一種降摩擦技術在發動機上的應用

馬亞壇

安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心 安徽省合肥市 230001

1 引言

隨著國家油耗法規的越來越嚴格，研發節能、低油耗的發動機成為目前主機廠的主要研發方西之一。為了提高發動機的性能，尤其是經濟性能，長期以來人們對發動機的強氣、燃燒、噴油、放熱等方面投入了大量人力物力進行研究。現在，想從燃燒規律等方面著手再大幅度提高發動機經濟性變得越來越困難T。近十多年來，國內外內燃機發展的一個信息是重視并組織力量對降低發動機摩擦磨損開使研究，因為降低發動機摩擦損失也是降低燃油消耗率。本文介紹了某主機廠和合作廠商開發的一種零部件表面處理技術（WST技術），該技術應用在發動機運動件上，可以有效的降低運動件表面的摩擦系數，同時增加自潤滑效果，有效降低發動機的機械損失，實現節油降耗。

2 WST技術介紹

WST（Well test Special Technology）是利用熱噴涂與珠擊合而為一的新工藝（圖1 WST技術原理示意圖），復合材料（含固體潤滑劑）在高溫高壓的條件下撞擊并滲透進母材的20um深度表面，使金屬表面20um深度的晶象組織發生改變。同時固體潤滑劑滲入金屬表面后，使表面具有自潤滑效果。

WST技術采用的材料為特殊材質（比如陶瓷等）的滾珠（直徑在20μm-50μm）和固體潤滑劑（二硫化鉬、石墨等）。

3 WST技術特點

WST技術通過工藝控制，滾珠只是改變金屬表面的微觀結構，將機加工條紋處理成表面凹坑結構（圖2表面示意圖），可以實現潤滑油的存儲，形成良好的潤滑油膜；該表面結構非常致密，表面粗糙度可以達到Ra2以下（圖3表面對比）。另外滾珠撞擊金屬表面時攜帶的固體潤滑劑會鑲嵌進入金屬表面，金屬表面具有自潤滑效果。

WST技術提高金屬表面的硬度、增強油膜的附著性、降低粗糙度、消除引張應力、提升抗疲勞強度等，應用于發動機的各個運動件工作面可以幫助發動機降低摩擦損失及提高功率。該技術具有如下優點：

3.1 不改變零件幾何尺寸

所有運動件產品可以不需變更設計，直接處理使用。

3.2 提升表面硬度

金屬表面10-20μm的晶象組織改變，提升硬度。

圖1 WST技術原理示意圖

圖2 表面示意圖

圖3 表面對比

4 WST技術應用

識別發動機機械損失中摩擦損失的產生源頭：曲軸組、連桿組、活塞組、配氣機構中的六個運動件（圖4運動件示意圖）。

圖4 運動件示意圖

在六個運動件表面采用WST技術（表1應用方案），降低運動表面摩擦系數，從而降低摩擦功，從而實現降低燃油耗的目的。

5 WST技術驗證

發動機降摩擦試驗使用的是目前量產發動機，由于每臺發動機制造、裝配誤差的存在（5%波動），這就造成發動機臺架測試時，控制不好將測量不準，為此經過精密策劃，共確定了4個測試對比方案進行相互驗證。其中臺架測試3項：機械損失測試對比、外特性測試對比、常用工況點測試對比；整車測試1項：NEDC循環油耗對比。

發動機運動件處理后直接降低的是摩擦損失，可以從表2中看出，采用涂層后的機械損失在各個轉速下都有所降低，在NEDC循環工況（1000r/min-3000r/min）下，兩臺樣機機械損失均降低5%左右，所以認為WST技術應用對發動機機械損失降低達到5%貢獻率。

通過發動機外特性數據對比測試（表3外特性對比數據），處理后樣機的油耗率相對于原型機均有一定程度的降低，2000rpm@2bar油耗率相對于原型機分別降低2.8%和2.5%，效果比較明顯；

通過對常用工況點的油耗率進行測試（表4），在不同檔位、不同轉速下，各點油耗率均有下降，3檔以上節油率比較明顯。

在量產車型上對發動機進行NEDC油耗對比測試，測試結果（表5NEDC循環油耗）。

表1 應用方案

表2 機械損失對比

表3 外特性對比

表4 常用工況點對比

表5 NEDC循環油耗

6 結語

本文研究了發動機運動件采用WST技術后，對發動機減磨降耗的作用。通過發動機集中測試數據的對比，相互驗證了該技術的可行性和應用效果。運動件使用WST涂層技術對活塞、活塞環、凸輪軸、機械挺柱、曲軸、軸瓦的應用，在發動機的動力性及經濟性指標均滿足設計指標要求前提下，降低NEDC循環油耗1.86%。WST技術應用方便，性能可靠，具有較搞的推廣價值。