DuroGlide?
——用于高燃油效率商用車發動機的新一代活塞環涂層

[德] S.Hoppe [美] T.Kantola

材料工藝

DuroGlide?
——用于高燃油效率商用車發動機的新一代活塞環涂層

[德] S.Hoppe [美] T.Kantola

商用車發動機發展的根本驅動力是提高燃油效率及滿足愈加嚴格的廢氣排放法規，這為發動機零部件，特別是活塞環的開發提出了重大挑戰。在動力氣缸中，活塞環組是摩擦損失的重要部件，活塞環組的摩擦損失占發動機總機械摩擦損失的25%，相應影響燃油耗高達4%。要在不影響機油消耗的前提下，減小摩擦功率損失，同時滿足由于功率密度增加、缸孔更平滑、潤滑減少，以及使用代用燃料等越來越多的活塞環熱機械學和摩擦學要求。在這種情況下，以耐磨性和抗刮擦性為特征的活塞環工作表面的可靠性發揮著日益重要的作用。活塞環表面涂層作為關鍵設計要素，必然是解決活塞環/氣缸套摩擦學系統摩擦損失和增加可靠性的主要焦點之一。概述了新一代四面體非晶質碳基(ta-C)活塞環涂層的開發，這項名為“DuroGlide?”的活塞環涂層在提高產品性能、減小摩擦方面樹立了新的標準。DuroGlide?涂層活塞環與其他同類產品相比，具有更出色的耐久性、耐磨性和抗刮擦性，結合先進的頂環和油環設計，可使商用車發動機節省燃油耗多達1.2%。介紹了DuroGlide?涂層如何提供優越的耐磨性和抗刮擦性，從而在潤滑條件不良的情況下具有更高的性能和燃油效率。最后，總結了上壓縮環和油環的臺架試驗和發動機驗證的基本結果。

商用車 發動機 活塞環 涂層 可靠性

0 前言

在美國，有研究認為商用車僅占道路行駛車輛的7%左右，但其燃油消耗量卻超過道路車輛所用燃油的25%。為此，聯邦授權的燃油和排放法規的重點是把提高商用車燃油經濟性作為改善空氣質量和能源獨立戰略的關鍵因素。發動機制造商之間用以實現減排目標的方法和技術差別很大，目前啟動的工程技術開發費用昂貴。因為發動機零部件將經歷新的運行邊界條件，增加了一定程度的不確定性。開發人員和用戶都需要采用耐用零部件，以確保實現預期的排放和燃油經濟性。商用車發動機制造商正在尋求提高零部件可靠性的方法。在這種情況下，推出更耐用的發動機零部件和材料已成為研發的關鍵因素。

為達到聯邦排放和燃油消耗標準，中型和大型發動機制造商正在研究和實施創新的發動機循環策略。研究人員已提供了許多建議，如采用更高的燃燒壓力、使用低粘度機油、采用壓縮天然氣或丙烷做燃料(火花點燃發動機)、廢氣再循環，以及大量非傳統燃燒模式來達到已頒布法規的要求。其中有許多建議會對活塞頂部壓縮環的Stribeck潤滑摩擦學模式產生影響。例如，發動機降轉速使其在低速時達到特定的功率水平，產生更高更持久的壓力曲線，從而增加活塞環/缸孔界面上的法向力并降低Stribeck數。同理，使用低粘度機油并減小流體剪切厚度，可同樣改變Stribeck數。因此，在選擇這些上壓縮環材料時，必須考慮商用車發動機制造商目前必須執行的附加需求，把滑動零部件推到遠離Stribeck曲線的下方。

除了工況模式要求外，中型和大型發動機使用的代用燃料也給上壓縮環提出了挑戰。例如，天然氣燃料由于其固有的潤滑性很差，導致了許多活塞環材料難以維持非傳統摩擦學狀況；還導致將上壓縮環更遠地推到Stribeck曲線下方的情況。事實上，合理選擇材料有利于發動機模式化運行。

降低燃油消耗和排放的其他策略包括降低缸孔表面粗糙度、提高油環張力、減小機油泵供油量，以及新的燃料供給方式等，所有這些策略都會導致不同程度的潤滑性和燃燒室中的各種化學問題。上壓縮環材料必須能承受邊界混合潤滑條件，而且不能有明顯的磨損和刮擦現象。

柴油機機油消耗是顆粒排放物中產生可溶性有機物和含碳物質的重要因素。許多子系統都對柴油機的機油消耗有影響，如氣門桿密封、曲軸箱強制通風、渦輪增壓器，以及動力氣缸組件等，通常認為，動力氣缸組件是最主要的機油消耗來源。在動力氣缸內減少機油消耗的傳統方法包括降低缸孔粗糙度、采用油環組件，以及增加活塞環的張力等。所有這些方法通過增加法向力的單位負荷、減小作用面積或減少機油供給等都有助于減小Stribeck數。其中，除降低缸孔粗糙度外，其他方法都會增加摩擦。缸孔粗糙度降低和由此導致的潤滑油可用性降低使得摩擦的動力氣缸組件臨界于刮擦條件。研究人員認為機油耗控制和摩擦反向相關，并始終存在潛在的活塞環或活塞刮擦風險，需要采取應對措施。在這種情況下，采用更可靠的發動機零部件和材料變得尤為關鍵。

考慮到上述要求和條件，理想的活塞環涂層必須具有良好的耐久性，且磨損率非常低，同時不存在潛在刮擦風險。另外，在理想情況下，該材料在混合潤滑條件下應具有超低的摩擦系數。從摩擦學角度來看，涂層應與混合潤滑相容，并允許進行獨特的活塞環設計，從而幫助商用車行業達到燃油和排放法規要求。ta-C涂層能夠適應這些要求，本文也將提供支持該觀點的試驗臺與發動機數據。

1 活塞環對燃油效率的影響

商用柴油機的燃油能量利用率在50%左右。5%～10%的燃油耗用于克服機械損失，在這些機械損失中，50%左右是由活塞總成引起，其余來自于全負荷時的活塞環摩擦損失(部分負荷時損失更高)。活塞環的摩擦損失可達25%以上，總的來說，活塞環大約能消耗發動機燃油耗總量的4%～5%。

眾所周知，活塞環總摩擦取決于混合摩擦和流體動力摩擦，其中，摩擦力的大小在很大程度上受摩擦條件(如活塞速度、機油粘度、缸孔幾何形狀和粗糙度等)的影響。如圖1所示，特別是在上止點和下止點時，混合摩擦的影響顯著，原因是氣壓力和活塞減速增加了活塞環和氣缸壁之間的粗糙面接觸。

除了表面涂層外，活塞環的結構特征如軸向寬度、活塞環周邊的桶面形狀，以及油環切向負荷等也是減小摩擦的相關因素。例如，將發動機的頂部壓縮環的軸向寬度從4mm減小到2mm后，通過較低的氣體作用力、活塞環桶面幾何形狀變化和切向力共同影響，可使頂部壓縮環的摩擦力降低28%。

2 副作用管理

為使整車廠提升高燃油效率發動機的開發潛力，需要采用更加可靠的零部件。挑戰是減小活塞環與缸孔接觸導致的摩擦損失，同時能承受高溫、脈動的高負荷和不良潤滑等不利條件。然而，除了傳統的具有高挑戰性的工作環境，活塞環還要面對新發動機概念中的極端潤滑條件，如更光滑的缸孔、低粘度機油或代用燃料等，這些都要求活塞環具有更優越的抗刮擦性和可靠性。因此，耐用的活塞環和氣缸摩擦學系統正在成為實現發動機性能目標的極其重要的特征。

3 活塞環涂層的作用

活塞環涂層在滿足卡車用發動機必需的預期壽命中發揮著重要作用。隨著發動機結構的改進，活塞環涂層也必須發展，以順應這種改變或使發動機結構改進成為可能。采用具有氧化鋁(CKS)或Goetze金剛石(GDC)等硬質顆粒嵌入物的鉻涂層是滿足越來越高的氣體壓力和熱負荷的有效措施，并有助于將活塞環和缸孔系統的磨損維持在最低水平。隨著物理氣相沉積(PVD)氮化鉻(CrN)涂層的發展，活塞環可以承受更高的熱負荷。

涂層作為關鍵的摩擦學設計要素，必然是控制活塞環/氣缸摩擦學系統的主要焦點。

如圖2所示，活塞環涂層的類型可根據震蕩式臺架試驗中測量的摩擦力進行排名。結果表明，氫化類金剛石結構碳材料涂層(DLC)和ta-C涂層(DuroGlide?)比PVD-CrN和顆粒增強鉻涂層在減少摩擦損失方面具有更大的潛力。

DLC涂層本身的摩擦系數非常低，因此，在混合潤滑條件下能顯著降低摩擦損失。另外，DLC涂層主要由碳構成，其刮擦傾向非常低。由于具有這些特點，DLC涂層特別適用于超載情況下的活塞環。眾所周知，傳統的DLC涂層雖為低摩擦涂層，但其厚度只有幾微米，從而限制了其在耐磨性要求很高的零部件(如商用車活塞環)上的應用。

4 新一代ta-C活塞環涂層

為克服上述局限性，Federal-Mogul公司開發出了一種名為“DuroGlide?”的新型DLC活塞環涂層，其特征為四面體型非晶質碳基材料ta-C。該ta-C涂層是一種超耐磨涂層，用一種新型的等離子體輔助高真空噴涂工藝方法制造，涂層厚度可增至20μm以上，磨損率很低，能充分滿足商用車發動機的長使用壽命要求。隨著ta-C涂層的開發成功，具有低摩擦、抗磨損性和突出的抗刮擦性的DLC涂層已能應用于商用車發動機制造領域。

5 涂層特點

DuroGlide? ta-C涂層的結構特征是具有均勻的非晶質碳基涂層，其組織結構如圖3所示。這種新型無氫碳基涂層可以達到先前無氫DLC涂層無法達到的厚度。這種更大涂敷厚度的能力是通過減小涂層內應力從而使其在活塞環表面具有優良的附著力來實現的，適用于所有采用鑄鐵或鋼質材料的活塞環。Ta-C涂層中的sp3-雜化碳的含量高達50%～85%，且形成了四面體碳原子結構，使涂層硬度高達5000HV0.2。這種硬質涂層的特征在于具有抗磨損所必須的低粗糙度。無氫涂層確保其能耐受高達500℃的高溫，這是先進柴油機的特征。

6 性能優勢

通過臺架試驗發現ta-C涂層具有獨特的低摩擦、耐磨損和抗刮擦性等獨特性能，并在輕型車發動機上進行了試驗，并且在高負荷、渦輪增壓輕型車柴油機上也進行了幾輪發動機耐久性試驗。圖4表明，ta-C涂層頂部壓縮環的徑向磨損比PVD涂層或GDC涂層活塞環顯著降低。

許多發動機研發人員都在使用低粘度機油，以滿足強制性CO2排放和燃油效率目標要求。該項工作大多是用高溫/高剪切低粘度(HTHS)機油(定義為150℃時機油粘度小于<3.5cSt)來完成。圖5表示采用HTHS 2.9機油，在最大負荷情況下，模擬極差潤滑條件的臺架試驗研究結果。臺架試驗采用在批量生產條件下制造的直徑為132mm的活塞環區段和直徑為139mm的平臺珩磨氣缸套。試驗規范如表1所示。

比較表明，降低潤滑油粘度的高影響力和ta-C涂層的優勢。無論試驗是否采用GDC涂層或PVD涂層活塞環，在使用低粘度HTHS 2.9潤滑油的情況下，摩擦學系統測得的刮擦時間減少了50%。與PVD涂層活塞環的高熱負荷耐磨性相比，ta-C涂層活塞環的耐刮擦性明顯提高。在上述極端滑動條件下，沒有觀察到擦傷跡象(定義為摩擦系數從0.3開始并逐步提高)。這一結果可能會排除采用分層的PVD/DLC方案，因為最常用的氫化DLC涂層厚度較小，容易將DLC涂層刮擦掉。

表1 活塞環氣缸套潤滑摩擦系統耐刮擦性臺架試驗條件

具有良好燃油經濟性的未來發動機的開發方案包括采用涂覆氣缸缸孔。熱噴涂氣缸涂層因具有多孔的儲油結構和特殊的表面形態，與活塞環組的潤滑條件很匹配。通過模擬活塞環周邊與缸孔的摩擦學條件的臺架試驗表明，使用鐵基熱噴涂氣缸時，活塞環周邊和氣缸上止點處的磨損增加。

臺架試驗表明，GDC涂層和PVD涂層的活塞環磨損增加率相同，而ta-C涂層活塞環能更有效地應對這個具有挑戰性的摩擦學條件。在具有鐵基缸孔的渦輪增壓、直噴柴油機上進行的440h耐久試驗表明，ta-C涂層頂部壓縮環與量產活塞環組相比，磨損率減小50%。

表2 摩擦損失測量用浮動氣缸套試驗發動機技術規范(結果如圖6所示)

表3 浮動氣缸套發動機摩擦試驗工況

同時，還從點燃式浮動氣缸套汽油機上獲得了支持性摩擦數據。試驗發動機的技術規范如表2所示，發動機的試驗工況見表3。

使用ta-C涂層頂部活塞環和兩段式油環與其他現有優良的活塞環涂層相比，摩擦明顯減小。與無涂層活塞環相比，使用ta-C涂層頂環和油環可以減小摩擦損失20%，比PVD涂層頂環和油環具有更明顯的優勢。

7 測動機試驗結果

臺架試驗和輕型車用發動機試驗數據表明，無氫DLC涂層尚未達到性能要求，已開始嘗試要求更高的商用車負荷循環。已有商用車發動機制造商表示有興趣在其未來節能發動機開發中利用ta-C涂層活塞環的潛力。為證實ta-C涂層與其他高端活塞環涂層(如PVD或GDC)相比所具有的顯著優勢，進行了一系列商用車發動機全負荷試驗。

為說明ta-C涂層活塞環在商用車發動機上的潛力，對頂部壓縮環和油環都進行了涂層處理。圖7示出了涂層與先進的頂環設計，特別是與錐岸油環結合，從而實現了最佳的功能和摩擦損失優勢。

在首個商用車發動機試驗實例中，對1臺排量為11L的歐6卡車發動機進行了620h的耐久性試驗，以研究ta-C(DuroGlide?)涂層油環的摩擦性能及其功能和耐久性。與現有歐6控油環設計(電鍍，接觸壓力1.4MPa)相比，測得ta-C涂層錐岸油環(接觸壓力0.9MPa)的制動比油耗降低約0.7%。圖8表示ta-C涂層錐岸油環極好的耐磨性，它僅磨損2μm，可以確保在整個發動機壽命內能夠始終控制機油消耗。另外，其功能性也非常好，機油耗小于15g/h，竄氣量最大僅為100L/min。

在整個發動機試驗結束時，結合與活塞環相關的特性，進行了1個典型的卡車行駛負荷循環試驗，表明可以降低燃油耗1.2%左右，同時機油消耗量也有所降低。

在第2個商用車發動機試驗實例中，為了驗證ta-C(DuroGlide?)的涂層頂部壓縮環和油環的耐久性，在1臺6缸、排量12.8L符合歐6排放標準的卡車發動機上采用特殊的熱循環試驗進行了全負荷條件系列試驗。發動機運行了1080h，獲得ta-C涂層頂部壓縮環和錐岸油環的可靠性試驗結果。為與活塞環組互補，發動機配置了平臺珩磨灰鑄鐵氣缸套。在整個試驗過程中，發動機竄氣量和機油消耗率均保持在較低水平。圖9示出了在完成試驗后每個氣缸的ta-C涂層頂部壓縮環和錐岸油環開口端周邊狀況。在頂環開口最關鍵的區域沒有表現出全面的磨損。在經過長時間的運行后，頂部壓縮環和油環都表現出了非常一致的小跡線，表明ta-C活塞環涂層具有非常好的耐磨性。

經過該發動機試驗后的DuroGlide?涂層頂部壓縮環的平均活塞環磨損量與類似情況下經過測動機試驗的PVD涂層頂部壓縮環磨損量的比較見圖10。同時，圖10也示出了在2種情況下上止點處的氣缸磨損情況(負值)。結果證實了ta-C涂層優異的耐磨性。在油環岸外周表面進行的磨損測量也表明磨損量極低。

此前在同樣的試驗條件下，用幾個PVD涂層頂部壓縮環進行的試驗中，觀察到了活塞環周邊過載以及刮擦跡象。在報告的ta-C涂層活塞環的發動機試驗中，沒有發現刮擦現象，氣缸磨損量非常低，且珩磨痕跡依然可見。

8 結語

基于臺架試驗和大型發動機耐久性試驗結果，證明了ta-C DuroGlide?涂層的突出特點。與現有電鍍或PVD材料相比，DuroGlide?能減小摩擦和系統磨損，并具有極好抗刮擦性。在生產中，這種單一涂層厚度可超過20μm，能充分保證在發動機報廢/再制造前保持這些特征。因此，Federal-Mogul公司最近決定把具有優勢的DuroGlide?涂層技術推向商用車市場。除了本文給出的發動機試驗結果外，其他一些商用車發動機制造商已開始對DuroGlide?涂層活塞環的進一步開發。

DuroGlide?涂層的有利特點將使商用車行業進一步縮小目前燃油消耗和排放標準與未來標準之間的差距。發動機控制策略、較高的溫度、較低粘度的機油，以及更有效的活塞環設計等可以進一步減小摩擦和機油消耗。

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