汽車發動機用摩擦學材料的技術動向

【日】　坂手宣夫

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發展動向

汽車發動機用摩擦學材料的技術動向

【日】坂手宣夫

降低汽車發動機摩擦是改善發動機燃油經濟性的主要措施之一，是降低CO2排放的有效途徑。介紹近年來馬自達公司開展的摩擦學相關研究，以及發動機減少摩擦的開發思路，闡述了通過應用全新的表面處理方法來減少摩擦，包括采用的新技術和新工藝來優化氣門機構、氣缸內圓面、活塞組件和曲軸系統等，并評價了采用上述工藝和技術后降低摩擦損失的效果。

汽車發動機摩擦學表面處理氣門機構氣缸內圓面活塞組件

1　概述

為應對全球范圍內的環境破壞，以及資源枯竭問題，各個領域持續開展了減輕環境負擔及節省資源的工作。在汽車行業，通過零部件輕量化、提高發動機效率以改善燃油經濟性、采用乙醇等非礦物燃料以及汽車電動化等措施，推進能源使用的高效性和多樣化等工作。在提高發動機效率方面，降低摩擦損失是1個重要的技術課題。為了達到降低摩擦損失的目的，近年來，對材料進行低摩擦表面處理的許多技術被投入實際應用中。此外，在發動機小型化和輕量化方面，如果要提高滑動部位的耐磨損性，需要應用新的表面處理方法。本文圍繞以降低摩擦為目的的表面處理的應用，概述汽車發動機應用摩擦學材料技術的發展動向。

2　發動機的摩擦損失及降低摩擦的開發思路

發動機在將熱能轉變為動力時，會產生排氣損失、冷卻損失和摩擦損失等。Holmberg等人驗證了當乘用車以60km/h運行時，燃料中化學能量的11.5%將作為發動機的摩擦損失被消耗了[1]。發動機內部如圖1所示，主要的滑動部位包括凸輪軸/從動機結構(凸輪軸傳動)、活塞裙、活塞環/氣缸內圓面和曲軸/軸承等[2]。在這些部位產生的摩擦損失占據發動機總摩擦損失的主要份額(圖2)[3]。

圖1　發動機內部的主要滑動部位

圖2　汽油機各部分的摩擦損失

滑動部位為了降低摩擦、防止損傷，通常利用發動機潤滑油潤滑。在機油潤滑下的摩擦因數根據潤滑油黏度、滑動速度及載荷作用下的滑動條件進行計算(整理)，而描述滑動面的潤滑狀態與摩擦特性關系的圖形稱為斯氏曲線(圖3)。潤滑狀態可劃分為邊界潤滑、混合潤滑，以及流體潤滑區域。發動機整個潤滑區域內各部位的滑動條件有很大的差異，所以降低摩擦的方法在各個潤滑區域各不相同。

圖3　斯式曲線

在流體潤滑區域內，因為沒有2個構件的直接接觸，而是通過油膜相對滑動。在該區域降低摩擦，需要降低發動機潤滑油的黏度并縮小摩擦面積。在混合潤滑區域內，在構件表面形成部分接觸時，通過摩擦表面的平滑化及微細加工(如活塞裙部的微凹處理及二硫化鉬噴射處理)可以形成油膜，有效降低摩擦。在邊界潤滑區域，2個構件直接接觸面進一步擴大時，應用優化表面潤滑性的處理技術，并且在發動機潤滑油中添加摩擦調整劑來降低摩擦。

3　氣門結構

根據凸輪機構開啟、關閉進排氣閥的不同，氣門結構分為直接推動式(直打式)及搖臂式，前者使用了氣門挺桿，而后者則利用了杠桿的原理，在發動機開發時可根據不同的設計理念進行選擇。近年來，為了達到降低摩擦損失的目標，應用滾子搖臂的氣門結構的發動機數量有所增加[4]，這種氣門結構是在與凸輪的接觸部分內置了滾針軸承的滾子。另一方面，伴隨凸輪的滑動，直打式及搖臂式有小型化和適于高速旋轉等優點，目前仍是應用主流。

帶有滑動的凸輪/氣門挺桿、凸輪/搖臂間的摩擦由邊界潤滑發展到混合潤滑時，保持摩擦表面的平滑性可以有效降低摩擦。為了進一步降低摩擦，采用了潤滑性高的表面處理方法。這種表面處理要求耐受高表面壓力的優異耐磨損性能。如在氣門挺桿與凸輪的滑動面上應用了類金剛石碳涂層處理(DLC)。在采用了具有油性吸附效果的無氫DLC的涂覆處理中，由于與添加了無灰系摩擦調整劑的發動機潤滑油的結合，可降低約40%的摩擦。圖4示出了無氫DLC涂層降低摩擦的機理[5]。在F1賽車用發動機方面，搖臂與凸輪2種構件的滑動面上實施了DLC涂層處理，力求降低摩擦并提高耐用性。按照降低摩擦與提高耐熱膠粘極限的要求，對2個構件的DLC涂層組合進行研究，凸輪側的DLC硬度為搖臂側硬度的1.3倍[6]。此外，在其他的賽車用發動機的氣門挺桿及凸輪在DLC涂層處理中，使用了微細網紋加工技術，即利用激光束在DLC涂層上加工了直徑10～200μm的圓形微小凹坑，以提高儲油效果[7]。

圖4　無氫DLC降低摩擦的機理

4　活塞系

4.1活塞環組

通常乘用車發動機的活塞環組設置了3道活塞環。第一道氣環對燃燒室進行氣密封，第二道環為壓縮環，第三道為刮落附著在缸孔內圓面多余油量，以調整從曲軸箱向上提升機油量的括油環。這些活塞環伴隨活塞的往復運動，與氣缸孔工作表面間形成滑動摩擦副。在多數情形下，使用高質量的鍍鉻及滲氮進行處理。而在要求更高耐磨性的柴油機上，較多地采用物理氣相沉積(PVD)方法進行氮化鉻(CrN)涂覆處理。另外，由于CrN涂層磨損導致的張力降低較小，所以早期進行低張力設定，降低了摩擦，近年來，這種方法在汽油機上的應用逐漸增加[8]。最近，被應用于氣門挺桿的無氫DLC涂層，也被應用于活塞環的表面處理。圖5是作為活塞環的表面處理，采用了發動機試驗比較，分別評價了應用DLC涂層，以及傳統的鍍硬質鉻時，活塞與氣缸內孔內圓面間的摩擦損失結果。圖5中縱軸表示摩擦平均有效壓力(FMEP)，是衡量發動機摩擦損失大小的指標。發動機在 2000r/min 轉速下，應用DLC涂層后，摩擦損失的降低率在壓縮環上降低了12%，在括油環上降低了6%[9]。

圖5　在活塞環上應用DLC涂層時降低摩擦的效果

4.2活塞裙部

在活塞裙部，基于降低與氣缸工作表面的摩擦及防止熱膠粘的目的，通常采用涂敷樹脂黏合劑中分散二硫化鉬等固體潤滑劑顆粒的涂層。另外，利用噴丸強化處理，應用了在表面內埋二硫化鉬顆粒的方法。最近，在二硫化鉬涂層上形成凹坑(微凹)的點狀圖案涂層工藝(花紋式鍍鉬涂層)被開發出來，并得到應用(圖6)，使得在發動機轉速 1500r/min 時，摩擦損失比傳統涂覆處理降低2%，與噴丸強化相比降低1%[10]。

圖6　活塞裙部的點狀圖案(花紋式)涂覆處理

4.3缸孔內圓面

通常情況下，乘用車發動機的機體用鋁合金制作，并采用缸孔中插入鑄鐵氣缸套的結構?；诮档突钊h與缸套工作表面間摩擦的目的，正在研究缸孔工作表面的微細形狀，以改善潤滑油的儲油性和控制油膜厚度等方法。

活塞利用曲軸機構往復運動，所以其速度在上、下止點附近減小，而上、下止點的中間部位速度增大。在速度大的區域，缸孔內表面/活塞環之間形成流體潤滑狀態。圖7所示的微凹網紋是以降低該區域(即速度大的區域)的摩擦阻力為目標而研究的工藝。評價缸孔工作表面上按50%的面積率形成了圓形微小凹坑的氣缸套與油環的摩擦，確認可以降低30%的摩擦力(圖8)。此外，在研究不使用鑄鐵缸套的情況下，在缸孔內表面實施噴鍍及電鍍加工等表面處理的方法。這類方法除了降低摩擦外，還具備了機體質量輕、小型化的優點。下面介紹通過鐵制材料的電弧噴鍍的應用，研究降低摩擦的實例。噴鍍后，經珩磨加工后的缸孔內表面上，形成微小凹坑及加工痕跡(圖9)。使微小凹坑的面積率及表面粗糙最佳化，其比鑄鐵缸套低，并且有高的耐熱膠粘性。

圖7　缸孔內圓的微凹網紋處理

圖8　微凹網紋處理降低摩擦的效果

圖9　電弧噴鍍后經珩磨加工表面的掃描電子顯微鏡觀察圖像

5　曲軸系

曲軸軸承使用被稱之為軸瓦的滑動軸承。軸瓦是在鋼制的支撐背(即瓦背)上色覆膜(即貼合)鋁基合金或銅基軸承合金。要降低這種軸承的摩擦，縮小曲軸直徑及減小軸瓦寬度是有效的措施，不過，都存在負荷上升的問題，所以，有必要提高耐熱膠粘性及耐磨損性。另外，近年來，正在普及應用的怠速停機機構及混合動力車輛上，發動機的起動、停機次數大幅度增加，所以，這種情況下，也加大了軸瓦的負擔。

為解決這類課題，實施表面處理的改進，即在軸瓦的表面上實施涂層處理，即在鋁基或銅基的底材上涂覆一層軟性涂層。研究了在聚酰胺-酰亞胺樹脂中分散了二硫化鉬顆粒的表面涂層，在鋁合金底材軸瓦上應用這種表面涂層，在起動、停機磨損試驗中，可獲得降低24%的摩擦因數，以及降低66%的磨損量的效果。

6　轉子發動機

轉子發動機的主要摩擦部位，如轉子支架/轉子發動機徑向密封片之間，相當于往復式發動機中的缸孔工作表面/活塞環(組成摩擦副)。轉子發動機徑向密封片是鑄鐵制作的，滑動面上利用電子束重新熔化加工實現冷硬化。轉子支架滑動面則采用鍍鉻-鉬合金材料。作為降低該部位的摩擦的方法，例如研究了改進電鍍工藝的實例。由于在電鍍液中添加有機磺酸作為催化劑，根據發動機試驗，確認了電鍍(材質)的晶體結構改變，摩擦磨損特性的提高，燃油經濟性改善約1.5%(圖10)。

圖10　電鍍鉻-鉬合金表面照片

7　結語

綜上所述，DLC涂層處理及網紋結構涂覆活塞

環加工等對有效降低摩擦的材料技術開發有很重要的作用，可以提高發動機效率。但是，這類技術成本較高，所以僅限于在部分汽車上使用。今后，以發動機趨動汽車還是發展主流，因而，為應對全球規模的節省資源的需求，需要更大幅度地改善發動機效率，所以，按照降低處理成本及提高生產率的觀點，也要求降低摩擦技術得到發展。期待未來摩擦學材料技術的進一步發展。

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2015-12-26)