发动机减摩技术分析
按照工信部新修订的《乘用车燃料消耗量限值》和《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》这两项国家强制性标准要求,2016年1月1日起至2020年,所有车企生产的乘用车平均油耗必须从第三阶段的百公里6.9升进一步降至百公里5.0升。这就对汽车企业发动机的热效率提出了更高的要求。为了满足油耗限值要求,一方面可以采用混合动力的技术路线,另一方面也可以通过发动机优化措施来降低油耗。从图1可以看出,内燃机通过燃烧产生的大部分热能以排气、冷却以及机械损失等形式消耗。作为驱动汽车行驶作功并能够有效地运用的能量最大仅为30%左右。机械损失占比仅次于排气损失和冷却损失,其中机械损失绝大部分以摩擦损失形式消耗了。
图3为汽油机各部分的摩擦损失比例,由图可知活塞机活塞环组以及泵类所引起的摩擦比例最高,分别占总摩擦损失的30%左右。在降低各零件的摩擦阻力的同时,需要兼顾与降低摩擦阻力协调的热胶粘及磨损等摩擦学问题。
活塞的滑动部有活塞裙部与活塞环(组),而其摩擦阻力的比例大约各占一半。从活塞裙部与活塞环组的主要功能来看,裙部是用于控制活塞的姿势,活塞环组具有密封功能。首先,在决定活塞裙部的技术规格时,进行这种姿态控制与降低摩擦阻力的平衡是非常重要的。为了进行姿态控制,假如将滑动面形状(轮廓)做成直线状,则摩擦阻力会增加。相反,假如做成桶(筒)形,则摩擦阻力变小。二次动力加大,会出现敲缸之类的异常噪声问题与热胶粘等可靠性问题。SKYACTIV系列发动机对活塞裙部结构进行了优化,优化的结果表明通过缓和活塞裙部容易产生的强烈接触,防止边界润滑状态或固体接触。在防止磨损与热胶粘的同时,成功地降低了摩擦阻力(图4)。
以WST(Well test Special Technology)技术为例来说明通过表明涂层来降低摩擦。该技术是利用热喷涂与珠击合而为一的新工艺(如图6所示),复合材料(含固体润滑剂)在高温高压的条件下撞击并渗透进母材的20μm深度表面,使金属表面20μm深度的金相组织发生改变。同时固体润滑剂渗入金属表面后,使表面具有自润滑效果。WST技术采用的材料为特殊材质(比如陶瓷等)的滚珠(直径在20μm-50μm)和固体润滑剂(二硫化钼、石墨等)。
该技术通过工艺控制,滚珠只是改变金属表面的微观结构,将机加工条纹处理成表面凹坑结构(图7表面示意图),可以实现润滑油的存储,形成良好的润滑油膜;该表面结构非常致密,表面粗糙度可以达到Ra2以下(图8表面对比)。另外滚珠撞击金属表面时携带的固体润滑剂会镶嵌进入金属表面,金属表面具有自润滑效果。WST技术提高金属表面的硬度、增强油膜的附着性、降低粗糙度、消除引张应力、提升抗疲劳强度等,应用于发动机的各个运动件工作面可以帮助发动机降低摩擦损失及提高功率。该技术可以在不改变零件几何尺寸的前提下实现金属表面性质的提升。
发动机的轴承主要使用了滑动轴承, 其代表性轴承是曲轴( 轴颈) 轴承。为降低曲轴轴承的阻力,通常可以考虑缩小轴颈及缩小轴承宽度等措施。不过,原本处在承受燃烧负荷、往复惯性负荷等较大变动负荷的苛刻环境下,因为受压力面积减少,会出现轴承热胶粘及磨损问题。与此同时还可以采用耐受高负荷的覆层技术,滑动轴承表明的油膜反复承受非常高的应力,为了耐受这一循环应力,在周边表明设置数百微米厚的包覆层,通常为铝合金或者是铜合金材料。采用合金的包覆层能够提升轴承包覆层的硬度,从而改善抗疲劳性。但是为了吸收机体及曲轴的变形,还必须具备初期磨合性。初期磨合性的提升通常采用材料方面的技术,在周边表明涂覆几微米到几十微米的涂层。这些涂层能抑制材料表明的微小剥落,从而确保良好的磨合性。
03、总结
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