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发动机减摩技术分析
2019-04-22 20:13:22· 来源：内燃机学报
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
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1 发动机热效率
01、摩擦功测试方法
发动机整机机械摩擦功测试主要有四种方法，示功图法、倒拖法、灭缸法、油耗线法。目前广泛应用的是示功图法和倒拖法，其余两种方法测试精度较低，因此应用较少。为了测试发动机各个零部件的机械摩擦功，只能使用倒拖法。但是倒拖法也存在着两点不足：第一点：所得的机械摩擦功包含泵气损失，且由于排气过程中缸内温度低，气体密度大，使泵气损失比实际还要大。第二点是倒拖在膨胀、压缩行程中，由于充量向气缸壁的传热损失，以至于 P-V 图上膨胀线和压缩线不重合而出现负功面积，这部分传热损失没必要在机械摩擦功中进行考虑。倒拖发动机P-V图见图2。为了更加精确获得整机机械摩擦功测量数据，需要在倒拖法中增加燃烧分析仪，用以测量发动机倒拖时的泵气损失和传热损失，从而通过以下公式计算出机械摩擦功：
式中，IMEPL为泵气损失，IMEPH 为充量传热损失；MMEP 为倒拖平均有效压力，倒拖法所得，FMEP 为机械摩擦功。
图2 倒拖发动机 P-V 图
02、摩擦功占比分析
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。
图3 汽油机各部分的摩擦损失
活塞机活塞环组优化
活塞及活塞环摩擦副的优化主要从四个方面进行，分别是材料、结构、表明涂层以及润滑油。摩擦副材料的整体机械性质对摩擦的粘着项、犁沟项、整体塑性变形项有着重要的影响，诸如材料的硬度、剪切强度极限、屈服极限、弹性极限等，都会综合决定摩擦副的摩擦磨损过程。摩擦副相互接触的部件常常会选用互溶性较差的材料，此时，二者之间难以形成粘连，进而保护了摩擦表面，降低了摩擦系数。例如，活塞环-气缸套摩擦副一般选用含有石墨组织的铸铁，因为其具有较好的耐磨性及贮油性。在选材时，考虑到零部件更换的经济性和繁复性，常常使选用的活塞环材质比气缸材质更容易达到磨损极限。
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)。
图4 降低活塞摩擦阻力
图5 活塞环在缸套内刮油后剩余油膜厚度
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。
图6 WST技术原理示意图
图7 表面示意图
图8 表面对比
泵类优化
发动机在不同转速下工作所需要的润滑油压力是不同的，而液压压力的降低以及液压机构的最少化都能够降低压力损失。下图为SKYACTIV系列发动机油泵系统的结构图，图中系统为了使供油通道得以最佳化，油泵上配装了日本国内首创技术的液压反馈与电子控制液压切换机构。通过组合导阀即控制阀及混合阀，反馈主油沟(M/G)油压，通过控制油泵的溢流量从而保持恒定的压力，实现了泵驱动力的降低。而且，通过电磁阀的开/关，转换面向混合阀的油路，能够按低油压与高油压两级控制油压。在低转速、中低负荷工况下，依照低油压进行控制;在高转速、高负荷工况下，为确保可靠性，依照高油压进行控制。通过这类控制，能够根据各运转条件，供给最佳的油压，在中低负荷工况下，相比于没有油压控制的情形，使泵的驱动力降低了16%。SKYACTIV-G 1.3 L 汽油机，由于引进了这类新技术，相比于以往的发动机，润滑系统的机械阻力降低了57%。
图9 油泵系统
曲轴轴承优化
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
目前，实现超高热效率的柴油机和汽油机都需要采用减摩技术，深入研究减摩技术能够提升发动机的热效率。
参考文献
[1]马亚坛.一种降摩擦技术在发动机上的应用[J].时代汽车,2018(11):151-152.
[2]木村昇平,白井裕久,菅近直範,彭惠民.支持SKYACTIV发动机开发的摩擦学分析技术[J].汽车与新动力,2018,1(03):48-53.
[3]刘磊,黄小兵.发动机摩擦功测试浅谈[J].内燃机,2016(03):53-55.
[4]菊池隆司,疋田康弘,彭惠民.降低发动机摩擦的轴承技术[J].国外内燃机,2014,46(03):41-45.
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