损伸长的原因、提出解决正时链条磨损伸长的方案很重要。

1 甲醇发动机正时系统和正时链条简介

甲醇发动机正时系统与其它燃油发动机正时系统结构并无明显差异，如图1所示。正时链条的作用是从曲轴链轮传递动力到排气链轮和可变气门正时（Variable Valve Timing，VVT），驱动发动机的配气机构，使引擎进、排气门在适当的时候开启或关闭，以保证发动机气缸能够正常地吸气和排气[5]。由于曲轴转速最高会超过5500 r/min，且正时链条存在于发动机内部，不易更换，需要正时链条具备超高的耐磨性能，来满足正时链条与发动机等寿命的要求。

甲醇发动机的设计寿命为70万公里，多用于出租车，对正时链条的耐磨寿命要求相比普通汽油车更高。滚子链由内链板、外链板、套筒、滚子、销轴组成，其磨损铰链副存在于套筒和销轴之间，在链条宽度相同的情况下，滚子链的磨损铰链副承载面积明显大于静音链，所以滚子链从结构设计角度就拥有更好的耐磨性能[6]，其结构如图2所示。

图1 甲醇燃料发动机正时系统示意图

2 实测正时链条受力

设计制作了正时系统动态测试工装，安装在发动机正时系统中，随发动机一起搭载在台架上。在发动机真实工况中监测正时链条的受力情况。发动机正时系统测试方案如图3所示。

测试过程中分别在40℃、90℃、130℃油温下，发动机负载分别设定为空载，65%负载，满载工况下，90 s内，曲轴转速从怠速匀加速到5500 r/min在40℃油温，满载工况下，正时链条受力最大，实测值为959 N。由于实测正时链条受力较小，比同排量汽油发动机正时链条受力更小，排除因正时链条受力大导致链条磨损伸长的可能性。正时系统动态测试数据如图4所示。

图2 滚子链结构示意图

图3 发动机正时系统测试方案示意图

3 甲醇发动机机油对链条磨损的影响

甲醇发动机以甲醇作为主要燃料，在动力性和排放性方面表现优异，但是由于发动机实际工况不断在变化，甲醇燃料在燃烧室内燃烧的程度也不同，在不充分燃烧的条件下，就会产生甲酸和未燃甲醇等非常规排放物。其反应方程式为：

2CH3OH＋O2→2HCHO＋2H2O （1）

2HCHO＋O2→2HCOOH （2）

而甲酸和未燃甲醇进入机油中以后，都会引起机油稀释，降低机油粘度，从而导致销轴和套筒之间不能建立足够厚度的润滑油膜[8-9]，引起销轴和套筒之间的异常磨损，且甲酸会腐蚀加剧销轴和套筒之间的磨损，引起正时链条磨损伸长，甚至磨损断裂。分析甲醇发动机旧机油，证实了旧机油中存在甲酸和甲醇，甲酸含量约为0.03%，甲醇含量约为0.51%。

为了验证甲酸和甲醇对正时链条磨损性能的影响，设计了以机油中甲酸和甲醇含量作为唯一变量的验证试验。将同样条件加工的正时链条分别搭载在两台封闭力流试验台上，加载力均为3 kN，转速均为3000 r/min，其中一台采用5W-30机油润滑作为对标件，另外一台采用5W-30机油添加3 g/L甲酸和5%甲醇来稀释机油作为试验件。经过600 h试验，结果表明，添加甲酸和甲醇的正时链条试验件磨损伸长率明显大于对标件，磨损伸长率如图5所示，证明了甲酸和甲醇稀释后的机油会降低正时链条的耐磨性能。

为了进一步研究甲酸和甲醇对正时链条铰链副的影响，设计了不同甲酸、甲醇含量机油溶液的浸泡试验。分别选用甲酸含量0.48%、0.64%、4.25%、12.75%、21.25%、100%的5W-30机油溶液和100%甲醇溶液，对销轴进行浸泡试验，每隔24 h取出检测其表面粗糙度，试验结果显示，在甲酸浓度达到0.64%时，销轴表面的宏观形貌和微观形貌都有明显被腐蚀的表征，销轴表面粗糙度会在短时间内明显增大，导致销轴的耐磨性降低。可见甲醇不充分燃烧产生的甲酸会影响链条摩擦副表面粗糙度，从而降低正时链条的耐磨性能，是甲醇发动机正时链条磨损加剧的重要原因。图6、图7为销轴表面宏观形貌和微观形貌，表1为甲酸含量为0.64%的5W-30机油溶液浸泡试验结果。

图5 甲酸和甲醇对正时链条磨损伸长率的影响

图6 销轴表面宏观形貌

图7 销轴表面微观形貌

4 正时链条优化方案

甲醇发动机正时链条最需要攻克的技术难点是如何保证链条在酸性环境和机油稀释环境下依然具备良好的耐磨性能，所以摩擦副的设计是链条设计的关键所在，需要重点考虑销轴机油的腐蚀作用，并能适应甲醇混入后套销之间润滑油膜减薄的工况。

表1 甲酸含量为0.64%的5W-30机油溶液浸泡试验结果

由于甲醇发动机对正时链条的耐磨要求极高，故从目前行业内通用的碳氮共渗、渗铬、渗钒三种销轴热处理工艺中，选择渗钒工艺作为基础工艺进行销轴的耐磨性能优化。渗钒的原理是在高温条件下，渗剂中的钒元素向销轴基体中扩散，同时销轴基体中的碳元素向表面扩散，在销轴基体表面形成钒的合金层，其主要反应式如下：

NH4Cl→NH3＋HCl（气体） （3）

8VCl2＋7C→V8C7↓＋8Cl2↑ （5）

销轴表面渗层主要成分是碳钒化合物，没有抵抗酸性腐蚀的能力。经过多轮工艺试验发现，在渗剂中加入SiO2，能使销轴表面渗层中形成Si3N4，在酸性环境中具备良好的中和甲酸的能力，其反应式如下：

Si3N4＋10H2O→3SiO2＋4NH3H2O （6）

NH3H2O+HCOOH→HCOONH4+H2O （7）

在渗钒过程中，使用碘化铵作为渗金属的催化剂，具有较好的催化效果，能使渗金属反应更充分，有效减少由于反应不充分导致的渗层表面微观缺陷的数量，从而降低销轴表面粗糙度，即使套销之间的润滑油膜厚度减小，在一定程度内销轴和套筒之间仍然不会发生干摩擦，可以保持较好的耐磨性能[10-11]，从而提升销轴适应润滑油膜降低的能力。如图8、图9所示，采用电镜分析NH4Cl催化渗钒的销轴和NH4I催化渗钒的销轴，NH4I催化渗钒的销轴表面微观形貌明显更优[12]，且耐磨元素钒的含量更高，元素含量如表2所示。

图8 销轴微观形貌

图9 销轴表面形貌

表2 电镜能谱分析渗层元素含量

5 试验验证

根据前文所述工艺方案制作了正时链条，将改进前后的正时链条搭载在同一台封闭力流试验台上，加载力为3 kN，转速为3000 r/min，采用添加3 g/L甲酸和5%甲醇的5W-30机油作为润滑油。经过600 h试验，结果表明，改进后链条在腐蚀环境下的耐磨性能明显优于改进前链条，磨损伸长率如图10所示，证明了上述改善方法针对甲酸和甲醇稀释后的机油腐蚀磨损有较好的抵抗能力。

图10 改善前后正时链条耐磨性能对比

为了进一步验证改善效果，进行了甲醇发动机800 h耐久台架试验，正时链条磨损伸长率为0.08%，表现出极佳的耐磨性能。本文所述技术方案的正时链条在市场上也表现出良好的质量表现。

6 结论

（1）甲醇在不充分燃烧的条件下，产生的甲酸和未燃甲醇会降低机油粘度，从而导致销轴和套筒之间不能建立足够厚度的润滑油膜，加剧销轴和套筒之间的磨损，引起正时链条磨损伸长，甚至磨损断裂；

（2）甲醇不充分燃烧产生的甲酸会影响链条摩擦副表面粗糙度，在甲酸浓度达到0.64%时，销轴表面粗糙度会在短时间内明显增大，影响正时链条的耐磨性能；

（3）销轴表面渗钒过程中，在渗剂中加入SiO2，能使销轴具备良好的抗酸腐蚀能力；

（4）使用NH4I作为渗钒的催化剂，能有效减少由于反应不充分导致的渗层表面微观缺陷的数量，从而改善销轴表面粗糙度，即使套销之间的润滑油膜厚度减小，在一定程度内销轴和套筒之间仍然不会发生干摩擦，可以保持较好的耐磨性能，从而提升销轴适应润滑油膜降低的能力。

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Failure Analysis and Process Improvement of Timing Chain of Methanol Engine

WU Dao，XING Jianheng，YE Bin，MENG Fanfei，TAN Xiaojun，LIU Rongjun

( Hangzhou Donghua Chain Group Co., Ltd., Hangzhou 311102, China )

The wear and elongation of the methanol engine timing chain occur frequently. This study adopts the methods of dynamic test, wear test and immersion test to find out the main causes and solutions to these problems. The result of dynamic test shows that there is no significant difference in force between the methanol engine timing chain and the gasoline engine chain with the same displacement. So force is not the main cause of the problem. According to the results of wear test and immersion test, we found that the formic acid and unburned methanol produced by the incomplete combustion of the methanol reduce the viscosity of the oil, which results that the lubrication oil film between pin and bush is not thick enough. Meanwhile the formic acid will corrode the surface of the pin and bush and increase the wear. It is the main cause for the wear and elongation of the timing chain. In the process of pin surface treatment, we suggest to use NH4I as a catalyst and to add SiO2into infiltrating agent, which can improve the surface roughness and corrosion resistance of the pin, so as to improve the wear resistance.

methanol engine；timing chain；wear

U464

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.08.004

1006-0316 (2022) 08-0018-06

2022-01-13

武道（1989－），男，湖南浏阳人，硕士研究生，工程师，主要研究方向为汽车发动机正时系统，E-mail：dhwudao@126.com。