汽車發動機低摩擦技術研究進展

孔曉麗 董爽 陳捷

（中國第一集團有限公司 研發總院，長春 130013）

主題詞：發動機 低摩擦 平均摩擦有效壓力 CO2排放 燃油經濟性

1 前言

在節能減排的全球化命題中，世界各國都把二氧化碳排放作為燃油經濟性的重要度量。為了滿足未來油耗目標和二氧化碳排放法規限值，世界各國汽車企業致力于開發低排放節能發動機產品。李駿院士等專家認為低摩擦技術通過減少機械損耗提升發動機效率，相比電動化等其他節能技術，因其具有高性價比，已成為汽車發動機節能減排的重要手段[1-4]。

圖1 歐洲CO2排放目標（汽油、柴油、混動車型）[1]

按2013歐洲整車CO2排放平均值計算，如圖1所示，Werner Bick假設發動機減小摩擦50%，整車CO2排放將減少10%以上[1]。在過去的20多年里，Markus Schwaderlapp認為國際發動機產品已實現降摩擦30%以上，整車CO2排放減少7%[3]。FEV針對面向2025年未來內燃機技術戰略分析指出，低摩擦技術在未來發動機產品中持續分擔重要指標，如圖2所示，Michael Wittler提出NEDC循環工況整車CO2排放貢獻度為4.5%[2]。全球汽車企業聚焦汽車節能減排增加了對降低摩擦磨損的技術需求，針對現有和未來產品進行低摩擦設計與開發呈現的重要意義越來越大，增長趨勢越來越快。

本文通過挖掘國際頂尖的期刊文獻，總結了國內外乘用車發動機低摩擦技術研究進展，對國際上領先的研究機構、領先的汽車公司的創新成果進行了系統梳理，包括發動機機械摩擦損失分布、各系統摩擦影響因素與降摩擦潛力分析、關鍵零部件減摩優化措施與應用效果等，是代表當前國際上汽車發動機低摩擦技術最前沿技術水平的概述。

圖2 未來內燃機技術節能減排潛力分析[2]

2 發動機摩擦損失

發動機摩擦損失主要包括活塞缸筒系統摩擦損失、配氣系統摩擦損失、曲軸摩擦損失、機油泵驅動損失、水泵驅動損失、前端附件驅動損失等。發動機摩擦通常采用反拖拆除法對整機摩擦損失進行分解。Joachim Schommers等的研究表明[5]，在機油溫度和冷卻液溫度90℃工況、發動機轉速2 000 r/min時，奔馳SLK350 V6汽油機活塞組和曲軸摩擦分別占整機摩擦損失的48%和13%（見圖3）。不同轉速、不同工況下各部分所占的比例不同，如配氣系統在低轉速摩擦相對較高，而在高轉速工況摩擦占比減小。

圖3 發動機能量流與摩擦分布（V6汽油機為例）[5]

3 低摩擦系統設計

發動機低摩擦結構設計，涉及到曲柄連桿機構、配氣機構、潤滑系統、附件驅動輪系等發動機關鍵機構和系統，需要綜合考慮成本、工藝裝備、維護保養等因素，同時需要滿足發動機可靠性與動力性等各項指標需求。

Wolfgang Schoeffmann等專家將低摩擦系統設計方案按發動機產品開發狀態可歸納為以下三類[6]：

第一類低摩擦概念設計方案，適用于新產品開發概念設計階段，需要大量生產制造加工準備：

（1）曲軸偏置

（2）長連桿

（3）低摩擦配氣機構（RFF+HLA，Roller Finger Follower+Hydraulic Lash Adjuster,滾子搖臂+液壓挺柱）

（4）主軸承直徑最小化

（5）可變活塞冷卻噴嘴（缸體增加油道）

（6）分體冷卻

（7）鏈條或皮帶驅動機油泵

第二類低摩擦優化設計方案，適用于現有發動機升級產品，需要適當改動產品制造與裝配工藝：

（1）連桿大頭直徑減小

（2）軸承間隙優化

（3）機油壓力與流量優化

（4）減小缸筒變形結構設計優化

（5）珩磨參數優化

第三類為低摩擦附加方案，適用于現有發動機產品，產品制造與裝配改動很小：

（1）可變機油泵

（2）低摩擦涂層（活塞環、活塞銷）

（3）平衡軸滾動軸承

（4）凸輪軸滾動軸承

（5）電子節溫器

（6）高效水泵

（7）高效附件

3.1 主運動系

活塞與缸筒（缸套）的摩擦是發動機主要摩擦源，影響摩擦損失的主要因素是活塞環結構與切向彈力、活塞裙部的幾何形狀、缸孔形貌與加工質量、配合間隙等。

降低活塞環組彈力和減小活塞環高度可以大幅度減小活塞組件摩擦損耗，前提要保證盡可能減小缸筒變形，控制機油消耗量、漏氣量和磨損。圖4為FEV提供的汽油機最佳活塞環切向彈力和環高最佳設計范圍，Markus Schwaderlapp等認為匹配先進缸套表面和缸筒變形的減小，可以實現活塞組摩擦減小44%，CO2排放降低潛力達4.1%[3]。

圖4 FEV活塞環切線彈力和環高散點圖[3]

偏置曲軸機構通過減少活塞側向力來減少摩擦。乘用車發動機曲軸偏置量一般為缸徑的10～15%左右。AVL研究曲軸偏置對活塞摩擦的影響，模擬計算結果表明曲軸偏置可以減少活塞摩擦10%（見圖5）。增加配缸間隙可以減小活塞與缸筒之間摩擦，但配缸間隙增加會引起NVH性能惡化。曲軸偏置機構允許NVH水平不變的基礎上適當增大運行間隙，有利于減小摩擦。活塞銷表面采用類金剛石碳（Diamond-Like Carbon，DLC）涂層，如圖6所示，活塞組摩擦可以減小11%。

圖5 曲軸偏置對活塞摩擦影響[6]

圖6 DLC涂層活塞銷降摩擦效果[7]

軸承摩擦包括曲軸、連桿、平衡軸軸承摩擦占發動機摩擦20～25%。對于滑動軸承，影響軸承摩擦的主要參數是軸承直徑尺寸。FEV針對單缸排量450 cm3的發動機曲軸，主軸頸直徑由55 mm減至43 mm，模擬計算與應力應變測量結果表明，曲軸主軸承摩擦減小50%（見圖7）。運動件包括曲軸、連桿、活塞和活塞銷質量減小，曲軸負荷進一步降低，曲軸直徑實現最小化，曲軸摩擦可以降低達40%，CO2排放降低潛力1.2%[3]。

圖7 FEV主軸頸直徑散點圖與減摩潛力分析[3]

3.2 配氣系統

配氣系統摩擦包括配氣機構摩擦、凸輪軸軸承摩擦以及正時驅動摩擦損失。

配氣機構在發動機整個工作范圍均承受高負荷，在較低轉速下，作用于氣門上的負荷主要由彈簧力引起；在較高轉速時，零件質量引起的慣性力占主導地位。與其它機構不同的是，配氣機構在低轉速區是處于臨界潤滑狀態，故其低速時摩擦損失所占比例會明顯增加。配氣機構摩擦損失主要取決于所采用氣門驅動形式，不同類型配氣機構摩擦對比如圖8所示。因凸輪與從動件采用滾動接觸方式，滾輪搖臂式配氣機構摩擦損失較小。直推式配氣機構凸輪與挺柱采用滑動接觸方式，尤其在低轉速區摩擦功偏高。Wolfgang Schoeffmann和Xiaoli Kong等專家的研究認為挺柱表面采用類金剛石碳（DLC）涂層可以大幅降低配氣機構摩擦[6-7]。減小配氣機構運動件質量、降低彈簧負荷都是減少配氣機構摩擦損失的有效措施。

圖8 不同型式配氣機構摩擦對比[6]

通過減少凸輪軸軸承數量和減小軸承尺寸、可以減小凸輪軸軸承摩擦。整體集成式凸輪軸軸承座結構有利于改善結構剛度、減少軸承定位數量、軸承尺寸最小化與滾動軸承應用。不同軸承數量減小對摩擦影響試驗結果如圖9所示，常用工況點發動機轉速2 000 r/min時可以減小摩擦40～45%。AVL試驗表明凸輪軸采用滾動軸承可以減小30%凸輪軸摩擦[6]。大眾、奧迪、福特、現代汽車發動機的凸輪軸第一軸頸都采用滾動軸承。

圖9 軸承數量對摩擦影響[6]

采用皮帶驅動有利于減小正時驅動摩擦損失。FEV給出皮帶驅動和鏈條驅動對配氣系統摩擦影響，如圖10所示，皮帶正時驅動NEDC循環工況可以帶來約0.9%節油效果。Thomas Fink和Hong-Kil Baek等專家研究認為正時鏈條驅動損失可以在結構布置、鏈條張力、導軌材料等方面進行摩擦優化[8-9]。

圖10 不同正時驅動方式對配氣系統的摩擦影響[3]

3.3 潤滑系統

發動機潤滑系統特性直接影響發動機整機和零部件的摩擦。通過機油流量控制、節能機油應用和機油快速升溫等技術可以降低潤滑系統摩擦。

基于發動機整機工況需求的可變流量潤滑技術，通過可變流量機油泵結構設計，根據發動機轉速、負荷、溫度信號，實時改變自身排量，實現輸出壓力和流量控制，特別是在發動機常用工況機油流量和壓力輸出的大幅降低，進而有效降低機油泵驅動損失，提高整車燃油經濟性。圖11為Mercedes-Benz開發的兩階可變機油泵控制策略及其減小摩擦功耗效果[5]。相比定量泵，可變機油泵機油流量減小了50%，實現機油泵損失大幅度減小。低速低負荷工況機油壓力200 kPa，活塞冷卻噴嘴按需選擇開啟或關閉，高速高負荷工況機油壓力400 kPa，冷卻噴嘴開啟。冷卻噴嘴關閉可同時減小活塞組摩擦，轉速2 000 r/min機油溫度90℃工況，活塞組摩擦減小10%。

圖11 二階可變潤滑系統降摩擦效果[5]

國外先進發動機已廣泛應用0W-20等低粘度節能機油，實現發動機低摩擦、提升燃油經濟性指標同時兼顧整機可靠性要求。通過采用低粘度油品，實現壓力潤滑區摩擦系數降低；通過采用新型摩擦改進劑，實現邊界潤滑區摩擦系數大幅降低。通過全面優化機油泵性能以及低粘度機油應用，整車油耗可以降低1.6～2.1%。發動機冷啟動階段加速機油升溫，通過高效熱管理如冷卻系優化、分體冷卻、電子節溫器、離合式水泵等發動機快速暖機技術，有助于減小低溫工況潤滑系摩擦損失。

3.4 附件輪系

附件驅動損失與輪系振動、皮帶張力、附件數量以及前端輪系布置密切相關。通過減小皮帶張緊力、附件按需智能控制、減少驅動部件等輪系布置優化措施，可以大幅度減小前端附件損失，發動機整機降摩擦潛力高達8%[6]。

圖12 解耦曲軸皮帶輪降摩擦效果[5]

采用發電機超越皮帶輪（Overrunning Alternator Pulley）、解耦曲軸皮帶輪（Decoupled Crankshaft Pulley），可以使系統在更低的張力下工作，消除振動和強烈動態張力波動，進而減小能耗并改善燃油效率。圖12為奔馳發動機采用解耦曲軸皮帶輪在反拖和全負荷工況測量摩擦損失減小效果，在輪系共振區域最大可減小摩擦損失50%。同時曲軸一軸頸負荷減小、主軸承磨損減小，特別是對于啟停貧油工況，有利于改善油耗。奔馳、通用、尼桑、寶馬汽車發動機均采用解耦曲軸皮帶輪來改善前端輪系性能[10-13]。

4 動力總成降摩擦潛力

發動機一些減摩措施同樣也適用于變速箱零部件。通過變速箱優化設計和低粘度潤滑油等技術傳動系本身降摩擦潛力達30%。綜合上述的發動機降摩擦措施，動力總成整體降摩擦潛力可達36%，如圖13所示，整車NEDC循環CO2排放貢獻度8.5%左右[3]。

未來動力總成無論在傳統內燃機還是在混合動力總成仍需要持續聚焦低摩擦系統工程。圖14給出了動力總成采用機械減摩方案與混動化方案性價比趨勢分析，可見，電動化節能減排潛力較高，但就投資成本收益回報率，機械減摩節能的性價比更高。因此，應充分挖掘低摩擦技術潛力，以實現未來日趨嚴格的汽車節能減排目標。

圖13 動力總成降摩擦潛力分析[3]

圖14 CO2減排措施性價比分析[3]

5 結束語

汽車發動機低摩擦技術發展迅速，由于篇幅有限，本文針對國內外乘用車發動機，側重描述了具有代表性的低摩擦設計方案及其應用效果，分系統介紹了關鍵零部件的減摩優化措施與節能潛力分析。通過對低摩擦技術成本與節能收益趨勢分析指出，未來動力總成無論在傳統內燃機還是在混合動力總成仍需要持續聚焦低摩擦系統工程，應充分挖掘低摩擦技術最大潛力，提升發動機燃油經濟性，支撐整車實現節能減排目標。