孔曉麗 董爽 陳捷

（中國第一集團(tuán)有限公司 研發(fā)總院，長春 130013）

主題詞：發(fā)動機(jī) 低摩擦 平均摩擦有效壓力 CO2排放 燃油經(jīng)濟(jì)性

1 前言

在節(jié)能減排的全球化命題中，世界各國都把二氧化碳排放作為燃油經(jīng)濟(jì)性的重要度量。為了滿足未來油耗目標(biāo)和二氧化碳排放法規(guī)限值，世界各國汽車企業(yè)致力于開發(fā)低排放節(jié)能發(fā)動機(jī)產(chǎn)品。李駿院士等專家認(rèn)為低摩擦技術(shù)通過減少機(jī)械損耗提升發(fā)動機(jī)效率，相比電動化等其他節(jié)能技術(shù)，因其具有高性價比，已成為汽車發(fā)動機(jī)節(jié)能減排的重要手段[1-4]。

圖1 歐洲CO2排放目標(biāo)（汽油、柴油、混動車型）[1]

按2013歐洲整車CO2排放平均值計算，如圖1所示，Werner Bick假設(shè)發(fā)動機(jī)減小摩擦50%，整車CO2排放將減少10%以上[1]。在過去的20多年里，Markus Schwaderlapp認(rèn)為國際發(fā)動機(jī)產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)降摩擦30%以上，整車CO2排放減少7%[3]。FEV針對面向2025年未來內(nèi)燃機(jī)技術(shù)戰(zhàn)略分析指出，低摩擦技術(shù)在未來發(fā)動機(jī)產(chǎn)品中持續(xù)分擔(dān)重要指標(biāo)，如圖2所示，Michael Wittler提出NEDC循環(huán)工況整車CO2排放貢獻(xiàn)度為4.5%[2]。全球汽車企業(yè)聚焦汽車節(jié)能減排增加了對降低摩擦磨損的技術(shù)需求，針對現(xiàn)有和未來產(chǎn)品進(jìn)行低摩擦設(shè)計與開發(fā)呈現(xiàn)的重要意義越來越大，增長趨勢越來越快。

本文通過挖掘國際頂尖的期刊文獻(xiàn)，總結(jié)了國內(nèi)外乘用車發(fā)動機(jī)低摩擦技術(shù)研究進(jìn)展，對國際上領(lǐng)先的研究機(jī)構(gòu)、領(lǐng)先的汽車公司的創(chuàng)新成果進(jìn)行了系統(tǒng)梳理，包括發(fā)動機(jī)機(jī)械摩擦損失分布、各系統(tǒng)摩擦影響因素與降摩擦潛力分析、關(guān)鍵零部件減摩優(yōu)化措施與應(yīng)用效果等，是代表當(dāng)前國際上汽車發(fā)動機(jī)低摩擦技術(shù)最前沿技術(shù)水平的概述。

圖2 未來內(nèi)燃機(jī)技術(shù)節(jié)能減排潛力分析[2]

2 發(fā)動機(jī)摩擦損失

發(fā)動機(jī)摩擦損失主要包括活塞缸筒系統(tǒng)摩擦損失、配氣系統(tǒng)摩擦損失、曲軸摩擦損失、機(jī)油泵驅(qū)動損失、水泵驅(qū)動損失、前端附件驅(qū)動損失等。發(fā)動機(jī)摩擦通常采用反拖拆除法對整機(jī)摩擦損失進(jìn)行分解。Joachim Schommers等的研究表明[5]，在機(jī)油溫度和冷卻液溫度90℃工況、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r/min時，奔馳SLK350 V6汽油機(jī)活塞組和曲軸摩擦分別占整機(jī)摩擦損失的48%和13%（見圖3）。不同轉(zhuǎn)速、不同工況下各部分所占的比例不同，如配氣系統(tǒng)在低轉(zhuǎn)速摩擦相對較高，而在高轉(zhuǎn)速工況摩擦占比減小。

圖3 發(fā)動機(jī)能量流與摩擦分布（V6汽油機(jī)為例）[5]

3 低摩擦系統(tǒng)設(shè)計

發(fā)動機(jī)低摩擦結(jié)構(gòu)設(shè)計，涉及到曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)、潤滑系統(tǒng)、附件驅(qū)動輪系等發(fā)動機(jī)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)，需要綜合考慮成本、工藝裝備、維護(hù)保養(yǎng)等因素，同時需要滿足發(fā)動機(jī)可靠性與動力性等各項指標(biāo)需求。

Wolfgang Schoeffmann等專家將低摩擦系統(tǒng)設(shè)計方案按發(fā)動機(jī)產(chǎn)品開發(fā)狀態(tài)可歸納為以下三類[6]：

第一類低摩擦概念設(shè)計方案，適用于新產(chǎn)品開發(fā)概念設(shè)計階段，需要大量生產(chǎn)制造加工準(zhǔn)備：

（1）曲軸偏置

（2）長連桿

（3）低摩擦配氣機(jī)構(gòu)（RFF+HLA，Roller Finger Follower+Hydraulic Lash Adjuster,滾子搖臂+液壓挺柱）

（4）主軸承直徑最小化

（5）可變活塞冷卻噴嘴（缸體增加油道）

（6）分體冷卻

（7）鏈條或皮帶驅(qū)動機(jī)油泵

第二類低摩擦優(yōu)化設(shè)計方案，適用于現(xiàn)有發(fā)動機(jī)升級產(chǎn)品，需要適當(dāng)改動產(chǎn)品制造與裝配工藝：

（1）連桿大頭直徑減小

（2）軸承間隙優(yōu)化

（3）機(jī)油壓力與流量優(yōu)化

（4）減小缸筒變形結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

（5）珩磨參數(shù)優(yōu)化

第三類為低摩擦附加方案，適用于現(xiàn)有發(fā)動機(jī)產(chǎn)品，產(chǎn)品制造與裝配改動很小：

（1）可變機(jī)油泵

（2）低摩擦涂層（活塞環(huán)、活塞銷）

（3）平衡軸滾動軸承

（4）凸輪軸滾動軸承

（5）電子節(jié)溫器

（6）高效水泵

（7）高效附件

3.1 主運(yùn)動系

活塞與缸筒（缸套）的摩擦是發(fā)動機(jī)主要摩擦源，影響摩擦損失的主要因素是活塞環(huán)結(jié)構(gòu)與切向彈力、活塞裙部的幾何形狀、缸孔形貌與加工質(zhì)量、配合間隙等。

降低活塞環(huán)組彈力和減小活塞環(huán)高度可以大幅度減小活塞組件摩擦損耗，前提要保證盡可能減小缸筒變形，控制機(jī)油消耗量、漏氣量和磨損。圖4為FEV提供的汽油機(jī)最佳活塞環(huán)切向彈力和環(huán)高最佳設(shè)計范圍，Markus Schwaderlapp等認(rèn)為匹配先進(jìn)缸套表面和缸筒變形的減小，可以實(shí)現(xiàn)活塞組摩擦減小44%，CO2排放降低潛力達(dá)4.1%[3]。

圖4 FEV活塞環(huán)切線彈力和環(huán)高散點(diǎn)圖[3]

偏置曲軸機(jī)構(gòu)通過減少活塞側(cè)向力來減少摩擦。乘用車發(fā)動機(jī)曲軸偏置量一般為缸徑的10～15%左右。AVL研究曲軸偏置對活塞摩擦的影響，模擬計算結(jié)果表明曲軸偏置可以減少活塞摩擦10%（見圖5）。增加配缸間隙可以減小活塞與缸筒之間摩擦，但配缸間隙增加會引起NVH性能惡化。曲軸偏置機(jī)構(gòu)允許NVH水平不變的基礎(chǔ)上適當(dāng)增大運(yùn)行間隙，有利于減小摩擦?；钊N表面采用類金剛石碳（Diamond-Like Carbon，DLC）涂層，如圖6所示，活塞組摩擦可以減小11%。

圖5 曲軸偏置對活塞摩擦影響[6]

圖6 DLC涂層活塞銷降摩擦效果[7]

軸承摩擦包括曲軸、連桿、平衡軸軸承摩擦占發(fā)動機(jī)摩擦20～25%。對于滑動軸承，影響軸承摩擦的主要參數(shù)是軸承直徑尺寸。FEV針對單缸排量450 cm3的發(fā)動機(jī)曲軸，主軸頸直徑由55 mm減至43 mm，模擬計算與應(yīng)力應(yīng)變測量結(jié)果表明，曲軸主軸承摩擦減小50%（見圖7）。運(yùn)動件包括曲軸、連桿、活塞和活塞銷質(zhì)量減小，曲軸負(fù)荷進(jìn)一步降低，曲軸直徑實(shí)現(xiàn)最小化，曲軸摩擦可以降低達(dá)40%，CO2排放降低潛力1.2%[3]。

圖7 FEV主軸頸直徑散點(diǎn)圖與減摩潛力分析[3]

3.2 配氣系統(tǒng)

配氣系統(tǒng)摩擦包括配氣機(jī)構(gòu)摩擦、凸輪軸軸承摩擦以及正時驅(qū)動摩擦損失。

配氣機(jī)構(gòu)在發(fā)動機(jī)整個工作范圍均承受高負(fù)荷，在較低轉(zhuǎn)速下，作用于氣門上的負(fù)荷主要由彈簧力引起；在較高轉(zhuǎn)速時，零件質(zhì)量引起的慣性力占主導(dǎo)地位。與其它機(jī)構(gòu)不同的是，配氣機(jī)構(gòu)在低轉(zhuǎn)速區(qū)是處于臨界潤滑狀態(tài)，故其低速時摩擦損失所占比例會明顯增加。配氣機(jī)構(gòu)摩擦損失主要取決于所采用氣門驅(qū)動形式，不同類型配氣機(jī)構(gòu)摩擦對比如圖8所示。因凸輪與從動件采用滾動接觸方式，滾輪搖臂式配氣機(jī)構(gòu)摩擦損失較小。直推式配氣機(jī)構(gòu)凸輪與挺柱采用滑動接觸方式，尤其在低轉(zhuǎn)速區(qū)摩擦功偏高。Wolfgang Schoeffmann和Xiaoli Kong等專家的研究認(rèn)為挺柱表面采用類金剛石碳（DLC）涂層可以大幅降低配氣機(jī)構(gòu)摩擦[6-7]。減小配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動件質(zhì)量、降低彈簧負(fù)荷都是減少配氣機(jī)構(gòu)摩擦損失的有效措施。

圖8 不同型式配氣機(jī)構(gòu)摩擦對比[6]

通過減少凸輪軸軸承數(shù)量和減小軸承尺寸、可以減小凸輪軸軸承摩擦。整體集成式凸輪軸軸承座結(jié)構(gòu)有利于改善結(jié)構(gòu)剛度、減少軸承定位數(shù)量、軸承尺寸最小化與滾動軸承應(yīng)用。不同軸承數(shù)量減小對摩擦影響試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，常用工況點(diǎn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r/min時可以減小摩擦40～45%。AVL試驗(yàn)表明凸輪軸采用滾動軸承可以減小30%凸輪軸摩擦[6]。大眾、奧迪、福特、現(xiàn)代汽車發(fā)動機(jī)的凸輪軸第一軸頸都采用滾動軸承。

圖9 軸承數(shù)量對摩擦影響[6]

采用皮帶驅(qū)動有利于減小正時驅(qū)動摩擦損失。FEV給出皮帶驅(qū)動和鏈條驅(qū)動對配氣系統(tǒng)摩擦影響，如圖10所示，皮帶正時驅(qū)動NEDC循環(huán)工況可以帶來約0.9%節(jié)油效果。Thomas Fink和Hong-Kil Baek等專家研究認(rèn)為正時鏈條驅(qū)動損失可以在結(jié)構(gòu)布置、鏈條張力、導(dǎo)軌材料等方面進(jìn)行摩擦優(yōu)化[8-9]。

圖10 不同正時驅(qū)動方式對配氣系統(tǒng)的摩擦影響[3]

3.3 潤滑系統(tǒng)

發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)特性直接影響發(fā)動機(jī)整機(jī)和零部件的摩擦。通過機(jī)油流量控制、節(jié)能機(jī)油應(yīng)用和機(jī)油快速升溫等技術(shù)可以降低潤滑系統(tǒng)摩擦。

基于發(fā)動機(jī)整機(jī)工況需求的可變流量潤滑技術(shù)，通過可變流量機(jī)油泵結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、溫度信號，實(shí)時改變自身排量，實(shí)現(xiàn)輸出壓力和流量控制，特別是在發(fā)動機(jī)常用工況機(jī)油流量和壓力輸出的大幅降低，進(jìn)而有效降低機(jī)油泵驅(qū)動損失，提高整車燃油經(jīng)濟(jì)性。圖11為Mercedes-Benz開發(fā)的兩階可變機(jī)油泵控制策略及其減小摩擦功耗效果[5]。相比定量泵，可變機(jī)油泵機(jī)油流量減小了50%，實(shí)現(xiàn)機(jī)油泵損失大幅度減小。低速低負(fù)荷工況機(jī)油壓力200 kPa，活塞冷卻噴嘴按需選擇開啟或關(guān)閉，高速高負(fù)荷工況機(jī)油壓力400 kPa，冷卻噴嘴開啟。冷卻噴嘴關(guān)閉可同時減小活塞組摩擦，轉(zhuǎn)速2 000 r/min機(jī)油溫度90℃工況，活塞組摩擦減小10%。

圖11 二階可變潤滑系統(tǒng)降摩擦效果[5]

國外先進(jìn)發(fā)動機(jī)已廣泛應(yīng)用0W-20等低粘度節(jié)能機(jī)油，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)低摩擦、提升燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)同時兼顧整機(jī)可靠性要求。通過采用低粘度油品，實(shí)現(xiàn)壓力潤滑區(qū)摩擦系數(shù)降低；通過采用新型摩擦改進(jìn)劑，實(shí)現(xiàn)邊界潤滑區(qū)摩擦系數(shù)大幅降低。通過全面優(yōu)化機(jī)油泵性能以及低粘度機(jī)油應(yīng)用，整車油耗可以降低1.6～2.1%。發(fā)動機(jī)冷啟動階段加速機(jī)油升溫，通過高效熱管理如冷卻系優(yōu)化、分體冷卻、電子節(jié)溫器、離合式水泵等發(fā)動機(jī)快速暖機(jī)技術(shù)，有助于減小低溫工況潤滑系摩擦損失。

3.4 附件輪系

附件驅(qū)動損失與輪系振動、皮帶張力、附件數(shù)量以及前端輪系布置密切相關(guān)。通過減小皮帶張緊力、附件按需智能控制、減少驅(qū)動部件等輪系布置優(yōu)化措施，可以大幅度減小前端附件損失，發(fā)動機(jī)整機(jī)降摩擦潛力高達(dá)8%[6]。

圖12 解耦曲軸皮帶輪降摩擦效果[5]

采用發(fā)電機(jī)超越皮帶輪（Overrunning Alternator Pulley）、解耦曲軸皮帶輪（Decoupled Crankshaft Pulley），可以使系統(tǒng)在更低的張力下工作，消除振動和強(qiáng)烈動態(tài)張力波動，進(jìn)而減小能耗并改善燃油效率。圖12為奔馳發(fā)動機(jī)采用解耦曲軸皮帶輪在反拖和全負(fù)荷工況測量摩擦損失減小效果，在輪系共振區(qū)域最大可減小摩擦損失50%。同時曲軸一軸頸負(fù)荷減小、主軸承磨損減小，特別是對于啟停貧油工況，有利于改善油耗。奔馳、通用、尼桑、寶馬汽車發(fā)動機(jī)均采用解耦曲軸皮帶輪來改善前端輪系性能[10-13]。

4 動力總成降摩擦潛力

發(fā)動機(jī)一些減摩措施同樣也適用于變速箱零部件。通過變速箱優(yōu)化設(shè)計和低粘度潤滑油等技術(shù)傳動系本身降摩擦潛力達(dá)30%。綜合上述的發(fā)動機(jī)降摩擦措施，動力總成整體降摩擦潛力可達(dá)36%，如圖13所示，整車NEDC循環(huán)CO2排放貢獻(xiàn)度8.5%左右[3]。

未來動力總成無論在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)還是在混合動力總成仍需要持續(xù)聚焦低摩擦系統(tǒng)工程。圖14給出了動力總成采用機(jī)械減摩方案與混動化方案性價比趨勢分析，可見，電動化節(jié)能減排潛力較高，但就投資成本收益回報率，機(jī)械減摩節(jié)能的性價比更高。因此，應(yīng)充分挖掘低摩擦技術(shù)潛力，以實(shí)現(xiàn)未來日趨嚴(yán)格的汽車節(jié)能減排目標(biāo)。

圖13 動力總成降摩擦潛力分析[3]

圖14 CO2減排措施性價比分析[3]

5 結(jié)束語

汽車發(fā)動機(jī)低摩擦技術(shù)發(fā)展迅速，由于篇幅有限，本文針對國內(nèi)外乘用車發(fā)動機(jī)，側(cè)重描述了具有代表性的低摩擦設(shè)計方案及其應(yīng)用效果，分系統(tǒng)介紹了關(guān)鍵零部件的減摩優(yōu)化措施與節(jié)能潛力分析。通過對低摩擦技術(shù)成本與節(jié)能收益趨勢分析指出，未來動力總成無論在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)還是在混合動力總成仍需要持續(xù)聚焦低摩擦系統(tǒng)工程，應(yīng)充分挖掘低摩擦技術(shù)最大潛力，提升發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，支撐整車實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)。