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2007/08/19

汽油機和柴油機氣環的技術現狀與展望 www.li-fung.biz

用 戶對車用發動機更高動力性和更低燃油耗的期望以及社會對減少由於汽車交通造成環境污染的要求,迫使汽油機和柴油機製造商在開發中投入更多的人力和 動力。德國Federal—MogulBurscheid有限公司作為一個配件供應商,對內燃機氣環的基本材料、耐磨性和結構設計進行了優化和開發,為實 現這一目標作出了重要貢獻。
關鍵詞:氣環 汽油機 柴油機 材料 塗層 設計


0 前言
由於對發動機功率要求不斷提高,排放法定限值收緊,使用壽命要延長,同時要降低維護成本,因此對現代內燃機的活塞環,尤其是第一道氣環的 要求也就越來越高。這些要求基本與活塞環的主要功能有關:(1)密封性;(2)傳熱並確保不發生燒傷;(3)調節機油消耗量;(4)通過使用適當的材料、 塗層、結構和在批量生產條件下合理成本的生產過程來限制活塞環的磨損速率,延長髮動機的使用壽命。
1 由功能決定的設計特徵
下面概述內燃機第一道和第二道氣環在基體材料、塗層、結構型式和軸向環高方面的現狀和展望。接著描述為滿足外圓工作表面的磨損防護(塗層)、外圓工作表面形狀和尺寸設計、外圓貼合能力及側面強化等特殊要求的設計特徵。
1.1 基體材料
目前,活塞環的材料基本上仍是採用各種品質等級的鑄鐵和鋼。首先是鑄鐵材料,與材料強度、強性延伸性能、疲勞強度和耐磨性等方面的要求相 對應,有一系列品質範圍很廣的品種(表1)。對於第一道氣環來說,優先使用彎曲強度和E-模量最高的環墨鑄鐵,旨在提高硬度的馬氏體基體決定環側面的耐磨 性。為了在第二道活塞環槽中能使用無塗層的活塞環,開發了經調質處理的細片墨鑄鐵。通過生成鉻、釩、錳和鎢的特殊碳化物及馬氏體基體達到最佳的耐磨性。可 鍛鑄鐵GOE 44是一種在細晶粒珠光體基體上殘留一定量碳化物的材料,使活塞有可能兼具較高的切向力和良好的耐磨性。
鑒於對材料強度、疲勞強度和耐磨性要求越來越高所推動的發展趨勢,其標識性特徵為進一步優化球狀石墨形態,以進一步提高靜態(安裝狀態)和動態負荷下的彎曲強度。此外,通過貝氏體基體組織減小環側面和外周工作表面的磨損速率。
近年來,隨著汽油機和柴油機活塞結構高度的降低,導致氣環軸向高度縮小,尤其對於最高燃燒壓力達到20 MPa的柴油機來說,越來越高的機械強度要求,勢必要求環材料具有較高的強度儲備,以及環的側面具有較高的耐磨性。鋼材料特別適於滿足這種要求。鋼與鑄鐵 相比,動負荷下強度較好,在脈動彎曲負荷下有較高的疲勞強度。圖1表示製造活塞環用的基體材料所能承受的應力幅。鑄鐵與鋼之間動態強度的差異會因表面塗層 和酣理韻影響而減小。研究表明,氮化鋼環的動態強度可通過附加的化學處理(CPS處理)提高30%左右。



主要應用含鉻13%~18%的高鉻馬氏體鋼,通過生成瀰散的碳化物以及附加的氮化層大大提高表層硬度保證耐磨性。如果使用調質的低合金Cr-Si鋼,則環的工作表面需要一層保護或強化塗層。
近15年來,在全世界範圍內汽油機第一道氣環有從鑄鐵環向鋼環轉變的趨勢。尤其在歐洲和日本,大量應用氮化鋼環(表2)。目前,在高轉速汽油機的邊界條件 下,軸向高度小的鋼環 已成為第一道氣環的標準模式。現今開發的汽油機有90%以上在第一道環槽中裝的是氮化鋼環。對於第二道氣環來說,出於成本考慮,一般仍用鑄鐵材料,其設計 和工作表面塗層根據相應的功能要求確定。


在歐洲轎車柴油機領域,在升功率>50 kW/L的高強化柴油機中,第一道氣環成功地應用了52/56等級的材料(球墨鑄鐵),而第二道氣環為32等級的調質耐磨材料(表3)。為了改善環側面、 尤其是下側面的耐磨性,應用比較硬的球墨鑄鐵材料(GOE56),或者含鉻18%的鋼。當然鋼環有環槽磨損加劇的風險(特別是軸向高度較小的環),所以環 槽和環側面的總磨損不再逐個細分。


柴油機軸向高度較高的氣環並沒有明顯改用鋼材料的趨勢。一是由於鑄鐵環與環槽鑲圈之間材料配副非常好,二是由於鑄鐵材料加工性能非常好,特別是對於形成比較尖銳的下工作稜邊來說。
載貨車柴油機的第一道氣環用球墨鑄鐵材料積累了豐富的經驗。這反映在歐洲車用柴油機中鑄鐵環占很大比例(表3)。但是自20世紀60年代 以來,也在載貨車柴油機上應用由18%Cr鋼製造並加塗層的氣環方面獲得了理想的批量生產經驗,其軸向磨損非常小。此外,由於最高燃燒壓力>20 MPa機型的開發,第一道氣環用鋼材料製造會越來越多。
1.2 活塞環的結構型式
車用汽油機第一道氣環完全是矩形環。其外圓工作表面根據機油耗和漏氣方面的要求做成對稱桶形、單側桶形或錐形。約30%的歐洲轎車柴油機為了改善機油耗,第一道氣環做成單側桶形或錐形。
大多數轎車柴油機第一道氣環做成矩形。近25年來,轎車柴油機採用雙側梯形環的比率穩定在30%左右。隨著發動機氣缸直徑的加大,由於燃燒方面的影響,採用雙側梯形環的比率也增加了(圖2)。


1.3 環的軸向高度
近20年來,全球的汽油機第一道氣環軸向高度明顯呈不斷減小的趨勢(圖3)。這種高度的縮小是技術上的要求,因為發動機轉速提高,所以要 減小活塞的質量和尺寸。氮化鋼環的開發是成功應用軸向很薄的第一道氣環的前提。開發汽油機時,一般把第一道氣環軸向高度設計為1.0~1.2 mm,第二道氣環為1.2~1.75mm。
對於柴油機來說,由於燃燒壓力大大提高,沒有形成不斷縮小環高的趨勢(圖4和5)。只有缸徑<75 mm的柴油機才有縮小活塞環軸向高度的趨勢。轎車柴油機由於最高燃燒壓力不斷提高,甚至有增大環高的趨勢。如果考慮到要降低摩擦功率損失,那麼軸向高度低 的活塞環的應用就要多加斟酌,特別要注意可能對軸向磨損的影響。



2 外圓工作表面的磨損保護
顯然,第一道氣環在現代內燃機的噴射和燃燒策略要求下,承受著越來越高的熱負荷和機械負荷。因此,通過下列各種方法提 高環外圓工作表面的耐磨性已成為開發工作的焦點。
2.1 電化學鍍層
現在標準的硬鉻鍍層主要用於防止第二道氣環和油環的磨損。多年來由Goetze和Federal—Mogul公司成功開發並投入使用的鉻陶瓷鍍層(CKS)由於具有較高的熱負荷承受能力和較好的耐磨性,對於現代高強化柴油機的開發起了決定性的作用。
為了滿足進一步提高的要求,開發了一種新的鍍層系統。這種鍍層是一種具有極細裂紋網絡的硬鉻基體,用一種特殊的亞結構牢固地嵌入大量的細 微金剛石顆粒(圖6)。這種被德國Federal—Mogul公司命名為"GDC"的鉻金剛石鍍層因固有磨損最低而成為市場上著名的鍍層技術。GDC鍍層 可以做成具有尖銳的下工作稜邊,因而不僅具有承受熱負荷的能力及耐磨性能強,而且是構成低機油耗和低漏氣的要素。這種鍍層綜合其各種正面的性能成為將來新 一代發動機的一個重要創新點[1]。


電化學鍍層的使用由於相對較高的沉積速率在工藝技術上是相當受人青睞的。在電化學鍍層領域的長期研究中,著重圍繞新材料組合和表面結構展開,旨在進一步提高鉻基鍍層的耐熱性,而不對系統磨損和經濟性方面造成重大的損害。
2.2 熱噴塗層
熱噴塗層技術長期以來用於內燃機氣環。特別是等離子噴塗層具有很高含量的陶瓷,它對用這種塗層減輕由嚴重磨料磨損引起的所謂「燒傷」現象 十分有利。但是,等離子噴塗不適合沉積硬金屬結構,而後者能進一步提高耐磨性。為此開發的高速火焰噴塗法(HVOF)可把CrC、WC和Ni-Cr-Mo 金屬合金等粉末材料通過超音速火焰噴射沉積在活塞環表面上。這可在相對不太高的溫度(約3 000℃)條件下進行,從而在壓縮內應力作用下產生塗層。圖7為埋有超細碳化物微粒的NlCr-Mo基體的組織。塗層特點是有輕度的多孔性、最高的附著強 度以及750~1 000 HV的硬度。除由於塗層的陶瓷結構使其具有較好的防燒傷性能外,這種被Federal-Mogul公司以"MK-Jet"命名的HVOF塗層的磨損量比等 離子噴塗層小很多,兩者相差3~4倍。


2.3 氮化層
在高鉻合金馬氏體鋼上生成氮化層,由於表層硬度很高以及伴隨著析出特種的氮化物,使活塞環工作表面與氣缸工作表面的磨損顯著減小。對氮化 層越來越廣泛的應用有決定性意義的是由於工藝技術的進展可以有針對性地控制氮化層的結構。圖8為氮化層微觀結構在汽油機中運用的典型實例。


活塞環所有表面經氮化,除了對環側面的磨損有了附加保護外,結合側面的精磨能改善環側面與環槽側面之間的相容性。氮化鋼環因承受熱負荷性能相對較差,一般不用於現代柴油機的第一道氣環。
2.4 PVl)塗層
用物理汽相沉積(PVD)法製造的塗層代表最新一代活塞環塗層工藝。優先應用的是以氮化鉻(CrN)為基礎的塗層系統(圖9),其特點是 硬度非常高(1 800—2 200 HV),摩擦係數低,具有陶瓷晶體結構。此外,CrN塗層還有磨損速率低、承受熱負荷性能好和化學穩定性高等優點。PVD-塗層在活塞環上的應用將受到從 所謂「薄膜技術」得出的 塗層工藝過程的限制。因此,當塗層厚度>50μm時,會由於很高的塗層內應力產生塗層附著和裂紋問題。這樣就要求用鋼作為塗覆PVD-塗層活塞環的 基體材料,且為了減小塗層與活塞環材料之間的內應力梯度,鋼環還要進行氮化。一般用於汽油機活塞環時,塗層厚度為10~15μm,而用於柴油機時,由於活 塞環磨損負荷較大,塗層厚度為30~50μm。


2.5 各種塗層的性能和應用概況
圖10為各種表層相對磨損概要。目前,環外圓工作表面用GDC鍍層能使磨損速率降低。對柴油機的氣環來說,特別需要具有熱負荷性能和抗燒 傷性能。鉻氮化和氮化的鋼環不能滿足現代柴油機的要求,因此一般也不用於柴油機。各種負荷能力較高的塗層在現今典型發動機條件下的試驗未顯示出明顯的差 異。因此可有針對性地採用極限負荷方法對塗層進行承受熱負荷的能力考核,以得出最終結論。CKS-鍍層已滿足了批量生產發動機的要求,其應用範圍由於有了 GDC而被拓寬。MK-Jet和PVD-塗層在承受熱負荷能力方面較強。


氮化鋼環自20世紀90年代早期引入歐洲車用汽油機以來一直成效卓著。圖8為氮化鋼環的橫斷面,並有表層中的硬度分佈。如果還需要提高抗 燒傷能力的話,則可用再附加CKS或PVD-塗層來解決。圖11為歐洲批量生產車用汽油機在1985~2005年間第一道氣環應用塗層的情況。


柴油機第一道氣環很早就要求採取專門措施,以達到所需的耐磨和耐燒傷能力。20世紀90年代初廣泛應用的鉻鍍層達到了承受熱負荷能力的極 限。等離子塗層雖然很耐燒傷,但引起氣缸磨損很大。CKS-鍍層的開發使抗燒傷能力得到飛躍。迄今為止,雖然柴油機的功率密度不斷提高,但用這樣的鍍層始 終能保證必需的抗燒傷安全性,同時氣缸磨損很小。利用GDC,環外圓工作表面的電化學鍍層使用範圍可拓寬到將來功率繼續提高的場合。圖12為歐洲轎車柴油 機第一道氣環應用塗層的分佈。


3 外圓工作表面設計
現代柴油機用活塞環、尤其是第一道氣環外圓工作表面的設計具有越來越重要的意義。單側桶形環已應用了20多年,成為歐洲車用柴油機的標準 設計。在下工作稜邊上加一個不大的桶形度對環的功能有決定性的影響。這一眾所周知的結構特徵對於現代批量生產的製造技術來說是一種挑戰。
優質的環外圓工作表面設計要有一個盡可能尖銳的下工作稜邊,以獲得最佳的刮機油性能。與沒有特別加工的工作稜邊相比,具有單側刮油結構且基體材料有尖銳稜邊的活塞環可改善機油耗達60%。
4 外圓貼合能力
用襯簧撐開的油環外圓貼合能力取決於橫斷面和設計的切向力,所以傳統的等壁厚單片氣環的公稱外圓貼合能力首先由開口寬度決定。在給定的幾 何尺寸下,環的開口寬度既決定環工作時的彎曲應力,也決定套裝應力。因此,外周貼合能力依據合理的應力關係和安裝可能性在比較窄的限度內。
單片環外周貼合能力沿圓周是不均勻的,環開口對 面(環口背面)最大。由於在環開口端沒有彎矩,局部外周貼合能力降為零。圖13為經典的活塞環與FO環沿半圓周的外圓貼合能力比較。通過在環開口附近用變 徑向壁厚設計,得出形狀優化的活塞環(圖14)。這種環大大改善了局部的彎曲能力以及活塞環對不均勻變形氣缸的適應能力。
汽油機和柴油機的試驗結果表明,FO環有降低機油耗的巨大潛力。為付諸實用,開發了全新的工藝方法。FO環已投入批量應用。


5 環側面的強化
新一代發動機從磨損或材料相容性理由出發,要求對活塞環側面加以強化。應用氮化鋼環並不總是有效的。環側面鍍鉻已在重油發動機上得到驗 證。新穎電鍍工藝的開發使得矩形和梯形環的側面可鍍上10μm左右的鉻層。傳統工藝過程所必需的、費事的修整工作可省掉。按「快速鍍鉻工藝」製造的活塞環 從2005年起已用於載貨車柴油機。
6 結論
針對發動機機械負荷和熱負荷的日益提高,需要創新的活塞環設計和製造技術。基體材料要進一步開發以提高強度和耐磨性。對於柴油機的第一道氣環來說,除了應用鑄鐵材料外,還將應用鋼材料。
原則上來說,目前掌握的電化學、熱噴塗和物理汽相沉積等噴塗技術都沒有達到其使用極限,可以根據具體的邊界條件找到各自的應用場合。
為了滿足盡可能降低機油耗和漏氣的要求,可採用具有優化的幾何形狀的活塞環,如帶刮油結構的外圓工作表面或形狀優化的FO環。

 

 

 

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