【日】 中村正明 伊東明美 菊原浩司 中鉢裕介

0 前言

為了降低CO2排放，并減輕用戶的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性已成為重要的課題。降低活塞周邊部件的摩擦損失可以有效改善怠速及低負(fù)荷工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性，但如果為此減少活塞裙部的滑動(dòng)摩擦面積，就有可能影響活塞的可靠性及耐久性。尤其對(duì)商用車(chē)柴油機(jī)而言，提高活塞可靠性及耐久性對(duì)于提高其商品性是很重要的。

為降低活塞的摩擦損失，有研究提出，可在活塞裙部涂覆水珠圖案或波紋狀圖案的涂層。本次研究以減少流體潤(rùn)滑狀態(tài)下的裙部滑動(dòng)面積為前提，利用活塞裙部涂層圖案降低摩擦，在以流體潤(rùn)滑區(qū)域?yàn)橹鞯幕钊赐屏?cè)涂覆帶圖案的涂層，確認(rèn)其改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和降低活塞摩擦力的效果。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置

使用缸徑104mm、行程118mm的直噴式4缸柴油機(jī)測(cè)定燃油耗。此外，使用缸徑112mm、行程115mm的直噴式單缸柴油機(jī)測(cè)定活塞摩擦力。

1.2 燃油耗的測(cè)定

發(fā)動(dòng)機(jī)燃油耗的測(cè)定在表1所列運(yùn)轉(zhuǎn)條件下實(shí)施。由于活塞的摩擦損失受裙部滑動(dòng)面溫度的影響較大，因此，將冷卻液溫度固定為80℃，在潤(rùn)滑油溫度分別為80℃、85℃、90℃和95℃的4個(gè)條件下測(cè)定發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油耗。對(duì)于零負(fù)荷時(shí)的燃油經(jīng)濟(jì)性，則測(cè)定發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的扭矩改善率，并以此作為燃油耗降低率。

1.3 活塞摩擦力的測(cè)定方法

用圖1所示浮動(dòng)式缸套裝置測(cè)定活塞摩擦力。由于氣缸套是通過(guò)負(fù)荷墊片與氣缸體連接的，所以，利用這一裝置，可以測(cè)出作用在氣缸套上的活塞摩擦力。除摩擦力外，作用在氣缸套上的還有活塞側(cè)向力，但這可以通過(guò)氣缸上下的止動(dòng)裝置予以固定。

將浮動(dòng)式缸套裝置安裝在試驗(yàn)用直噴式單缸柴油機(jī)上。用于摩擦力測(cè)定的活塞與燃油耗測(cè)定所用的活塞設(shè)計(jì)基本相同。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件（燃油耗測(cè)定）

1.4 活塞的潤(rùn)滑狀態(tài)與試驗(yàn)用活塞

1.4.1 活塞的潤(rùn)滑狀態(tài)

圖2為用浮動(dòng)式缸套裝置測(cè)定活塞摩擦力的實(shí)例，圖中還示出了缸內(nèi)壓力。依據(jù)測(cè)量原理，在圖2中，活塞處于上升行程中測(cè)得的摩擦力值為正值，活塞在下降行程中測(cè)得的摩擦力值為負(fù)值。由結(jié)果可知，在活塞側(cè)向力起作用的膨脹行程前半段，活塞摩擦力呈增加趨勢(shì)。

圖3（a）示出了活塞的摩擦力；圖3（b）示出了此時(shí)的側(cè)向力；圖3（c）的縱軸是每行程的活塞摩擦力除以側(cè)向力得出的值，橫軸是每行程的活塞速度除以側(cè)向力得出的值。這里測(cè)出的活塞摩擦力是活塞環(huán)與活塞裙部的摩擦力之和，因此，摩擦力除以側(cè)向力得出的值并不是活塞裙部的摩擦系數(shù)。但是，作為在較大程度上影響活塞裙部摩擦力的值，該值被認(rèn)為可以作為活塞裙部摩擦系數(shù)的代用特性值。由圖3（c）推定活塞的潤(rùn)滑狀態(tài)后可以得出結(jié)論，除排氣行程和活塞在推力側(cè)滑動(dòng)的膨脹行程外，活塞的滑動(dòng)速度越快，或是側(cè)向力越小，活塞裙部摩擦系數(shù)的代用特性值就越大。因此可以認(rèn)為，活塞大致處于流體潤(rùn)滑狀態(tài)。

圖4詳細(xì)分析了圖3（c）中的膨脹行程。圖4中，A區(qū)域?qū)?yīng)1～15°CA的摩擦力。在這一曲軸轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，雖然缸內(nèi)壓力較高，但活塞的側(cè)向力仍很小，因此認(rèn)為，對(duì)這一時(shí)期的摩擦力有較大影響的不是活塞，而是活塞第1道環(huán)。圖4中的B區(qū)域?qū)?yīng)165～180°CA的摩擦力，這里代表的是下止點(diǎn)附近活塞速度較慢區(qū)域的潤(rùn)滑狀態(tài)。另外，圖4中C區(qū)域?qū)?yīng)16～60°CA時(shí)的摩擦力，這一區(qū)域的活塞側(cè)向力最大，對(duì)活塞裙部的摩擦力有較大影響。在這一時(shí)期的活塞裙部，隨著活塞速度除以側(cè)向力所得值的降低，活塞裙部摩擦系數(shù)代用特性值在達(dá)到最小值之后呈增大趨勢(shì)，推測(cè)此時(shí)處于混合潤(rùn)滑狀態(tài)。在膨脹行程中，活塞推力側(cè)與氣缸套接觸，推力側(cè)的滑動(dòng)面積減少，有可能會(huì)導(dǎo)致活塞摩擦力增大，所以決定只在反推力側(cè)的活塞裙部涂覆帶圖案的涂層。

1.4.2 試驗(yàn)用活塞

表2列出了用于試驗(yàn)的活塞參數(shù)。在探討裙部涂層圖案的過(guò)程中，是以減少滑動(dòng)面積為目的的，因此希望在沒(méi)有涂層的部位不會(huì)形成油膜。也就是說(shuō)，不希望產(chǎn)生因油膜破裂而導(dǎo)致的潤(rùn)滑油剪斷阻力。為此，準(zhǔn)備4種試驗(yàn)用活塞：活塞A的裙部涂覆豎紋圖案涂層，其潤(rùn)滑油的排出性較高；活塞B的裙部涂覆橫紋圖案涂層，有利于在涂層部位形成油膜；另外，還有裙部涂覆水珠圖案涂層的活塞C和活塞D，這是為了了解對(duì)潤(rùn)滑油排出性能的影響。這些涂層圖案只涂覆在活塞的反推力側(cè)，活塞的推力側(cè)涂覆普通涂層。但是，為了確認(rèn)在反推力側(cè)施加涂層圖案的妥當(dāng)性，在活塞D的推力側(cè)也涂覆豎紋圖案的涂層。最后，將由上述試驗(yàn)活塞測(cè)得的結(jié)果，與標(biāo)準(zhǔn)活塞（即推力側(cè)與反推力側(cè)均涂覆普通涂層的活塞）的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

試驗(yàn)中使用的涂層材料是Dow Corning公司生產(chǎn)的石墨系涂層材料，涂層厚度目標(biāo)值為12μm。涂層部位面積如表2所列，約為標(biāo)準(zhǔn)活塞的50%。此外，試驗(yàn)活塞在涂覆涂層前的外徑及廓形均相同。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 燃油耗測(cè)定結(jié)果

圖5示出了試驗(yàn)活塞相比標(biāo)準(zhǔn)活塞的燃油經(jīng)濟(jì)性改善率。由圖5可知，活塞A在從低負(fù)荷至中等負(fù)荷區(qū)域的范圍內(nèi)，燃油經(jīng)濟(jì)性得到改善，并且未發(fā)現(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性變差的區(qū)域。另一方面，活塞B及活塞C獲得燃油經(jīng)濟(jì)性改善效果的運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域范圍較小，并且高負(fù)荷區(qū)域的燃油經(jīng)濟(jì)性變差。活塞D從低負(fù)荷至中等負(fù)荷區(qū)域的燃油經(jīng)濟(jì)性改善效果較為明顯，但在高負(fù)荷區(qū)域的燃油經(jīng)濟(jì)性也變差了。

利用上述4種活塞得出的燃油耗值，計(jì)算其JE05工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性改善率（表3）。

表3 燃油經(jīng)濟(jì)性改善率（JE05工況，T2）

由上述結(jié)果可知，就裙部涂層圖案對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響而言，活塞A的豎紋圖案涂層顯示出最佳值。與其他圖案的涂層相比，涂覆豎紋圖案涂層的活塞裙部在無(wú)涂層部位的排油性更好，這些部位難以形成油膜，因此滑動(dòng)面積也更小。

2.2 活塞摩擦力的測(cè)定結(jié)果

針對(duì)在燃油耗測(cè)試中獲得最佳結(jié)果的活塞A，使用浮動(dòng)式缸套裝置測(cè)定其摩擦力。在獲得相對(duì)較大燃油經(jīng)濟(jì)性改善效果的1 200r／min、25%負(fù)荷條件下，測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)活塞與活塞A的摩擦力（圖6）。由圖6可知，在進(jìn)氣行程、壓縮行程后半段及排氣行程，活塞A的摩擦力都得以降低。另一方面，活塞A與標(biāo)準(zhǔn)活塞在膨脹行程中的摩擦力沒(méi)有太大差異，此時(shí)活塞A的摩擦力稍低于標(biāo)準(zhǔn)活塞，其原因在于，雖然此時(shí)反推力側(cè)的活塞裙部沒(méi)有承受負(fù)荷，但該部位與氣缸套之間存在油膜，而滑動(dòng)面積較小的活塞A在反推力側(cè)的油膜剪斷阻力較小。

圖7是由活塞摩擦力測(cè)定結(jié)果計(jì)算得出的活塞A與標(biāo)準(zhǔn)活塞的摩擦平均有效壓力。由圖7可知，相比發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 000r／min的運(yùn)轉(zhuǎn)條件，活塞在1 200r／min時(shí)的摩擦平均有效壓力降低率更大。

根據(jù)圖7的結(jié)果，活塞A與標(biāo)準(zhǔn)活塞的摩擦平均有效壓力降低率如圖8所示。由圖8可知，越是在高轉(zhuǎn)速低負(fù)荷的條件下，摩擦平均有效壓力的降低率就越大。這意味著活塞裙部的涂層圖案具有降低流體摩擦的效果。

接著，將活塞A反推力側(cè)裙部的豎紋圖案涂層涂覆在活塞裙部推力側(cè)，并將其摩擦力與標(biāo)準(zhǔn)活塞的摩擦力進(jìn)行對(duì)比（圖9）。如圖9所示，在推力側(cè)涂覆豎紋圖案的涂層后，膨脹行程的摩擦力增大了。這是因?yàn)樵谂蛎浶谐讨?，?biāo)準(zhǔn)活塞的裙部處于混合潤(rùn)滑狀態(tài)，隨著實(shí)際滑動(dòng)面積的減少，油膜厚度變薄，導(dǎo)致摩擦力增大。由此得出結(jié)論，在活塞裙部反推力側(cè)涂覆豎紋圖案涂層的目的是為了通過(guò)減少處于流體潤(rùn)滑狀態(tài)部位的滑動(dòng)面積，得到降低摩擦力的效果。

3 結(jié)語(yǔ)

調(diào)查反推力側(cè)活塞裙部的涂層圖案對(duì)降低摩擦損失和燃油耗的影響，得出以下結(jié)論。

（1）標(biāo)準(zhǔn)活塞的摩擦力特性主要是在反推力側(cè)的滑動(dòng)行程中呈現(xiàn)流體潤(rùn)滑狀態(tài)。在推力側(cè)滑動(dòng)且作用于活塞裙部的負(fù)荷達(dá)最大值的膨脹行程前半段，摩擦力特性呈混合潤(rùn)滑狀態(tài)。

（2）根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油耗測(cè)定及摩擦力測(cè)定的結(jié)果可知，在反推力側(cè)的活塞裙部涂覆帶圖案的涂層，具有降低燃油耗和摩擦的效果?；钊诜赐屏?cè)滑動(dòng)行程中降低摩擦力的效果最為明顯。另外，豎紋圖案涂層具有良好的排油性，其燃油耗降低效果最佳。

（3）根據(jù)摩擦力測(cè)定結(jié)果可知，標(biāo)準(zhǔn)活塞在膨脹行程中具有混合潤(rùn)滑的特征。如在活塞裙部推力側(cè)涂覆帶圖案的涂層，則膨脹行程中的摩擦力會(huì)大幅增加。

（4）綜上所述，活塞裙部涂層圖案能改善燃油經(jīng)濟(jì)性的原因是，在呈流體潤(rùn)滑特性的行程中，裙部的實(shí)際滑動(dòng)面積減少，從而降低了流體摩擦。