高温柴油机活塞环和缸套摩擦学的发展

高温柴油机活塞环-缸套摩擦学的发展

摘要

Adiabatics公司在美国陆军坦克车和军备司令部的支持下，研究了在低散热柴油机的滑动接触面使用类金刚石薄膜和钛酸铁的可行性。类金刚石一直是滑动接触摩擦面的优选材料，摩擦损失的明显减少将会提高发动机的效率[1]。已经存在多种应用类金刚石薄膜的技术。本文调查了这些技术中的几种以及它们将来在汽车内燃机上的应用。我们重点研究在军用低散热柴油机上类金刚石的使用，这种柴油机的运行温度和运行压力比常规柴油机的要高。然而，也有将这种薄膜技术直接转移到汽车柴油机或汽油机上的。本文展示了对不同种类的类金刚石薄膜之间试验现象的研究，以及它们在内燃机上的适用性。

引言

随着未来的发展，军用柴油机有望不断地传输更高的功率密度。从这一发展中，用于军用发动机的技术可能也适用于商用高输出发动机。人们在努力地逐步改善高输出柴油机的发展，实施一些关键技术，比如，低散热设计，改进燃油喷射系统，材料和包装设计。我们大部分投入在新材料和低散热摩擦学的考量上。特别地，我们重点研究气缸与活塞环的接触面。未来军用柴油机的目标是使第一环逆转温度在370℃附近变化，以及将油底壳温度控制在205℃左右。这两种温度比商用柴油机的二倍还要高。由于温度会加速磨损，对于军用发动机来说，典型的解决措施是安装类金刚石薄膜以及安装相配合的钛酸铁，这些措施预计能成为适用于商用车的发动机技术。在我们今天所展示的工作中，使该技术商业化是主要目的。

在军用柴油机领域过去的工作中，发展了一种技术：在气缸内壁上喷涂钛酸铁来改善缸内的摩擦和提高耐磨性。钛酸铁陶瓷涂层应用于低温凝胶过程。早期，我们集中于在缸孔配合面上使用钛酸铁涂层，通常是用70%到80%的钼或二硫化钼喷雾喷在活塞环涂层上，再采用Cr2O3进行后处理过程，这项技术在Adiab atics公司已经很成熟。然而，生产这种活塞环所带来的大量的额外费用使它不能进入市场，因为市场致力于形成合理的最低成本。因此，在90年代末，我们开始认真考虑在活塞环上镀类金刚石薄膜。在此，我们要展示如何通过在柴油机上使用类金刚石薄膜来优化摩擦学的运行参数。关于未来的军用高输出低散热柴油机，还必须考虑到其他的工作.

类金刚石与配合表面的选择

我们最先试验的是商业上大量生产的类金刚石薄膜。这种薄膜应用于离子镀膜法，也被称作离子镀膜型的类金刚石。当超出了由脂质酸和多元醇制成的合成润滑剂的临界温度以后，这种膜就会使常规的活塞环涂层上的摩擦大量减少。两种摩擦的比较如图1a所示。在本文中，活塞环的二硫化钼涂层被称为基准涂层。当在钛酸铁缸孔内运行时，很明显，类金刚石薄膜将产生比二硫化钼涂层低得多

的摩擦系数。然而，耐磨性和耐用性成为主要问题。类金刚石薄膜（4-5微米）与“厚”二硫化钼涂层（0.25毫米）相比非常薄。本质上，二硫化钼涂层与离子镀膜型的类金刚石薄膜相比有非常低的磨耗率，如图1b所示。

图1a：两种类金刚石薄膜与二硫化钼涂层的摩擦系数的比较

由于类金刚石薄膜能提供如此低的摩擦系数，所以我们研究了多种类金刚石薄膜，来判断一下是否所有的类金刚石薄膜都相似。除离子镀膜型的类金刚石薄膜以外，我们还选择了来自北京的双离子束脉冲镀膜型的类金刚石薄膜，中国也称作DIBPA PVD，以及美国供应商使用的阴极电弧非晶碳薄膜，又称作AC。还介绍了一种激光镀膜型的类金刚石薄膜，又称作LBA。我们还选择了一种化学蒸汽沉积型的类金刚石薄膜，它是一种低温等离子体增强式射频镀膜型薄膜，又称作PE-CVD。表1列出了每种薄膜的基本特性。

图1b：两种类金刚石薄膜与二硫化钼涂层的磨耗率的比较

表1：各种类金刚石薄膜的特性

液体润滑剂的选择

由于典型的低散热柴油机在极限温度下运行，于是摩擦成为它成功运行的致命要害。在活塞环行程的第一环逆转点处，接触面温度最高，活塞环停止并开始反向运动，液体润滑剂在此处非常关键。为了保护接触面，需要一种好的润滑液来提供合适的油膜厚度。

从先前的工作中[5]，我们认识到：润滑油的一个最重要的特性也许就是沉积物行成趋势低。尤其是在环岸和活塞销处，如果润滑油形成积碳或清漆型沉积物，将导致活塞环或者活塞销粘住。这些现象将会导致发动机失效，轻者重度失效，重者将造成灾难性的后果。在我们最初的工作中，我们选择了基本组分由脂质酸和多元醇制成的合成润滑剂，它的临界温度接近350度。它只含有一种抗氧化添加剂。这种润滑剂（称作HXL）是美国新泽西州的海特高公司专门为这种镀膜的低散热发动机合成的。虽然这种减少沉积物形成数量的想法早已有了[6]，但是缺少特殊的添加剂可能会产生轴承接触面和凸轮接触面处其它的摩擦问题。这些问题已经得到处理，但没有在我们的工作中呈现出来。虽然使用含添加剂最少的润滑油减少了沉积物数量，然而我们所展示的工作有助于进一步减少在低散热强化发动机运行温度时的沉积物生成量。

尽管我们希望使用单一基料的润滑油能解决沉积物的问题，但是我们还关心发动机其它部位受到的影响，其它部位可能需要a fully formulated润滑油。我

们对这些部位进行了检测，但我们没有在本文中论述。

台架试验

台架试验的试验装置如图2所示。线接触应力是可变的,但开始表示的是预测的活塞环载荷，这一预测值是在低散热高输出柴油机上观测到的。在此试验台上，要进行一项比较类金刚石薄膜的试验阶段，该阶段的摩擦从室温下开始,直到低散热发动机第一环逆转温度达到最大值为止。这一步是在额定负载条件下进行(0.757千克每平方毫米)。最初,摩擦系数很高,但是，随着接触面的不规则处受到磨损，接触面上产生润滑油膜，摩擦系数就会下降。

降低温度同时施加全负荷（1.514千克每平方毫米）。增加负荷以后，温度又恢复到第一环逆转温度并保持该温度直到试验阶段的末期。通常，由于负荷增加摩擦就会增加，但增加量会在许可范围内。当润滑剂的温度达到临界温度时，油膜被破坏，摩擦系数就会达到最大值。当温度超过润滑油的临界温度时，由于润滑油与接触面之间产生化学反应，接触面上形成边界层，边界润滑条件形成，摩擦开始减少[7]。

台架试验装置的照片