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發(fā)動機減摩技術(shù)分析

2019-04-22 20:13:22·  來源：內(nèi)燃機學(xué)報  
　
發(fā)動機減摩技術(shù)分析按照工信部新修訂的《乘用車燃料消耗量限值》和《乘用車燃料消耗量評價方法及指標(biāo)》這兩項國家強制性標(biāo)準(zhǔn)要求，2016年1月1日起至2020年，所有
發(fā)動機減摩技術(shù)分析
    
按照工信部新修訂的《乘用車燃料消耗量限值》和《乘用車燃料消耗量評價方法及指標(biāo)》這兩項國家強制性標(biāo)準(zhǔn)要求，2016年1月1日起至2020年，所有車企生產(chǎn)的乘用車平均油耗必須從第三階段的百公里6.9升進一步降至百公里5.0升。這就對汽車企業(yè)發(fā)動機的熱效率提出了更高的要求。為了滿足油耗限值要求，一方面可以采用混合動力的技術(shù)路線，另一方面也可以通過發(fā)動機優(yōu)化措施來降低油耗。從圖1可以看出，內(nèi)燃機通過燃燒產(chǎn)生的大部分熱能以排氣、冷卻以及機械損失等形式消耗。作為驅(qū)動汽車行駛作功并能夠有效地運用的能量最大僅為30%左右。機械損失占比僅次于排氣損失和冷卻損失，其中機械損失絕大部分以摩擦損失形式消耗了。
圖1 發(fā)動機熱效率
 
01、摩擦功測試方法
 
發(fā)動機整機機械摩擦功測試主要有四種方法，示功圖法、倒拖法、滅缸法、油耗線法。目前廣泛應(yīng)用的是示功圖法和倒拖法，其余兩種方法測試精度較低，因此應(yīng)用較少。為了測試發(fā)動機各個零部件的機械摩擦功，只能使用倒拖法。但是倒拖法也存在著兩點不足：第一點：所得的機械摩擦功包含泵氣損失，且由于排氣過程中缸內(nèi)溫度低，氣體密度大，使泵氣損失比實際還要大。第二點是倒拖在膨脹、壓縮行程中，由于充量向氣缸壁的傳熱損失，以至于 P-V 圖上膨脹線和壓縮線不重合而出現(xiàn)負(fù)功面積，這部分傳熱損失沒必要在機械摩擦功中進行考慮。倒拖發(fā)動機P-V圖見圖2。為了更加精確獲得整機機械摩擦功測量數(shù)據(jù)，需要在倒拖法中增加燃燒分析儀，用以測量發(fā)動機倒拖時的泵氣損失和傳熱損失，從而通過以下公式計算出機械摩擦功：
式中，IMEPL為泵氣損失，IMEPH 為充量傳熱損失；MMEP 為倒拖平均有效壓力，倒拖法所得，F(xiàn)MEP 為機械摩擦功。
圖2 倒拖發(fā)動機 P-V 圖
 
02、摩擦功占比分析
    
圖3為汽油機各部分的摩擦損失比例，由圖可知活塞機活塞環(huán)組以及泵類所引起的摩擦比例最高，分別占總摩擦損失的30%左右。在降低各零件的摩擦阻力的同時，需要兼顧與降低摩擦阻力協(xié)調(diào)的熱膠粘及磨損等摩擦學(xué)問題。
圖3 汽油機各部分的摩擦損失
 
活塞機活塞環(huán)組優(yōu)化
 
活塞及活塞環(huán)摩擦副的優(yōu)化主要從四個方面進行，分別是材料、結(jié)構(gòu)、表明涂層以及潤滑油。摩擦副材料的整體機械性質(zhì)對摩擦的粘著項、犁溝項、整體塑性變形項有著重要的影響，諸如材料的硬度、剪切強度極限、屈服極限、彈性極限等，都會綜合決定摩擦副的摩擦磨損過程。摩擦副相互接觸的部件常常會選用互溶性較差的材料，此時，二者之間難以形成粘連，進而保護了摩擦表面，降低了摩擦系數(shù)。例如，活塞環(huán)-氣缸套摩擦副一般選用含有石墨組織的鑄鐵，因為其具有較好的耐磨性及貯油性。在選材時，考慮到零部件更換的經(jīng)濟性和繁復(fù)性，常常使選用的活塞環(huán)材質(zhì)比氣缸材質(zhì)更容易達到磨損極限。
    
活塞的滑動部有活塞裙部與活塞環(huán)(組)，而其摩擦阻力的比例大約各占一半。從活塞裙部與活塞環(huán)組的主要功能來看，裙部是用于控制活塞的姿勢，活塞環(huán)組具有密封功能。首先，在決定活塞裙部的技術(shù)規(guī)格時，進行這種姿態(tài)控制與降低摩擦阻力的平衡是非常重要的。為了進行姿態(tài)控制，假如將滑動面形狀(輪廓)做成直線狀，則摩擦阻力會增加。相反，假如做成桶(筒)形，則摩擦阻力變小。二次動力加大，會出現(xiàn)敲缸之類的異常噪聲問題與熱膠粘等可靠性問題。SKYACTIV系列發(fā)動機對活塞裙部結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，優(yōu)化的結(jié)果表明通過緩和活塞裙部容易產(chǎn)生的強烈接觸，防止邊界潤滑狀態(tài)或固體接觸。在防止磨損與熱膠粘的同時，成功地降低了摩擦阻力(圖4)。
圖4 降低活塞摩擦阻力
圖5 活塞環(huán)在缸套內(nèi)刮油后剩余油膜厚度
  
以WST（Well test Special Technology）技術(shù)為例來說明通過表明涂層來降低摩擦。該技術(shù)是利用熱噴涂與珠擊合而為一的新工藝（如圖6所示），復(fù)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20μm深度表面，使金屬表面20μm深度的金相組織發(fā)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(shù)采用的材料為特殊材質(zhì)（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）。
    
該技術(shù)通過工藝控制，滾珠只是改變金屬表面的微觀結(jié)構(gòu)，將機加工條紋處理成表面凹坑結(jié)構(gòu)（圖7表面示意圖），可以實現(xiàn)潤滑油的存儲，形成良好的潤滑油膜；該表面結(jié)構(gòu)非常致密，表面粗糙度可以達到Ra2以下（圖8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(shù)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(yīng)力、提升抗疲勞強度等，應(yīng)用于發(fā)動機的各個運動件工作面可以幫助發(fā)動機降低摩擦損失及提高功率。該技術(shù)可以在不改變零件幾何尺寸的前提下實現(xiàn)金屬表面性質(zhì)的提升。
圖6 WST技術(shù)原理示意圖
圖7 表面示意圖
圖8 表面對比
泵類優(yōu)化
 
發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速下工作所需要的潤滑油壓力是不同的，而液壓壓力的降低以及液壓機構(gòu)的最少化都能夠降低壓力損失。下圖為SKYACTIV系列發(fā)動機油泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，圖中系統(tǒng)為了使供油通道得以最佳化，油泵上配裝了日本國內(nèi)首創(chuàng)技術(shù)的液壓反饋與電子控制液壓切換機構(gòu)。通過組合導(dǎo)閥即控制閥及混合閥，反饋主油溝(M/G)油壓，通過控制油泵的溢流量從而保持恒定的壓力，實現(xiàn)了泵驅(qū)動力的降低。而且，通過電磁閥的開/關(guān)，轉(zhuǎn)換面向混合閥的油路，能夠按低油壓與高油壓兩級控制油壓。在低轉(zhuǎn)速、中低負(fù)荷工況下，依照低油壓進行控制;在高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷工況下，為確保可靠性，依照高油壓進行控制。通過這類控制，能夠根據(jù)各運轉(zhuǎn)條件，供給最佳的油壓，在中低負(fù)荷工況下，相比于沒有油壓控制的情形，使泵的驅(qū)動力降低了16%。SKYACTIV-G 1.3 L 汽油機，由于引進了這類新技術(shù)，相比于以往的發(fā)動機，潤滑系統(tǒng)的機械阻力降低了57%。
圖9 油泵系統(tǒng)
曲軸軸承優(yōu)化
    
發(fā)動機的軸承主要使用了滑動軸承， 其代表性軸承是曲軸( 軸頸) 軸承。為降低曲軸軸承的阻力，通?？梢钥紤]縮小軸頸及縮小軸承寬度等措施。不過，原本處在承受燃燒負(fù)荷、往復(fù)慣性負(fù)荷等較大變動負(fù)荷的苛刻環(huán)境下，因為受壓力面積減少，會出現(xiàn)軸承熱膠粘及磨損問題。與此同時還可以采用耐受高負(fù)荷的覆層技術(shù)，滑動軸承表明的油膜反復(fù)承受非常高的應(yīng)力，為了耐受這一循環(huán)應(yīng)力，在周邊表明設(shè)置數(shù)百微米厚的包覆層，通常為鋁合金或者是銅合金材料。采用合金的包覆層能夠提升軸承包覆層的硬度，從而改善抗疲勞性。但是為了吸收機體及曲軸的變形，還必須具備初期磨合性。初期磨合性的提升通常采用材料方面的技術(shù)，在周邊表明涂覆幾微米到幾十微米的涂層。這些涂層能抑制材料表明的微小剝落，從而確保良好的磨合性。

03、總結(jié)
目前，實現(xiàn)超高熱效率的柴油機和汽油機都需要采用減摩技術(shù)，深入研究減摩技術(shù)能夠提升發(fā)動機的熱效率。
 
參考文獻
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[2]木村昇平,白井裕久,菅近直範(fàn),彭惠民.支持SKYACTIV發(fā)動機開發(fā)的摩擦學(xué)分析技術(shù)[J].汽車與新動力,2018,1(03):48-53.
[3]劉磊,黃小兵.發(fā)動機摩擦功測試淺談[J].內(nèi)燃機,2016(03):53-55.
[4]菊池隆司,疋田康弘,彭惠民.降低發(fā)動機摩擦的軸承技術(shù)[J].國外內(nèi)燃機,2014,46(03):41-45. 
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