作者：范明强
出版社：机械工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
现代缸内直喷式汽油机开发(下)——新技术的开发与应用试读：
前言
随着我国国民经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，我国汽车工业飞速发展，已成为世界汽车生产和消费大国。但是，国内目前能自主开发及生产的乘用车及其发动机甚少，大多是引进国外技术或者合资生产的。面对国内如此巨大的汽车消费市场，我国必须掌握和拥有汽车及其发动机的核心技术，这样才能使我国的汽车工业进入自主开发和持续发展的良性循环的轨道。
当前，世界汽车工业面临能源紧缺和环境保护的双重挑战。由于全球有限的油气资源被加速消耗，能源紧缺状况越来越严重。从目前的发展趋势来看，新能源的开发和大量供应至少在50 年以后，在此之前人类不得不继续利用油气资源作为汽车的主要能源，因此汽车的节能已成为全球关注的焦点。2012年，欧盟实施的强制性汽车二氧化碳排放法规要求所有乘用车的二氧化碳排放达到90g/km（相当于百公里燃油耗：汽油车3.8 L，柴油车3.4 L），而欧洲汽车制造商联合会（ACEA）根据现有的技术水平只能承诺达到120g/km的目标（相当于百公里燃油耗：汽油车5.1 L，柴油车4.5 L），与法规要求尚有不小的差距。美国也已正式通过汽车燃油耗法规，要求各汽车制造商的平均燃油经济性（CAFE）在2020年之前提高40%。这些严格的法规迫使汽车制造商不断开发和应用新技术来大幅度降低能源消耗。另一方面，汽车的大量使用已对全球大气环境造成污染，排放的二氧化碳引发温室效应使全球气候变暖，危及人类的生存环境。为此，继2009 年实施欧Ⅴ废气排放标准后，欧盟议会又于2014年实施更为严格的欧Ⅵ废气排放标准；美国也于2014年全面实施EPA Tier2 Bin5废气排放标准。因此，汽车工业不仅将面临各种法规的压力，还要面对剧烈的技术竞争，其生存环境越来越严峻。
目前，我国乘用车发动机几乎全是传统的火花点火式汽油机，并且可以预计在今后很长一段时间内，火花点火式汽油机仍将是我国乘用车的主要动力装置。无论是从节能和减排，还是从发动机动力性能的角度来讲，现代缸内直喷式汽油机在进气道喷射汽油机的基础上，又将汽油发动机技术向前推进了一大步，从而成为世界汽油机发展历史上又一个重要的里程碑。同时，缸内直喷式汽油机具有明显的节油效果，是当今汽车汽油机节能减排最有效也是最现实的途径，符合我国节能减排的大政方针，应该是我国汽车用汽油机的重要发展方向。
几乎一个世纪以来，人们始终在进行汽油缸内直接喷射的试验研究，但是只是在最近约20 年以来，从三菱汽车公司在欧洲推出首款缸内直喷式汽油机开始，首次提供了可实际应用的汽油缸内直接喷射技术，缸内直喷式汽油机才成功地进入市场。它经历了壁面导向型、空气导向型和喷束导向型燃烧过程，以及分层充量和均质充量运行模式的变化历程。与直喷式柴油机相比，缸内直喷式汽油机需解决的难题明显要复杂得多，特别是分层充量运行模式的实现，在混合气形成、燃烧过程以及废气排放等方面的控制都非常复杂，在技术上有较大的难度。因此至目前为止，现代汽油缸内直接喷射的潜力尚未充分发挥，必须对汽油缸内直接喷射技术进行更进一步深入的研究。但是缸内直喷式汽油机在功率和转矩方面所能取得的效益，以及在降低燃油耗和有害物排放方面所存在的巨大潜力，使汽油缸内直接喷射技术成为汽油机发展的必经之路。
发动机小型化是现代乘用车汽油机的重要发展方向，而电控汽油缸内直接喷射技术、废气涡轮增压技术和可变气门控制技术则构成了现代乘用车汽油机小型化的三大核心技术。因此，本书将以较大的篇幅介绍诸如废气涡轮增压和可变气门控制等方面新技术的发展，及其在缸内直喷式汽油机上的应用状况，还有它们在节能减排方面的实际效果。
这种技术含量高的缸内直喷式汽油机，同时也成为现代车用发动机新技术、新工艺和新材料的重要载体，这能进一步增大缸内直喷式汽油机在节能减排方面的潜力。因此，本书也将以一定的篇幅介绍新技术、新工艺和新材料在缸内直喷式汽油机上的应用情况。
上述这些发展状况既为我国汽车工业的发展提供了新的机遇，也对汽车行业工程技术人员特别是产品开发人员的知识更新和开发技术水平提高提出了新的挑战。作者已在机械工业出版社翻译出版了德国内燃机经典著作《汽油机管理系统》和《缸内直喷式汽油机》两部引进版书籍，前者详述了现代汽油机电子控制技术的基础，后者专门介绍了现代缸内直喷式汽油机的基础理论和主要结构特点，可作为普及缸内直喷式汽油机的基础知识。而编写本书则旨在为我国汽车工作者进一步提供开发现代缸内直喷式汽油机的最新试验研究成果，特别是近10 年来在现代缸内直喷式汽油机工程开发方面的经验，以便加深对现代缸内直喷式汽油机工作机理和结构特点的理解，并通过全球主要典型机型开发过程和技术特点的详细介绍，为国内自行开发缸内直喷式汽油机提供有益的借鉴，拓宽开发设计的思路。
本书作者长期从事汽车发动机的研究和产品开发，主持开发成功了多款乘用车汽油机和商用车柴油机，特别是多年来潜心研究汽油缸内直接喷射技术，并一直密切关注世界各大汽车公司缸内直喷式汽油机的研究和发展状况，积累了较为丰富的实践经验和宝贵的技术资料。特别是近10年来，现代缸内直喷式汽油机技术又有了快速的发展，世界各大汽车公司相继开发出许多新技术和新机型，达到了更高的技术水平，作者认为非常有必要从工程开发的角度更为系统和详尽地介绍国外企业在这方面的最新技术成果，提供给国内同行作为借鉴，希望能与国内汽车行业从事实际工作的同仁分享。
本书由范明强教授级高级工程师编著，分上下两册，上册包括缸内直喷式汽油机的基础理论、子系统开发及整机开发案例，下册内容为新技术的开发与应用。本书编写时十分注重运用试验数据和结果，使读者能得到清晰的物理概念，而尽量避免不必要的数学推导。特别是注重使各方面的内容更适合工程实际运用。本书的内容丰富多彩，信息量大，涉及范围广，既有关于工作机理的基础开发和各个子系统开发方面的经验，又有全球最新机型开发的详细介绍，及其所运用的新技术、新工艺和新材料，并提供了翔实的试验数据和曲线图表，以及各种最新机型整机与零部件的彩色结构剖视图和外形布置图片，较全面地详细介绍了全球各大汽车企业近20年来，特别是近10年来的最新试验研究成果和最新量产机型开发的成功经验，充分反映了当今世界现代缸内直喷式汽油机的发展历程和现状，及目前所达到的最高技术水平。因此，本书既能作为学习基础理论的教科书，又能作为广大工程设计和研发人员的工具书，具有非常好的实用价值。特别是读者可从国外现代缸内直喷式汽油机的发展历程中得到启示，根据我国的具体实际情况（燃油品质、使用和维修水平等），以及相关配套产业（燃油喷射系统、增压系统、可变气门机构、排气后处理系统等）的发展水平，按照先易后难的原则，采取分步开发的策略，例如先开发均质混合气燃烧机型再开发分层混合气燃烧机型，先开发单纯的缸内直喷式机型再开发与可变气门机构组合的机型，先开发非增压机型再开发增压机型直至两级增压机型，使我国自主开发的缸内直喷式汽油机的燃油耗逐步改善，废气排放水平跟随国家实施的排放标准逐步提高，稳步推进我国乘用车汽油机的发展，避免或者尽量少走弯路，尽快赶上国际先进水平。因此，本书特别适合于工程技术和产品开发工作的参考，使我国从事现代缸内直喷式汽油机技术研究和产品开发的工程技术人员在实际工作中有所借鉴，有助于提高缸内直喷式汽油机的技术开发水平，同时也适用于大专院校中与内燃机相关专业的教师、研究生和大学生的知识更新和参考。
在本书编写过程中所引用的大量资料中，除了作者多年来在实际工作中积累的经验和技术资料外，还参考了很多国外已公开发表的相关的文献资料，特此说明并对相关公司和作者一并表示感谢。
2017年恰逢作者范明强教授级高级工程师75周岁暨从事内燃机事业50周年，谨以本书作为一点有意义的纪念奉献给广大读者，也可算是编著者从事内燃机事业一生中为我国内燃机行业所做的一点绵薄贡献。
最后，作者希望本书能对国内汽车行业广大工程技术人员和大专院校师生的实际工作和学习有所帮助，也竭诚欢迎广大读者对本书的不足之处予以指正。范明强
第1章 活塞组-气缸套
现代缸内直喷式汽油机可通过应用诸如增压、可变气门机构以及它们的组合等众多技术创新来缩小其与柴油机的燃油耗差距，但是不仅要从热力学工作过程方面予以改进，而且基础发动机的零部件也能为此做出重大贡献，在这方面活塞组和气缸套起着重要的作用，除了降低摩擦功率之外，通过新的活塞和气缸套设计方案，还可提高承载能力和减小往复运动质量。
1.1 新一代轻型活塞
缸内直喷式汽油机降低燃油耗和废气排放的开发力度，明显提高了零部件的负荷，这并非是简单地加大壁厚从而增加零件重量的结构设计方法所能应付得了的。图1-1示出了爆发压力与升功率的发展趋势，其中最高爆发压力代表活塞的机械负荷，而升功率则可看作是活塞热负荷的特性参数。从图中就能清晰地看出缸内直喷式汽油机机械负荷和热负荷不断提高的趋势，增压机型的爆发压力已明显超过12MPa。图1-1 缸内直喷式汽油机升功率和爆发压力的发展趋势
在增压缸内直喷式汽油机的发展中，有时会因极高的侧压力而使活塞承受非常高的负荷，其原因是爆发压力曲线直至点火上止点后30 °CA非常晚的时刻才达到压力峰值（图1-2），在这样的范围内倾斜的连杆位置会产生非常大的侧压力，完全能达到柴油机的侧压力数值。在活塞使用寿命期内，如此大的负荷肯定会在筒形壁范围内对活塞裙部产生明显的影响（图1-3）。图1-2 爆发压力曲线和活塞侧压力曲线图1-3 活塞侧压力负荷（DS=侧压力；GDS=侧压力对侧）
在气缸直径较大的情况下，这种状况使得采用传统的活塞结构就不再能确保发动机开发成功，因而不得不采用具有更高强度的新型活塞结构形式。（1）对活塞的要求
除了必须减小质量之外，活塞组总是必须满足当前的标准规范：
· 良好的漏气和机油耗特性；
· 低的摩擦功率；
· 高的运转平稳性；
· 即使在诸如冷起动等极端条件下仍保持良好的运行可靠性；
· 在延长机油换油周期的同时仍具有长的使用寿命；
· 低的成本。
由此就可推导出其应具备的性能：
· 通过具有高的结构强度获得高的形状稳定性；
· 活塞裙部具有最佳的承载性能和尽可能均匀的压力分布；
· 良好的导向性能；
· 具有高的弹性，以便补偿摩擦副不同的热膨胀；
· 良好的耐磨性；
· 可靠和简单的制造工艺。
这些部分相互矛盾的要求想要达到最佳的协调，必然对活塞的开发形成很大挑战。（2）活塞结构形式
各种不同活塞结构形式的轻量化程度可用X系数来表征，该系数3用相对压缩高度来表示，即X=压缩高度/活塞直径 （图1-4）。
缸内直喷式汽油机活塞X系数的大小，一方面受到不同活塞顶面形状（顶面边缘高度或燃烧室凹坑深度）的影响，另一方面在很大程度上还受到负荷以及由其所决定的壁厚和活塞销孔尺寸的影响。德国Mahle公司多年来成功批量生产的Ecoform活塞的重量能比中等负荷的标准活塞最多减轻10%。
Ecoform活塞（图1-5）的重要特点是活塞销座上方活塞环区背后具有一个较大的铸造凹腔，以及活塞下半部的倾斜箱形壁（参见图1-6），从而获得了一个有利于力流传递的能胜任活塞负载的结构，而且确保活塞裙部具有足够的弹性，特别是所形成的梯形支撑或阶梯形支撑使得活塞销座内端面之间的距离更为紧凑，因而能使用更短的活塞销，有时候还能减小活塞销的横截面积。（3）新一代轻型结构活塞
Ecoform活塞也为开发新一代Evotec轻型结构活塞奠定了基础，因而能进一步减轻重量约10%。这种新型活塞方案的一个重要特点是结构不对称的箱形壁（图1-6），因而能使活塞的压力侧及其对侧承受不同的负荷。由于力引入活塞销座与裙部与气缸接触范围之间这种较为直接的连接减小了弯曲力矩负荷，从而无须加固至箱形壁的连接，因此也使得在这种高负荷区域内的应力分布更为均匀（图1-7，见彩插），而且对铸造工艺也会产生有利的效果。图1-4 活塞X系数的目前状况图1-5 活塞结构形式
与此相反，负荷明显较低的压力侧对侧的箱形壁设计得更分开和更薄，以确保必要的弹性和良好的导向性能。因此，与通常的设计方法不同，并非是压力侧对侧而是压力侧的裙部表面相对更窄。为了避免活塞卡住或过早磨损的危险，重要的并非是该表面的大小，而是裙部压力的均匀分布，这通过与其相协调的外形轮廓是能够实现的。借助于3D有限元计算就能很好地辅助这种形状的优化工作（图1-8）。
此外，箱形壁倾斜地延伸到活塞顶面，因而箱形壁在顶面的间距就较窄，这就附带加强了活塞的结构刚度，并且还能使活塞环区背后的铸造凹腔设计得更深，以及使活塞顶面厚度更小，而在活塞下半部缩进去的箱形壁与活塞环区与之间添加的加强筋也增加了附加的强度。图1-6 新一代Ecoform活塞图1-7 裙部与箱形壁范围内的应力分布（4）新的铸造工艺
新型的Evotec活塞因具有载荷优化的刚性结构能明显减小壁厚，而过去采用金属模重力铸造在壁厚方面受到限制，因此马勒（Mahle）公司开发了一种新的铸造技术，可采用金属模重力铸造工艺批量制造薄壁结构铸件，其目标是在保持使用新的耐热活塞合金，以及对铸造品质的高要求的情况下改善熔液流动性。图1-8 活塞形状优化前后的裙部压力分布和运转后裙部的表面状况
铝熔液的表面张力是影响流动性的主要因素。氧减少的气氛能对熔液的流动性产生有利的影响，但是缺少铝熔液氧化层会导致传统的硅酸盐铸模涂层的破坏，从而容易损坏铸模，因此必须开发一种新型的金属模保护涂料。
马勒（Mahle）公司优化调整了铸造参数，成功地开发出了一种可用于批量生产的铸造工艺，它能使Evotec活塞壁厚最多减小35%（图1-9），同时铸造品质也有了明显的改善。图1-9 Ecoform活塞与Evotec活塞的比较（5）首次应用的设计和试验
在基本方案设计框架下，曾借助于3D有限元分析进行参数研究，始终环绕着优化零件重量，系统地弄清楚新型活塞结构的各种不同几何形状的影响，但是所花费的高费用是完全必要的，因为由此获得的认识和理解是非常重要的基础知识，借助于这些知识，新的结构设计原理就能非常有效地适应发动机的不同要求。
高温性能、动力学性能与摩擦特性之间复杂的相互作用，以及与邻接系统的相互作用都对活塞组的开发提出了非常高的要求。为此，马勒（Mahle）公司应用了现代先进工具和方法，除了结构分析之外，还应用了模拟活塞横向运动的程序、活塞环动力学和运行后活塞裙部表面图像等，此外还可应用活塞形状优化程序，例如用于活塞销支承的设计。
越是接近活塞重量的最佳值，开发工作的难度越大，也就越能获得更多具有重要意义的精确的边界条件知识。尽早获得有关邻接系统负荷状况和几何学条件方面的信息对所必需的反复优化次数具有重大影响，通过与发动机开发合作伙伴的紧密合作就能获得成功，因此例如CFD（计算流体力学）燃烧模拟的计算结果与结构分析的紧密结合就能大大改善预测品质，并加速开发的进展过程。但是尽管如此，目前可能还不会这么快地取消测量和发动机试验，因此发动机试验在活塞开发中依然具有很重要的位置，如今现代试验台技术和复杂的测量方法恰恰正是针对目标和可靠进行产品开发的前提条件，例如在发动机实际运行时的活塞温度分布测量就是这方面一个很好的例子。最近以来，通过将遥测系统应用于数据传送就能高精度地测量远超过400℃的活塞温度。这种新开发的系统甚至能测量瞬态运行时的活塞温度，每个应用这种系统的活塞最多可测量多达6个部位的温度。由于取消了传送测量信号的连杆机构装置，这种遥测系统被认为十分可靠，而且仅需发动机机体作很小的改变。
目前，Evotec活塞已应用于很多不同用途和负荷状况的缸内直喷式汽油机，同时还应用了具有高镍耐蚀合金活塞环镶座的结构形式。在首批发动机运行中，这种活塞形式已显示出能非常好地满足高的运行性能要求。与目前的活塞技术状况相比，这种新型Evotec活塞的重量减轻了10%。通过优化结构以及压力侧及其对侧胜任功能要求的箱形壁的设计已成功地获得了即使用于未来功率不断提高的新一代缸内直喷式汽油机的低成本解决方案。
1.2 新型活塞裙部涂层
为了进一步提高内燃机的效率，就必须降低机械损失和摩擦损失。以新型2.0 L涡轮增压缸内直喷式汽油机作为参考基准，则可供使用的有效机械功占总耗能的37%，而总能耗的25%消耗于摩擦和传动辅助设备的机械损失，其中摩擦起着重要的作用，因为仅活塞和活塞销的摩擦就占到摩擦和辅助设备总能耗的17%，因此对由活塞、活塞环和活塞销组成的摩擦系统零部件的要求越来越高。除了确定合适的活塞间隙和裙部几何形状之外，已证实活塞裙部涂层是达到优化摩擦功率和减少磨损这两种紧密相关目标的非常有效的措施，为此为汽油机活塞裙部开发了一种耐久性与发动机使用寿命相同的涂层，它们能降低活塞裙部与气缸工作表面之间的摩擦。
这种涂层在使用寿命和运行效率方面的作用是使得活塞能承受更高的热负荷和机械负荷，因为至今的使用证实可靠的活塞裙部涂层可能已达到其耐久性的边缘，随着缸内直喷式汽油机小型化的发展，增压度明显提高，越来越高的负荷也使得活塞裙部涂层必须进行革新，必须开发出能满足更高要求的具有高工作能力的活塞裙部新涂层，其中专门为缸内直喷式汽油机选择了与柴油机不同的配方，因为虽然这两种热力机械的运行条件越来越趋于相似，但是仍各自具有特殊的要求，它们使得涂层的匹配显得更为重要。
在缸内直喷式汽油机上，当未燃烧的燃油稀释气缸工作表面上的机油时会对摩擦产生不利的影响，因而发生固体接触的混合摩擦状况的概率增大，自然也就会引起活塞环/活塞裙部与气缸工作表面这对摩擦副之间的摩擦功率增加。即使在具有起动-停车功能的汽车上，发动机重新起动时的混合摩擦阶段的次数也会增多。除了效率损失之外，也意味着磨损增大，这会损害活塞的使用寿命，同时也会对活塞的噪声辐射产生不利的影响。
在增压缸内直喷式汽油机（T-GDI）上，爆发压力进一步提高（目前≥130 bar），因而活塞的侧向力也更大，会对摩擦功率和磨损产生不利的影响，在这方面增压缸内直喷式汽油机趋向于接近柴油机的苛刻运行条件。对于当前的要求，Federal-Mogul公司命名为Ec-oTough（“经济、韧性”之意）的标准涂层系统在汽油机上的应用已被证实是可靠的，但是在增压缸内直喷式汽油机负荷非常高的情况下，这种专用涂层在不久的将来也可能达到其强度的极限范围，因此该公司开发了名为“新一代EcoTough”的新涂层。其涂层呈棕红色（图1-10，见彩插），从外表上就能立即识别出来，其颜色与其他典型的深灰色裙部涂层不同。这种同样采用可靠的丝网印刷法涂敷的新型裙部涂层由一种含有金属氧化物成分加强和镶嵌固体润滑剂颗粒的树脂系统组成，而涂层的厚度力求达到15μm。图1-11（见彩插）示出了这种新型裙部涂层的金相照片，可以清晰地看出各种不同的成分。图1-10 呈棕红色的新一代EcoTough活塞裙部涂层
这种新一代涂层配方使活塞裙部涂层，在摩擦功率较低的同时提高了抗磨损性能。图1-12给出了新一代EcoTough活塞裙部涂层的磨损和摩擦与市场上广泛应用的标准裙部涂层的试验结果的比较。与后者相比，这种新型裙部涂层在磨损最多减小40%的同时，即使在极端条件下仍具有明显更高的耐久性，而且还能为基础发动机的效率节省约15%的摩擦功率。图1-11 显示新一代EcoTough裙部涂层不同成分的显微金相照片
广泛的试验证实了新型裙部涂层的这些特性。为此，首先在机外试验台试验中查明涂层的磨损状况，然后再在着火发动机冷起动运转中验证可望行之有效的涂层方案。试验所应用的发动机的特点是具有极其苛刻的摩擦学条件：配合间隙很小而气缸工作表面又非常粗糙，这样的摩擦特性是在一台浮动缸套发动机（Floating-Liner-Motor）上实现的。图1-12 新一代EcoTough裙部涂层的磨损和摩擦与市场上广泛应用的标准裙部涂层的比较
此外，在开发和验证进程中，涂层系统还必须进行一种试验，在这种试验中涂层被人工预先损坏，并紧接着用强力的高压机油喷束冲击（机油喷射试验），涂层在铝基质上的黏合状况仍显示出良好的状态，即使涂层已被预先损坏，但仍然能经受得住强力的高压机油喷束的冲击。这种试验用数值确定了裙部涂层的附着力和黏合性能。由于涂层应用于活塞裙部是采用全自动大量生产工艺（图1-13）进行的，因而能低成本地获得这些磨损和摩擦方面的优点，因而无论是从成本还是其特性而言，具有这种裙部涂层的活塞已获得汽车制造商的确认。图1-13 涂敷活塞裙部涂层的丝网印刷法
数值模拟对于开发裙部涂层特别是确证其运行性能起到了很大作用。这种模拟的任务自然是优化活塞的结构，例如结构轻量化以及减小压缩高度，但是模拟方法同样也有助于评估试验结果：在新型涂层进行发动机试验之前，先计算所应用的1.6 L缸内直喷式汽油机活塞裙部的侧压力，这样便于识别易于产生磨损的高接触压力的运转范围，就能有针对性地进行活塞的运转试验。图1-14 表明运转后的活塞裙部涂层即使在高接触压力区域也看不出有明显的磨损。这种能力，尤其是无损伤地承受局部高单位面积压力的能力，是高负荷发动机活塞裙部与气缸工作表面抗磨损性能的重要前提条件。图1-14 接触压力模拟计算与在1.6L缸内直喷式汽油机上运转试验后的活塞裙部涂层的比较
1.3 新型活塞环涂层
现代缸内直喷式汽油机是节能减排的重要发展方向，因而降低它的摩擦损耗就显得格外重要。从图1-15中可清楚地看到，活塞环的摩擦在发动机总的机械摩擦中所占的份额高达24%，在发动机燃油耗中就有4%的燃油能量是被活塞环摩擦所消耗掉的，因此降低活塞环的摩擦就显得非常重要。同时，随着现代缸内直喷式汽油机的发展，特别是发动机小型化后增压度不断提高，活塞环的机械负荷和热负荷越来越高，因而其耐磨性方面的要求也就更为重要。在考察优化活塞环-气缸工作表面摩擦学系统的措施中，由于活塞环涂层能够直接影响磨损和摩擦状况以及由此所导致的烧损痕迹程度，因此活塞环涂层起着越来越重要的作用，所以涂层材料和涂敷工艺也在不断改进中。下面对现代缸内直喷式汽油机活塞环常用的各种涂层进行简要介绍。图1-15 活塞环摩擦及其所损耗的能量的份额（1）电化学镀层
现在，标准硬铬镀层优先选择用作第2道气环和油环的耐磨层。多年来，这种铬陶瓷（CKS）由于其具有较高的热负荷承载能力和良好的耐磨性，在现代高强化直喷式汽油机上的应用卓有成效。
为了满足更高的要求，德国Federal-Mogul公司开发了一种新的镀层方法，它是在硬铬基体上由特殊的基质组织形成的极细微的裂纹网格中牢固地固定着密集的极小的金刚石微粒（图1-16）。将这种铬金刚石镀层命名为GDC，它是市场上众所周知的镀层中自身磨损最低的一种涂层。这种GDC镀层能形成尖锐的环下工作棱边，从而成为在具有高热负荷承载能力和耐磨性的同时降低机油耗和曲轴箱通风的一个重要措施，并以其有利的综合性能为未来新一代高强化发动机提供了一种创新的技术。由于这种电化学镀层方法具有相对较高的析出率，因此在工艺方法上具有很大的吸引力。
在电化学镀层方面，主要的发展方向是针对新材料组合和表面金相组织进一步提高铬基体镀层的热负荷承载能力，而在磨损和机械效率方面又不能出现重大的缺陷。图1-16 GDC涂层结构示意图（2）热喷镀
多年来，在缸内直喷式汽油机上，热喷镀用于气环，特别是等离子喷镀陶瓷占了很大的份额。应用陶瓷喷镀非常有利于减少因活塞环和气缸壁之间大大增加的粘连磨损而引起的烧损痕迹，但是它并不适合于促使能进一步改善耐磨性的硬质合金类组织的析出。为此，开发了高速火焰喷镀（HVOF）技术，它能将高速火焰中的粉末状CrC、WC材料和金属状Ni-Cr-Mo合金植入和烧结在活塞环工作表面，这是在大约3000℃的温度下进行喷镀的，这样就在镀层（图1-17）中的内部压应力下，形成埋入Ni-Cr-Mo基体中的亚微观碳化物。这种镀层具有多孔性、最高的附着强度和750～1000 HV的硬度。除了陶瓷镀层组织改善抗粘连烧损性能之外，德国Federal-Mogul公司使用MK-Jet商标的HVOF镀层具有出众的耐磨性，其磨损要比等离子喷镀降低30%～40%。图1-17 HVOF涂层显微组织照片（3）氮化层
在最近20多年内，国外车用汽油机第1 道气环都由铸铁环改用钢环，其中特别是欧洲和日本偏爱于氮化钢环。在车用汽油机高转速的使用条件下，现在轴向高度低的第1道钢环已成为标准零件，在此期间开发的增压缸内直喷式汽油机的第1道环超过90%采用氮化钢环，而第2 道环则大多数采用成本较低的铸铁环，并根据各自的功能要求选择相应的结构形式和工作表面涂层。
在高铬合金马氏体钢上形成氮化层，由于边缘区域的硬度明显提高，以及随之而来的特殊的氮析出物，使活塞环-气缸套摩擦副的磨损大大降低。氮化工艺过程的发展，使得有可能针对性地控制氮化层的形成，这对氮化工艺应用不断增长具有决定性的意义。图1-18示出了在缸内直喷式汽油机上实际应用的典型氮化层的显微组织照片及其硬度分布状况。图1-18 渗氮层状况
通过活塞环整体的氮化层提高了环侧面的耐磨性，加上环槽镶圈侧面的超精磨光，达到了活塞环侧面与环槽侧面的良好协调性，实际应用已经证实这样的配对是十分有利的。图1-19 PVD涂层（CrN）的显微组织照片（4）物理蒸气沉淀（PVD）涂层
最新一代的活塞环涂层是按物理蒸气沉淀（PVD）法制造的。原则上，这种主要在铬氮（CrN）基础上形成的涂层（图1-19），其性能特点是具有1800～2000 HV之间极高的硬度、低的摩擦系数和陶瓷结晶体组织，因此这种CrN涂层显现出低的磨损率和高的化学稳定性。但是，由于这种从称之为薄层技术衍生而来的涂层工艺，使得PVD涂层在活塞环上的应用受到了限制。已经发现，在涂层厚度超过50μm的情况下，由于极高的涂层内应力，出现了涂层附着和裂纹的问题。要解决这些难点，要求用钢作为PVD涂层活塞环的基体材料，同时为了减少涂层与活塞环基体材料之间的内应力，活塞环基体材料应进行氮化。通常，用于缸内直喷汽油机时的涂层厚度为10～15μm，而在柴油机上则因负荷较高涂层厚度要选用30～50μm。
图1-20示出了上述所介绍的活塞环涂层相对耐磨性的比较。GDC工作表面涂层的磨损率是迄今为止最低的。试验表明，具有高负荷承载能力的涂层在目前典型的车用发动机应用中没有明显的差异，仍然能根据所能达到的极限负荷来做出有关涂层热负荷承载能力的结论。CKS 镀层满足了目前批量生产的要求，并能通过GDC来扩大其应用范围。MK-Jet（HVOF）镀层和PVD性能处于涂层分级的较高水平。而上面图1-18示出了氮化钢环横断面上表层中相应的硬度分布情况，通过用CKS或PVD方法附加涂层有可能将其提高到所要求的抗烧损能力。图1-21（见彩插）给出了在1985～2010年期间，欧洲批量生产的汽油机第一道活塞环涂层的使用情况作为参考。图1-20 各种活塞环涂层相对磨损率（等离子涂层=100%）的比较图1-21 欧洲批产汽油机第一道活塞环涂层的应用情况（5）Carboglide活塞环涂层
1）碳基活塞环涂层。长期以来，碳基涂层（DLC=Diamond likeCarbon，类金刚石石墨）用于对摩擦学要求极高的零件已众所周知。金刚石类型的碳涂层呈现出较小的黏附磨损以及摩擦化学反应的倾向，因此碳基类金刚石石墨（DLC）涂层特别适用于在使用时与其他零件处于固体接触状态的构件。DLC涂层的突出性能是因在其表面形成了一个由热力和机械诱发的涂层转换区而导致的，而该区域本身具有比涂层小的抗剪切强度，从而起到了自润滑作用。在大多数摩擦系统中，这种性能特征在混合摩擦条件下会导致比其他涂层系统（金属涂层或硬质材料涂层）更小的摩擦系数。由于对活塞环诸如耐磨损表面破坏和涂层疲劳等方面的要求提高，因此活塞环使用的碳基涂层需要对涂层技术进行有针对性的进一步开发。随着开发了一种含金属添加剂和氢的GOE245 型碳涂层，2006 年首次大批量应用于高负荷轿车缸内直喷式汽油机。在采用铝硅气缸工作表面的这种发动机上，可使用GOE245型涂层活塞环明显减少因摩擦条件恶劣而产生工作表面拉毛直至烧损痕迹的现象。由于在冷起动时特别容易发生损坏，因此应优先选用这种碳基涂层作为耐磨涂层（渗氮层，PVD物理气相沉积涂层）上的磨合涂层。
在进一步开发中已采用GOE247型碳基涂层来持续地改善固有的耐磨性能。这种活塞环涂层的特点是形成多层涂层，它们由非结晶的含氢碳涂层以及在其下面添加金属和氢的碳涂层组成。这种由3～5μm涂层厚度制成的活塞环涂层，在发动机使用中的耐磨性要比含金属的DLC活塞环涂层最多提高4～5倍。
2）涂层的形成及其性能。随着在汽油机上采用缸内直接喷射和废气涡轮增压以及气缸工作表面粗糙度的降低，对活塞环抗烧损性能和低的气缸磨损的要求就更加苛刻了，而降低燃油耗和CO排放的法2规又要求为尽可能减少摩擦功率损耗做出更大的贡献。图1-22 活塞环上Carboglide涂层结构示意图
为了在具有高耐磨性和最高的抗烧损能力的同时，能满足这种极低摩擦的高要求，必须在使用碳基活塞环涂层方面经验的基础上开发一种新型的活塞环涂层。这种商标名称为Carboglide（意为“碳滑动”）的活塞环涂层应用了多层涂层结构形式，其特点是在活塞环原始表面上先涂一层极其薄的铬黏附涂层，紧接着是中间涂层和表面涂层（图1-22）。中间涂层的组织是含有柱状排列的纳米结晶碳化钨的含钨和氢的碳涂层，而表面涂层则是一种非结晶金刚石类型的涂层，其中含有特殊的2 -3 型（sp2 -sp3）碳结构成分。通过适当地设计表面涂层对中间涂层的厚度比=0.7～1.5 以及表面涂层厚度对总涂层厚度之比=0.4～0.6 来影响涂层中的内应力状况，而总涂层厚度约为10μm（图1-23）。另外，1800～3100 HV0.2 这样极高的涂层硬度与涂层厚度加厚2～3倍相互配合，可使得其耐磨性比通常的DLC涂层明显改善。Carboglide涂层因其独特的涂层组织而具有极好的摩擦性能，其摩擦系数与市场上流行的汽油机活塞环涂层（渗氮层，PVD物理气相沉积涂层）的比较表明，它在摩擦方面具有显著的潜在优势（图1-24）。除此之外，还在超负荷试验中，在润滑不足的条件下评价摩擦性能，试验结果（图1-25）证实，与物理气相沉积（PVD）涂层活塞环工作表面相比，其抗烧损痕迹能力几乎增强了一倍。图1-23 氮化铬钢压缩环的光栅电子显微镜照片图1-24 汽油机典型活塞环涂层摩擦系数
3）在发动机运转中的功能。在发动机实际运转的条件下对活塞环涂层的有利功能进行了内容广泛的试验，在高增压缸内直喷式汽油机上的首次批量应用，证实了它在恶劣运行条件下的疲劳强度，而在高负荷缸内直喷式汽油机上应用Carbo-glide涂层活塞环证实了这种新一代活塞环涂层成功达到了显著降低摩擦功率的目标，令人印象深刻。在采用浮动气缸套的点火运转单缸试验汽油机上进行的摩擦功率试验表明，第一道气环和第三道油环采用Carboglide涂层时活塞环摩擦功率损失明显降低，最多可高达20%（图1-26）。另一方面，在采用灰铸铁气缸套的高增压缸内直喷式汽油机上，在润滑极其不足的条件下进行的耐久试验，与标准氮化活塞环组相对摩擦功率的比较证实了这种新型涂层的热稳定性和化学稳定性（图1-27）。如图所示，氮化钢压缩环工作表面呈现严重的粘咬痕迹及其气缸工作表面随之出现的拉毛现象，而Carboglide涂层活塞环工作表面则呈现非常干净的图形，因而气缸壁面也没有出现损坏的现象。Carboglide涂层的这种有利效果特别是在考察气缸磨损时显现出来，这种新型的涂层显著地改善了灰铸铁气缸的楔形磨损，而机外的试验台试验已证实，其气缸的磨损要比物理气相沉积（PVD）涂层活塞环最多小3倍。图1-25 各种活塞环涂层抗烧损痕迹能力的比较图1-26 在点火运转单缸试验汽油机上Carboglide涂层压缩环和油环
综上所述，Carboglide涂层将活塞环和气缸工作表面极其小的摩擦值与高强度和耐久性结合起来，它能将活塞环组的摩擦功率损失最多减少20%。这种涂层能在润滑不足的条件下明显地防止气缸工作表面被拉毛、高磨损和形成烧损痕迹，为开发高功率直喷式汽油机做出贡献，并能进一步降低燃油耗最多可达1.5%，从而获得低的CO排放。2
未来的开发工作集中在将新型涂层与LKZ油环（锥形唇口弹簧涨圈油环）结构在摩擦功率和机油耗方面的优点结合起来。由于这种新型涂层具有降低摩擦的效果和高的耐磨性，因此LKZ油环与Carboglide涂层的结合能进一步降低整个活塞环组的摩擦功率。图1-27 在一台增压缸内直喷式汽油机上运行525h后氮化钢压缩环a）与Carboglide涂层压缩环 c）及其对应气缸 b）和d）工作表面的比较（6）新型DuroGlide活塞环涂层
传统的DLC涂层在用于活塞环时受到以下特点的限制：
1）通常厚度仅几μm的涂层限制了使用寿命，而若涂层较厚的话，则会因涂层典型的内应力而存在剥离的危险。
2）在硬的DLC涂层情况下，活塞环工作表面必须极其光滑，以便能获得最佳的摩擦条件，避免损坏气缸套。
目前所使用的DLC活塞环涂层经常被用作其他耐磨镀层上的磨合涂层。最初，采用前面所介绍的采用DLC工艺获得的约10μm厚的CarboGlide含氢涂层，并具有良好的耐磨性。在此期间，这种DLC涂层系统在批量生产中大量用于汽油机。但是，为了更广泛地应用这种涂层，并利用DLC涂层降低摩擦功率的潜力，有必要为缸内直喷式汽油机再开发一种更耐磨且能明显加厚的DLC涂层。图1-28 DuroGlide活塞环涂层光栅电子断面照片新型涂层的特点
采用DLC工艺的这种新型DuroGlide涂层适合于要求更高的缸内直喷式汽油机提高活塞环的使用寿命。图1-28示出了这种新型无氢碳基活塞环涂层的均质组织结构。因碳具有高的sp3 结合份额（四面体结构），能够析出硬度高达5000 HV0.2 的涂层。与迄今为止的无氢DLC涂层不同，已降低了工艺过程中涂层的内应力，使得即使在涂层厚度高达25μm的情况下，在铸铁和钢表面上仍具有良好的结合牢度，而高达500℃的耐高温性能使得能用于强化程度更高的机型。
此外，接近终端轮廓形状的涂层和适合磨光制造工艺确保了活塞环工作表面具有较小的粗糙度。性能特性
开发新型涂层最重要的目标是降低机械摩擦功率损失以及大大提高用于活塞环的碳基涂层系统的耐久性。图1-29示出了当今缸内直喷式汽油机所使用的活塞环涂层摩擦系数的相对比较。这种摩擦系数是在机外检验条件下测得的，这样的检验条件在使用无添加剂机油情况下呈现出非常高的混合摩擦份额。与诸如铬陶瓷涂层（CKS=Chrom Keramic-schicht）和Goetze金刚石涂层（GDC=Goetze Diamant Coating）等铬类涂层，以及如铬氮（CrN）等物理气相沉积（PVD）相比，通过使用DuroGlide涂层，摩擦系数能降低高达60%。为了查明其在发动机运行中的摩擦功率损失的优势，在一台被称之为浮置气缸套单缸汽油机（Floating-Liner-Einzylinder-Ottomotor）上进行摩擦功率试验。图1-30（见彩插）示出在着火运行发动机上不同运行工况点（转速和平均指示压力）测得的DuroGlide涂层压缩环与作为对比基准的CKS涂层压缩环之间摩擦功率的差别，而所使用的活塞环及其活塞环预张力（切向力）的设计保持不变。在0 °～180 °曲轴转角范围内，也即点火时刻后不久，摩擦平均压力能呈现出最大的优势，1000r/min转速和6 bar平均指示压力时的摩擦功率可获得10%的好处，而从刮油环在机械摩擦损失方面可获得整整40%的好处来看，通过使用DuroGlide涂层的刮油环能够进一步降低摩擦。图1-29 各种不同活塞环涂层摩擦系数的相对比较（采用机外摆动摩擦磨损测量仪，在混合摩擦条件下进行测量）
为了考察这种新型活塞环涂层的耐久性，在燃烧压力高达200 bar和升功率高达70 kW/L的高负荷轿车柴油机上，进行过内容广泛的耐久性考核和超负荷试验。图1-31示出了在发动机试验台上经过长达500 h运行后，活塞环平均径向磨损量的试验结果。这些试验结果表明，与当今所使用的活塞环涂层（GDC和PVD-CrN）相比，DuroGlide涂层活塞环的平均径向磨损量能够减少高达50%。
除了对使用寿命非常重要的耐磨性之外，在超负荷以及润滑不良情况下活塞环工作表面的性能显得越来越重要。图1-32示出了在超负荷条件下抗烧损性能的试验台试验结果。在恒定的时间间隔内法向力升高到700 N情况下，摩擦系数超过0.3就开始会诱发越来越强烈的烧损痕迹。CKS 和CrN涂层压缩环在试验持续120 min或157 min后就会显现出烧损痕迹，而DuroGlide涂层压缩环则完成了最长达650 min的超负荷试验，且在活塞环和气缸工作表面上没有出现烧损的征兆。在一台高增压轿车柴油机上进行的专门设计的热淬火试验，证实了这种新型活塞环涂层超群的抗烧损性能。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]