甲醇發動機正時鏈條磨損失效分析與工藝改進

武道，邢建恒，葉斌，孟凡飛，譚小軍，劉榮軍

甲醇發動機正時鏈條磨損失效分析與工藝改進

武道，邢建恒，葉斌，孟凡飛，譚小軍，劉榮軍

（杭州東華鏈條集團有限公司，浙江 杭州 311102）

甲醇發動機正時鏈條磨損伸長的問題頻發，本研究采用動態測試、耐磨試驗和浸泡試驗的方法，旨在找到甲醇發動機正時鏈條磨損伸長的主要原因和解決方案。動態測試結果顯示，甲醇發動機正時鏈條的受力與同排量汽油發動機正時鏈條受力沒有明顯差異，不是導致鏈條磨損伸長的主要原因。耐磨試驗和浸泡試驗結果顯示，甲醇不充分燃燒后，產生的甲酸和未燃甲醇降低機油粘度，導致銷軸和套筒之間不能建立足夠厚度的潤滑油膜，且甲酸會腐蝕加劇銷軸和套筒之間摩擦副的磨損，是正時鏈條磨損伸長的主要原因。在銷軸表面處理過程中，采用NH4I作為催化劑和滲劑中添加SiO2的方法能改善銷軸表面粗糙度和抗腐蝕性能，提升銷軸耐磨性能。

甲醇發動機；正時鏈條；磨損

2019年，科技部、工信部等八部委聯合發布了關于在部分地區開展甲醇汽車應用的指導意見，意見中指出要強化甲醇汽車產業合理布局，加快能源多元化和清潔能源汽車發展，推動傳統產業轉型升級[1]。國內汽車企業已經研發甲醇燃料發動機多年，但是在研發和試驗過程中發現，由于燃料發生變化，燃燒所產生的酸性物質改變了機油的性狀[2]，為汽油或柴油發動機所設計的正時鏈條不能適用于甲醇燃料發動機的機油工況。有文獻表明甲醇發動機的零部件在甲醇和甲醇燃燒產物環境中會被腐蝕，從而發生腐蝕磨損[3-4]，并針對一些零部件提出了解決方案，但是甲醇發動機正時鏈條的磨損原理和解決方案始終沒有被系統解決。國內某汽車制造廠嘗試采用銷軸滲鉻的方式改善耐磨性能，但沒有成功。在臺架試驗和路試過程中，正時鏈條磨損伸長和斷裂的問題仍然頻發，甲醇汽車用戶深受其害。所以，分析正時鏈條磨損伸長的原因、提出解決正時鏈條磨損伸長的方案很重要。

1 甲醇發動機正時系統和正時鏈條簡介

甲醇發動機正時系統與其它燃油發動機正時系統結構并無明顯差異，如圖1所示。正時鏈條的作用是從曲軸鏈輪傳遞動力到排氣鏈輪和可變氣門正時（Variable Valve Timing，VVT），驅動發動機的配氣機構，使引擎進、排氣門在適當的時候開啟或關閉，以保證發動機氣缸能夠正常地吸氣和排氣[5]。由于曲軸轉速最高會超過5500 r/min，且正時鏈條存在于發動機內部，不易更換，需要正時鏈條具備超高的耐磨性能，來滿足正時鏈條與發動機等壽命的要求。

甲醇發動機的設計壽命為70萬公里，多用于出租車，對正時鏈條的耐磨壽命要求相比普通汽油車更高。滾子鏈由內鏈板、外鏈板、套筒、滾子、銷軸組成，其磨損鉸鏈副存在于套筒和銷軸之間，在鏈條寬度相同的情況下，滾子鏈的磨損鉸鏈副承載面積明顯大于靜音鏈，所以滾子鏈從結構設計角度就擁有更好的耐磨性能[6]，其結構如圖2所示。

圖1 甲醇燃料發動機正時系統示意圖

2 實測正時鏈條受力

設計制作了正時系統動態測試工裝，安裝在發動機正時系統中，隨發動機一起搭載在臺架上。在發動機真實工況中監測正時鏈條的受力情況。發動機正時系統測試方案如圖3所示。

測試過程中分別在40℃、90℃、130℃油溫下，發動機負載分別設定為空載，65%負載，滿載工況下，90 s內，曲軸轉速從怠速勻加速到5500 r/min在40℃油溫，滿載工況下，正時鏈條受力最大，實測值為959 N。由于實測正時鏈條受力較小，比同排量汽油發動機正時鏈條受力更小，排除因正時鏈條受力大導致鏈條磨損伸長的可能性。正時系統動態測試數據如圖4所示。

圖2 滾子鏈結構示意圖

圖3 發動機正時系統測試方案示意圖

3 甲醇發動機機油對鏈條磨損的影響

甲醇發動機以甲醇作為主要燃料，在動力性和排放性方面表現優異，但是由于發動機實際工況不斷在變化，甲醇燃料在燃燒室內燃燒的程度也不同，在不充分燃燒的條件下，就會產生甲酸和未燃甲醇等非常規排放物。其反應方程式為：

2CH3OH＋O2→2HCHO＋2H2O （1）

2HCHO＋O2→2HCOOH （2）

而甲酸和未燃甲醇進入機油中以后，都會引起機油稀釋，降低機油粘度，從而導致銷軸和套筒之間不能建立足夠厚度的潤滑油膜[8-9]，引起銷軸和套筒之間的異常磨損，且甲酸會腐蝕加劇銷軸和套筒之間的磨損，引起正時鏈條磨損伸長，甚至磨損斷裂。分析甲醇發動機舊機油，證實了舊機油中存在甲酸和甲醇，甲酸含量約為0.03%，甲醇含量約為0.51%。

為了驗證甲酸和甲醇對正時鏈條磨損性能的影響，設計了以機油中甲酸和甲醇含量作為唯一變量的驗證試驗。將同樣條件加工的正時鏈條分別搭載在兩臺封閉力流試驗臺上，加載力均為3 kN，轉速均為3000 r/min，其中一臺采用5W-30機油潤滑作為對標件，另外一臺采用5W-30機油添加3 g/L甲酸和5%甲醇來稀釋機油作為試驗件。經過600 h試驗，結果表明，添加甲酸和甲醇的正時鏈條試驗件磨損伸長率明顯大于對標件，磨損伸長率如圖5所示，證明了甲酸和甲醇稀釋后的機油會降低正時鏈條的耐磨性能。

為了進一步研究甲酸和甲醇對正時鏈條鉸鏈副的影響，設計了不同甲酸、甲醇含量機油溶液的浸泡試驗。分別選用甲酸含量0.48%、0.64%、4.25%、12.75%、21.25%、100%的5W-30機油溶液和100%甲醇溶液，對銷軸進行浸泡試驗，每隔24 h取出檢測其表面粗糙度，試驗結果顯示，在甲酸濃度達到0.64%時，銷軸表面的宏觀形貌和微觀形貌都有明顯被腐蝕的表征，銷軸表面粗糙度會在短時間內明顯增大，導致銷軸的耐磨性降低。可見甲醇不充分燃燒產生的甲酸會影響鏈條摩擦副表面粗糙度，從而降低正時鏈條的耐磨性能，是甲醇發動機正時鏈條磨損加劇的重要原因。圖6、圖7為銷軸表面宏觀形貌和微觀形貌，表1為甲酸含量為0.64%的5W-30機油溶液浸泡試驗結果。

圖5 甲酸和甲醇對正時鏈條磨損伸長率的影響

圖6 銷軸表面宏觀形貌

圖7 銷軸表面微觀形貌

4 正時鏈條優化方案

甲醇發動機正時鏈條最需要攻克的技術難點是如何保證鏈條在酸性環境和機油稀釋環境下依然具備良好的耐磨性能，所以摩擦副的設計是鏈條設計的關鍵所在，需要重點考慮銷軸機油的腐蝕作用，并能適應甲醇混入后套銷之間潤滑油膜減薄的工況。

表1 甲酸含量為0.64%的5W-30機油溶液浸泡試驗結果

由于甲醇發動機對正時鏈條的耐磨要求極高，故從目前行業內通用的碳氮共滲、滲鉻、滲釩三種銷軸熱處理工藝中，選擇滲釩工藝作為基礎工藝進行銷軸的耐磨性能優化。滲釩的原理是在高溫條件下，滲劑中的釩元素向銷軸基體中擴散，同時銷軸基體中的碳元素向表面擴散，在銷軸基體表面形成釩的合金層，其主要反應式如下：

NH4Cl→NH3＋HCl（氣體） （3）

8VCl2＋7C→V8C7↓＋8Cl2↑ （5）

銷軸表面滲層主要成分是碳釩化合物，沒有抵抗酸性腐蝕的能力。經過多輪工藝試驗發現，在滲劑中加入SiO2，能使銷軸表面滲層中形成Si3N4，在酸性環境中具備良好的中和甲酸的能力，其反應式如下：

Si3N4＋10H2O→3SiO2＋4NH3H2O （6）

NH3H2O+HCOOH→HCOONH4+H2O （7）

在滲釩過程中，使用碘化銨作為滲金屬的催化劑，具有較好的催化效果，能使滲金屬反應更充分，有效減少由于反應不充分導致的滲層表面微觀缺陷的數量，從而降低銷軸表面粗糙度，即使套銷之間的潤滑油膜厚度減小，在一定程度內銷軸和套筒之間仍然不會發生干摩擦，可以保持較好的耐磨性能[10-11]，從而提升銷軸適應潤滑油膜降低的能力。如圖8、圖9所示，采用電鏡分析NH4Cl催化滲釩的銷軸和NH4I催化滲釩的銷軸，NH4I催化滲釩的銷軸表面微觀形貌明顯更優[12]，且耐磨元素釩的含量更高，元素含量如表2所示。

圖8 銷軸微觀形貌

圖9 銷軸表面形貌

表2 電鏡能譜分析滲層元素含量

5 試驗驗證

根據前文所述工藝方案制作了正時鏈條，將改進前后的正時鏈條搭載在同一臺封閉力流試驗臺上，加載力為3 kN，轉速為3000 r/min，采用添加3 g/L甲酸和5%甲醇的5W-30機油作為潤滑油。經過600 h試驗，結果表明，改進后鏈條在腐蝕環境下的耐磨性能明顯優于改進前鏈條，磨損伸長率如圖10所示，證明了上述改善方法針對甲酸和甲醇稀釋后的機油腐蝕磨損有較好的抵抗能力。

圖10 改善前后正時鏈條耐磨性能對比

為了進一步驗證改善效果，進行了甲醇發動機800 h耐久臺架試驗，正時鏈條磨損伸長率為0.08%，表現出極佳的耐磨性能。本文所述技術方案的正時鏈條在市場上也表現出良好的質量表現。

6 結論

（1）甲醇在不充分燃燒的條件下，產生的甲酸和未燃甲醇會降低機油粘度，從而導致銷軸和套筒之間不能建立足夠厚度的潤滑油膜，加劇銷軸和套筒之間的磨損，引起正時鏈條磨損伸長，甚至磨損斷裂；

（2）甲醇不充分燃燒產生的甲酸會影響鏈條摩擦副表面粗糙度，在甲酸濃度達到0.64%時，銷軸表面粗糙度會在短時間內明顯增大，影響正時鏈條的耐磨性能；

（3）銷軸表面滲釩過程中，在滲劑中加入SiO2，能使銷軸具備良好的抗酸腐蝕能力；

（4）使用NH4I作為滲釩的催化劑，能有效減少由于反應不充分導致的滲層表面微觀缺陷的數量，從而改善銷軸表面粗糙度，即使套銷之間的潤滑油膜厚度減小，在一定程度內銷軸和套筒之間仍然不會發生干摩擦，可以保持較好的耐磨性能，從而提升銷軸適應潤滑油膜降低的能力。

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Failure Analysis and Process Improvement of Timing Chain of Methanol Engine

WU Dao，XING Jianheng，YE Bin，MENG Fanfei，TAN Xiaojun，LIU Rongjun

( Hangzhou Donghua Chain Group Co., Ltd., Hangzhou 311102, China )

The wear and elongation of the methanol engine timing chain occur frequently. This study adopts the methods of dynamic test, wear test and immersion test to find out the main causes and solutions to these problems. The result of dynamic test shows that there is no significant difference in force between the methanol engine timing chain and the gasoline engine chain with the same displacement. So force is not the main cause of the problem. According to the results of wear test and immersion test, we found that the formic acid and unburned methanol produced by the incomplete combustion of the methanol reduce the viscosity of the oil, which results that the lubrication oil film between pin and bush is not thick enough. Meanwhile the formic acid will corrode the surface of the pin and bush and increase the wear. It is the main cause for the wear and elongation of the timing chain. In the process of pin surface treatment, we suggest to use NH4I as a catalyst and to add SiO2into infiltrating agent, which can improve the surface roughness and corrosion resistance of the pin, so as to improve the wear resistance.

methanol engine；timing chain；wear

U464

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.08.004

1006-0316 (2022) 08-0018-06

2022-01-13

武道（1989－），男，湖南瀏陽人，碩士研究生，工程師，主要研究方向為汽車發動機正時系統，E-mail：dhwudao@126.com。