活塞组降低摩擦的潜力及其裙部涂层的影响

降低发动机的内部摩擦是发动机开发的重要目标之一。Mahle公司开发出一种整机摩擦功率试验台，作为重要的开发工具，其不仅能在外源增压倒拖运转情况下，而且能在着火运转的发动机上，对所有对摩擦功率有影响的发动机零部件进行参数试验，确定出活塞组各个结构参数降低摩擦的潜力，并借助于试验设计程序为每种试验方案绘制了摩擦功率特性曲线场。同时，为了查明活塞裙部涂层对降低摩擦和磨损的作用和潜力，对3种不同涂层材料进行了摩擦和磨损试验，然后对各项参数对降低摩擦功率的效果进行排序。它可为发动机试图达到更合理的结构设计提供参考。     

在着火运转的柴油机上测量摩擦功率——活塞裙部几何形状的影响

Mahle公司在着火运转的柴油机上进行大量的摩擦试验。介绍并定量揭示影响轿车柴油机活塞裙部摩擦的各种措施。活塞形状对摩擦的影响是由不同的活塞裙部廓线显现出来的，例如降低活塞裙部的刚度能证实活塞结构的适合程度对摩擦性能的影响。此外，还介绍缩小活塞裙部工作表面积对发动机运行特性曲线场摩擦性能的影响。     

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。     

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。     

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。     

基于表面处理工艺及形状优化的活塞环滑动摩擦降低技术

发动机的总机械损失中,活塞组件因滑动阻力引起的摩擦损失约占40％～60％。活塞环外侧圆周面与气缸工作表面之间存在较大的滑动摩擦力,会造成发动机的功率损失。降低上述摩擦损失是活塞组件研发过程中有待解决的课题。通过对活塞、活塞环、气缸等部件接触部位的形状进行优化,以及采用高效的表面处理工艺形成适当的表面粗糙度,来达到降低活塞环滑动摩擦损失的目的,同时也介绍近年来部分典型表面处理工艺的应用实例及其效果。     

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％。     

内燃机活塞的摩擦分析

研究分析类金刚石碳涂层对活塞销及裙部的减摩效果。采用浮动缸套法和弹性流体润滑仿真方法分析活塞裙部摩擦。试验结果表明，类金刚石碳涂层减小了活塞销对缸套的摩擦，并且在发动机低转速和活塞销偏置较大的条件下效果尤为明显，尤其减小了上止点和下止点附近的摩擦。弹性流体润滑仿真证实，类金刚石碳涂层活塞销能够影响活塞的运动，减小活塞裙部与缸套之间的接触压力。     

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。     

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。     

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。     

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。     

柴油机钢活塞的摩擦特性

据预测,卡车柴油机功率的提高会进一步增加铸铁活塞和钢活塞的需求量,因而对活塞的润滑状态进行了研究。采用浮动衬套法对铸铁活塞和钢活塞的摩擦特性进行了测量分析,为了便于比较,也给出了传统铝活塞的摩擦特性。为了分析活塞的摩擦特性及研究中的新发现,对活塞的二阶运动也进行了测量分析。研究结果表明,铸铁活塞在压缩上止点为边界润滑状态,其原因可能是活塞与气缸套间隙过大导致活塞倾斜角度过大,钢活塞由于裙部机油润滑充分,在上止点及下止点处于流体润滑状态。     

活塞表面物理气相沉积氮化铬涂层的特性

本文介绍了内燃机活塞上PVD(物理气相沉积)涂层的发展,目的是为了更好地控制发动机的主要部件,如活塞和气缸等的摩擦、磨损、氧化及腐蚀,提高能效,延长寿命,改善功率输出。研究目的是为铝制活塞寻找最佳的衬底涂层化合物。PVD的氮化铬电弧沉积涂层已被证实在这方面能提供极优越的性能,正如在划痕测试中所测得的,在摩擦力、磨损特性和粘着力方面都有改善。涂镀工艺不会影响到LM- 13活塞合金的硬度和微观结构。     

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，     

减小摩擦降低汽油机的燃油耗和排放

为了降低燃油耗和排放,减小发动机的内部摩擦和摩擦学影响的研究已成为未来发动机发展的主攻方向之一。为了针对现有和未来产品的摩擦进行更深入的优化研究,Mahle集团投入了大量研发经费。在此研发工作的大背景下,除了对逐个零件直接进行优化外,还专门围绕组件优化对发动机整机摩擦特性的影响进行了研究。这一研究在一台2L轿车增压直接喷射汽油机上进行。     

轿车柴油机用的钢活塞

现代柴油机仍一如既往地要求降低排放和提高功率。然而,在降低燃油耗和废气排放的同时,要达到较高的升功率势必要求燃烧与不断提高的爆发压力具有良好的匹配。而目前常见的轿车柴油机铝活塞承受功率的能力已达到极限。因此,发动机零部件供应商正致力于研发能够承受更高机械负荷和热负荷的钢活塞。     

未来的涡轮增压器

发动机制造商所承受的要求降低发动机单位功率价格、提高整机总效率的压力自然而然地影响了涡轮增压器制造商。为降低成本，发动机制造商正在提高发动机的平均有效压力和活塞平均速度，因而促使涡轮增压器压比和效率也需提高。功－热联合循环装置（以下简称ＣＨＰ装置）给发动机和增压器制造商提出了一个更进一步的问题，那就是发动机／增压器系统效率的提高导致废气温度降低，因此废热利用度得更加困难。本文论述了涡轮增压器制造商     

低噪声活塞——降低活塞销的拍击噪声

相比全浮式活塞销结构,半浮式活塞销具有成本上的优势,但存在活塞销拍击噪声的问题。针对这一问题,分析活塞销发生噪声的机制,同时,开发了一种优化的半浮式活塞销结构。通过测量活塞与活塞销的动态,并与全新的发动机润滑油动态可视化技术（光纤光缆连接法）相结合,分析了活塞销的噪声发生机制。采用光纤光缆连接法,不仅可实现发动机润滑油的可视化研究,还能在实际的发动机运行条件下,利用粒子跟踪测速技术,测量润滑油的流量矢量。上述研究结果与众多的活塞参数研究相结合,有助于通过计算机辅助工程优化活塞形状。本次研究的结果是,经优化的半浮式活塞销结构具有与全浮式活塞销结构相同甚至更低的噪声水平。     

铝活塞上的类金刚石涂层可增加发动机的功率

据比利时贝卡尔特公司报道，具有类金刚石涂层的铝活塞能提高发动机的功率。在摩托车发动机上对涂覆类金刚石涂层的铝活塞进行试验，并和标准的铝活塞作了比较。功率测试仪的结果显示在低转速时功率至少提高了1％，