摩擦功率优化的发动机活塞环组

立法者通过汽车排放法规确定了内燃机的发展方向。为了满足排放限值的要求,工业界对新的燃烧方法、机械效率的改善,以及新的排气后处理系统进行了研究。在由活塞、活塞环和气缸滑动表面所组成的摩擦系,即所谓的“动力单元”中,活塞环组具有巨大的降低燃油耗的潜力。Mahle公司得出结论,最佳的低摩擦功率活塞环组可使燃油耗降低5％。     

有利于降低发动机燃油耗的活塞裙部表面处理工艺

降低发动机零部件的摩擦,减少其机械损失是降低燃油耗的重要手段。活塞裙部表面涂层及典型的表面处理工艺对降低摩擦及磨损具有重要作用。介绍在活塞裙部形成覆膜的典型工艺,以及各种表面处理工艺和表面改性技术的原理与效果,也阐述新型涂层工艺的实际应用及其发挥的重要作用。     

活塞的表面处理工艺

对车用发动机来说,降低二氧化碳排放和改善燃油经济性是重要的课题。鉴于发动机活塞要求减轻质量和降低摩擦,介绍了用于活塞第1道环环槽和活塞裙部的表面处理工艺,这些技术有利于活塞的轻量化和降低摩擦。     

KSKolbenschmidt公司的新型钢活塞

KSKolbenschmidt公司推出一种轿车发动机用的新型钢活塞。据制造商称，结合采用适配的活塞结构，可降低摩擦功率损失，根据不同用途，这种钢活塞可使发动机燃油耗降低4％。凭借材料优势，可大大缩小活塞裙部和气缸孔之间的安装间隙，进而在怠速和冷态工况点大幅改善噪声特性。2014年，这种轿车用钢活塞将被批量装用在OEM机型上。     

降低汽车燃油耗的摩擦学技术

降低发动机燃油耗和减少二氧化碳排放是满足日趋严格的排放法规要求的必经之路。针对降低发动机燃油耗的课题,以发动机周边零部件为中心,着重介绍丰田汽车公司开展的摩擦学相关研究。就利用摩擦学技术降低燃油耗的具体方法,阐述了在优化气缸内圆面（工作表面）、改进活塞组件、优化气门机构及曲轴轴承等方面采用的新技术和新工艺,评价了上述技术措施对降低燃油耗及二氧化碳排放的效果。同时指出,即便是当代先进的内燃机。在利用摩擦学技术与手段优化其内部摩擦及降低燃油耗方面．仍具有很大的发展潜力。     

降低发动机二氧化碳排放的减摩技术

在车用发动机的开发中，改善燃油经济性、减少二氧化碳排放、降低发动机组件的摩擦等都是有待解决的重要课题。基于发动机减摩的常用策略，即降低滑动部位的摩擦因数，降低滑动摩擦部位承受的载荷，缩小滑动部位面积等，介绍近年来发动机减摩技术应用的部分实例，并评价其效果。同时，阐述降低机油泵及辅机皮带传动部件摩擦对发动机减摩的作用及其潜力。     

第二届同济-朗锐科技国际摩擦学研讨会召开

“汽车、机车和发动机工业中摩擦学的应用”第二届同济-朗锐科技国际摩擦学研讨会于2006年12月12～13日在中国南车集团戚墅堰机车车辆工艺研究所召开。研讨会由同济-朗锐摩擦研究所、德国柏林技术大学、美国麻省理工学院、英国戴纳格莱歇方德费轴承公司、奥地利李斯特内燃机及测试设备公司、美国费德勒莫固公司等联合主办。参加会议的有国内外专家、学者60余人。中科院院士谢友柏、德国柏林技术大学波波夫教授、美国麻省理工学院黄永荣博士、清华大学摩擦学国家重点实验室胡元中教授和同济一朗锐摩擦研究所张朝所长等分别作了“粗糙表面弹流润滑接触的快速计算法”、“计算机辅助工程在发动机研发中的应用”、“汽车发动机的活塞技术”、“活塞动力学模型及对活塞敲缸的影响”、“AVLGLIDE软件中活塞和活塞环摩擦损失的模拟”、“点接触和混合润滑中粗糙表面间的摩擦和磨损的模拟”等24篇精彩的学术报告。     

活塞环热喷涂工艺研究现状及其发展

活塞环是内燃机的关键零件之一，在汽车、机车、船舶等制造行业占有很重要的地位，它直接影响到内燃机的性能。由于活塞环安装在活塞槽中与气缸接触，随着活塞往复运动，在高温、高压以及化学物质的腐蚀下与缸套相摩擦，所以在环的外圆喷涂或电镀1覆盖层，从而延长其使用寿命。     

内燃机车柴油机气缸活塞组各零件摩擦面拉伤的成因及其质量

介绍了引起内燃机车柴油机气缸活塞组各零件出现拉伤的条件(临界温度、不利的负荷工况、速度工况等)。这些条件的形成与下述因素有关:气缸、缸套、活塞和活塞环的宏观和微观几何形状发生不允许的偏差,柴油机工作过程受到破坏,摩擦偶合件过热,材料的不相容性及其表面容油能力、吸附能力下降。指出了提高摩擦副抗拉伤能力的方法。     

富士重工公司的新一代水平对置发动机

介绍日本富士重工公司开发的新一代水平对置4缸发动机。与原有的水平对置发动机相比,新型发动机加长了活塞的行程,设计的燃烧室非常紧凑,实现了主运动系零部件的轻量化,进、排气门均采用主动气门控制系统,并配装了高效率的小型机油泵,降低了发动机的摩擦损失,使燃油耗降低约10％。     

车用发动机活塞及销组件中涂层的成本效率评价

就活塞销上涂覆性价比好的磨合润滑剂问题，对取消车用发动机活塞连杆组件中连杆铜套的可行性进行了研究。典型的车用发动机活塞都带有活塞销的销孔和销座。连杆上也同样有一个销孔，高硬度的钢制活塞销穿过这些孔连接活塞和连杆。一般来说，在连杆销孔内紧压一个铜套。铜套的作用是在润滑较差的情况下提供一个与活塞销偶合的接触面，以降低摩擦、磨损及刮伤等。然而，衬套增加了连杆质量[1.2]（在保持连杆小头厚度不变的情况下，去掉衬套的连杆小头外径较小，因而较轻），同时增加了活塞组件的制造成本和工艺，而活塞组件的强度并没有提高。在活塞销与活塞销孔，以及活塞销与连杆衬套的接触表面间磨损或刮伤是一种常见的失效形式，在发动机起动时尤为严重。以前的试验已证实，固体薄膜润滑剂可以预防刮伤和磨损，但是，通常都比不上带衬套连杆的成本效率。用Falex公司的试验装置对6种不同的润滑剂进行了试验，试验按照美国材料试验标准（ASTMG77）在环块试验机上进行。试验监控了摩擦系数、负荷、温度、表面特性、刮痕宽度及磨损材料的体积。根据试验结果，针对2种涂层在16台发动机上进行了无连杆衬套的台架试验和现场试验。     

无氢类金刚石碳覆膜在车用发动机气门挺杆上的应用

涂覆了无氢类金刚石碳（DLC）覆膜的气门挺杆已在日产汽车公司的V63L汽油机上装车应用。叙述了在发动机机油润滑条件下DLC覆膜的摩擦特性，以及无氢DLC覆膜的密合强度。根据试验结果确认，作为一种新型表面处理工艺，无氢DLC覆膜能实际应用于发动机气门挺杆等零部件，并有效降低零部件的摩擦损失。     

发动机活塞周边零件的测试技术

发动机内部的滑动表面受多种因素制约,目前,这类滑动面多数达不到设计阶段所要求的条件。为此,在进行发动机内部滑动面分析时需要掌握滑动条件,并对零部件滑动面进行测试。而且,在确认对滑动表面采取对策后取得的效果时,需再次进行单独的测试。介绍了用于发动机活塞周边零件滑动面的各种测试方法,描述了滑动面形状测试、滑动速度及零件温度等测试方法。此外,还介绍了在活塞周边零部件润滑状态分析中使用的测试技术,探讨了摩擦力、油膜厚度、油膜压力、磨损量等测试技术。     

用多连杆可变压缩比机构提高发动机性能的研究

介绍了一种采用多连杆机构的新型活塞一曲柄系统,它能改变活塞在接近上止点时的运动,从而获得与运转工况相匹配的最佳压缩比。只要选择合适的连杆机构并优化具体的参数,就可以在不增加原发动机尺寸或重量的情况下安装这种多连杆可变压缩比（VCR）机构。以前的文章中已清晰地说明了该VCR机构的特点,它能很容易地实现压缩比的连续可变控制。通过在膨胀冲程中对上连杆的垂直定向能减少由活塞侧推力引起的发动机摩擦。此外,通过连杆尺寸的优化设计可以实现类似简谐运动的活塞行程特性,从而降低由活塞二级惯性力引起的发动机噪声和振动,并减少曲轴扭矩的波动。将上述多连杆VCR机构应用于一台涡轮增压发动机,研究了它对发动机性能的影响。研究表明,在低负荷时提高压缩比和采用废气再循环,在高负荷时降低压缩比并提高增压压力,可以提高发动机的燃油经济性和输出功率。采用这种多连杆机构后的发动机活塞行程与传统发动机不同,类似于简谐运动。这种活塞行程的特征是接近上止点时活塞速度较慢,接近下止点时活塞速度较快。根据燃烧稳定性、时间损失、冷却损失以及摩擦情况,研究了在部分负荷工况下这种活塞行程特性对燃油经济性和最大功率的影响。     

内燃机活塞表面处理技术的开发

对内燃机活塞实施表面强化处理可提高活塞早期性能，简化活塞的接触状态调试、磨合等试运转过程，提高活塞的耐热胶着性、耐磨损性，以及发动机输出功率。介绍了本田技术研究所在活塞裙部形成具有吸附、保持润滑油作用的覆膜的新方法，阐述了在覆膜材料设计方面所作的精心考虑，如配合粒子及其配合量的选定、树脂的选定等。经试验之后，开发出一种全新的活塞表面强化处理工艺，并验证实施该表面处理工艺的活塞可获得良好的经济性和技术效益。     

降低发动机摩擦的轴承技术

当前,禁止在内燃机零部件上使用铅作为合金元素的法规业已实施,并且,由于普遍应用混合动力、发动机小型化、低黏度机油、起动一停车系统等新技术来降低发动机的燃油耗及排放,曲轴轴承的工作环境变得更加苛刻。针对曲轴轴承工作环境的变化,着重叙述在实现发动机高功率、小型化及降低摩擦损失等方面开展的摩擦学研究,介绍轴承材料研发及其设计理念的创新与成果．也对在曲轴轴承上应用的新型表面处理工艺及减摩技术进行评价。     

机油对活塞环的摩擦和擦伤的影响

作者以专用测试装置研究了不同粘度的机油和在机油中加入添加剂对活塞环摩擦与擦伤的影响。结果表明，在活塞行程的中央、其摩擦方式以粘性摩擦为主，在止点附近则产生边界摩擦。针对这一特点，采用了在低粘度机油中加入摩擦调节剂的润滑方式，既降低了粘性摩擦时的摩擦力，     

传统汽油机机油耗与缸孔变形的关系

众所周知,内燃机运转时的缸孔变形对机油耗（LOC）影响很大。目前这方面的分析报告不多。试验采用传统的直列4缸汽油机,旨在阐明缸孔变形与LOC之间的关系。用旋转活塞法测定3、4号气缸的缸孔变形,并用硫示踪法测量了每缸的LOC。通过改变活塞环张力来测量LOC,以研究活塞环与气缸的贴合性及其对LOC的影响。结果显示,发动机低负荷区域的缸孔变形较小,而高负荷区域的变形较大。3、4号缸在上止点前后的变形趋势不同,但LOC差别不大,当环张力减弱时,发动机的总LOC增加。用可预测环对变形缸孔贴合性的模型计算出活塞环油膜厚度,其结果被用于计算进入燃烧室的机油量及气缸壁机油蒸发量。计算证实,低张力环与气缸贴合不严导致环油膜变厚,机油流量增加,但蒸发的机油量无明显变化。由此可得出结论,环的张力变化会影响其与变形气缸的贴合性,反过来又会影响LOC。     

活塞环摩擦学特性在下一代弹性燃料发动机上面临的挑战

目前,随着可再生生物燃料的使用,考虑到从种植、燃料生产到汽车使用的整个生命周期,乙醇在弹性燃料汽车上的应用被认为是低二氧化碳排放的代用方案。在巴西,80％以上的量产汽车都使用弹性燃料。由于乙醇热值较低,为了获得相同的发动机功率,与汽油相比,乙醇的燃烧标定更为激进。这种燃用乙醇时不断增加发动机比功率的需求所产生的机械热负荷对活塞环摩擦学特性是一种挑战。乙醇的使用也带来一些特定的未被明确的摩擦学差异,如燃料稀释润滑油（尤其是在冷起动时）,以及具有腐蚀性的工作环境等。在特定的驾驶条件下,曾观察到氮化钢的第1道活塞环表面剥落等早期失效情况。当采用乙醇运行时,弹性燃料发动机呈现更高的最高燃烧压力,并且该峰值出现在曲轴转角上止点附近。这种状况增加了活塞环的磨损、擦伤的风险及摩擦学上的困难,这些都可能导致氮化层的裂纹及剥落。从摩擦学角度探讨弹性燃料发动机的第1道活塞环性能。讨论了弹性燃料发动机使用乙醇后对第1道活塞环的磨损、擦伤、氮化层剥落及摩擦等特性的影响。用发动机试验来评定耐磨损性和耐剥落性。有关擦伤,进行了环块法摩擦磨损试验,并给出了活塞环的涂层分级。还讨论了第1道活塞环的摩擦特性及对燃油耗的影响。给出了发动机浮动气缸套的试验结果。最后,讨论了克服这些挑战的活塞环技术方案。其中,有改进氮化处理以增加韧性的钢制活塞环,以及应用一种物理汽相沉积涂层,以提高耐磨损性和摩擦特性。介绍了一些摩擦试验台和发动机试验,以支持所讨论的技术方案。发动机试验基于严酷程序,目的是证明或预测弹性燃料发动机燃用乙醇时对性能的影响。     

合金硼铸铁软氮化气缸套的研制

介绍了16V280ZJA型柴油机气缸套材料、软氮化机理、内表面珩磨、装车试验。试验结果表明,采用舍金硼铸铁软氧化气缸套与镀铬活塞环及氮化活塞顶配对的摩擦副,摩擦磨损性能得到较大地改善,缸套的使用寿命有很大地提高。