汽车发动机活塞环的技术现状和发展

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欢迎访问e展厅 展厅 1 发动机展厅 汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ... 现代汽车要求发动机具有更高的功率和更低的燃油耗，并进一步减少汽车交通对环境的负担，为此汽油机和柴油机制造商都要花费更多的研发费用，零部件供应商在汽油机和柴油机活塞环具有重要功能特性的基础材料、耐磨性和结构等方面进行了深入的研究，为实现这些目标要求作出了重要的贡献。 由于未来发动机功率越来越高，排放法规不断加严，并要求在降低维修成本的同时，延长发动机的使用寿命，这一切都对现代发动机的活塞环，特别是第一道压缩环，提出了越来越高的要求。活塞环的重要任务主要在于： ·密封； ·在确保耐烧蚀强度的同时具有良好的热传导性； ·控制机油耗； ·通过应用适合批量生产成本的材料、涂层、结构和生产工艺，限制磨损率，延长发动机的使用寿命。 确保功能的设计特点 1.基本材料 当今活塞环应用各种品质的铸铁材料和钢。首先考察铸铁材料，按照用材料强度、延伸率、疲劳强度和耐磨性等指标表征的承载能力，可选用的铸造品质的全部范围见表1。对于第一道压缩环应特别优先选用一种具有高抗弯强度和弹性模数的球墨铸铁，其基体为马氏体，以获得高的硬度，可使侧面具有较好的耐磨性。 第二道活塞环能应用无镀层环，开发了一种在调质热处理状态下呈现细化片状组织铸造品质的材料，通过生成铬、钒、锰和钨元素的特殊碳化物，以及马氏体基体组织，以获得良好的耐磨性。而GOE44可锻铸铁是一种在细化珠光体基体组织中有针对性地生成残余碳化物成分的材料，能将高抗切向力强度与良好的耐磨性结合起来。 由于对材料强度和疲劳强度以及良好耐磨性的要求越来越高，现在趋向于进一步优化球状石墨的生成，以便在静态（装配状态）和动态负荷下获得特别高的抗弯强度，同时用贝氏体基体组织来获得活塞环侧面和工作表面较低的磨损率。 由于汽油机和柴油机活塞结构高度降低，压缩环的轴向高度相应减小，特别是面对20MPa气缸爆发压力，对机械结构的要求越来越高，这一切都要求提高活塞环侧面的强度和耐磨性。钢材料特别适合于这些要求。与铸铁材料相比，钢具有良好的机械动态承载能力，因此在弯曲负荷增大的情况下具有高的疲劳强度。当然，通过表面镀层和表面处理的效果可部分地缩小铸铁和钢之间动态强度的差异。试验表明，通过附加的化学处理（CPS法）可使氮化钢活塞环的动态强度提高大约30％。 首先应用含铬量为13％或18％的高铬马氏体钢，这种材料通过生成精细分布的铬碳化物和附加生成的渗氮层使表面层硬度明显提高，从而获得良好的耐磨性。如果要使用调质处理的Cr-Si低合金钢的话，则环工作表面镀层是必需的。 在最近15年内，全世界汽油机第1道压缩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（表2）。在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，在此期间开发的发动机的第1道环超过90%采用氮化钢环，而第2道环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型式和工作表面涂层。 在欧洲轿车柴油机，即升功率大于50kW/的高负荷发动机上，第1道压缩环必须使用牌号为52/56的球墨铸铁，第2道环采用牌号为32的调质耐磨灰铸铁（表3）。通过采用强化的球墨铸铁（GOE56)或含铬18％铬钢来改善活塞环侧面特别是上侧面的耐磨性。当然，特别是在环轴向高度低的情况下，钢环包含着环槽磨损增大的风险，但是在每种情况下槽和环侧面总磨损量的差异并不大。 在柴油机上，由于活塞环的轴向高度较高，其材料向钢变化的倾向并不明显。这一方面是因为铸铁环和环槽镶圈材料之，间的材料配对非常好，另一方面是因为铸铁材料具有非常良好的加工性。 原则上，商用车柴油机第1道压缩环使用球墨铸铁已有非常丰富的经验，这从球墨铸铁环在欧洲柴油机上占有很高的分额就反映出来了。但是，自从上世纪60年代以来，具有非常低轴向磨损的含铬18％铬钢镀层压缩环在商用车柴油机上的应用也具有相当丰富的批量生产使用经验。此外，随着气缸爆发压力明显超过20MPa，可望钢活塞环的应用会有所增长。 2.活塞环的结构型式 汽车汽油机第1道活塞环100％采用矩形环，其工作表面根据有关机油耗和曲轴箱通风方面的要求，采用对称球形、单边球形或锥形。大约30％的欧洲轿车汽油机，为了改善机油消耗，工作表面不是带有单边鼓形度就是带有锥度。 轿车柴油机大部分第1道活塞环同样也采用矩形环。在最近25年内，轿车柴油机第1道活塞环采用双梯形环的份额稳定在大约30％。随着气缸直径的增大，由于燃烧侧的影响，双梯形环的份额也随之增加（图2）。 3．活塞环的轴向高度 在最近20年过程中，全世界汽油机第1道压缩环明显趋向于低轴向高度。由于发动机转速的提高和由此而导致的活塞质量的减轻或尺寸的缩小，活塞环高度的降低在技术上是必要的。对于第1道活塞环必须应用轴向高度低的环而言，开发氮化钢环是一个前提条件。当今开发汽油机时，1.0mm和12mm环高是第1道活塞环优先选择的尺寸，而第2道活塞环优先选择1.2~1.75mm。 而在柴油机上，由于气缸爆发压力大大升高，不会出现活塞环轴向高度降低的趋势其中活塞环高度的降低很可能出现在缸径小于75mm的柴油机上，而在商用车柴油机上，甚至于由于爆发压力升高而倾向于加大活塞环高度。当考虑到应用轴向高度低的活塞环对降低摩擦功率有相当作用时，要特别注意对轴向耐磨性可能产生的影响。 工作表面的耐磨性 在现代喷油和燃烧策略下，第1道活塞环承受着明显提高的热负荷和工作负荷，因此通过下列方法改善活塞环工作表面的强化是开发工作的重点。 1．电化学镀层 现在，标准硬铬镀层优先选择用作第2道环和刮油环的耐磨层，这种多年来有效应用的铬碳化物层（CKS），由于其具有较高的热负荷承载能力和良好的耐磨性，与现代高负荷柴油机的开发成果卓有成效地结合起来。 为了满足更高的要求开发了一种新的镀层方法，这种镀层是在硬铬基体上由特殊的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。这种铬金刚石镀层在欧洲被命名为GDC，是目前市场上众所周知的镀层中自身磨损最低的。这种GDC镀层能形成尖锐的环下工作棱边，从而成为在高热负荷承载能力和耐磨性基础上降低机油耗和曲轴箱通风的一个要素，并以其，有利的综合性能为未来新一代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，因此在技术方法上具有很大的吸引力。在电化学镀层方面，针对新材料组合和表面金相组织，旨为进一步提高铬基体镀层的热负荷承载能力，欧洲的一些活塞环专业公司进行了长期卓有成效的研究工作，而在系统磨损和效率方面并无重大的缺陷。 2．热喷镀 多年来，在内燃机上热喷镀用于压缩环，特别是等离子喷镀中陶瓷占了很大的份额。应用陶瓷喷镀非常有利于减少因环和气缸壁之间大大增加的粘连磨损而引起的烧损痕迹，但是它并不适合于能促使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，它能将超声波火焰中的粉末状碳化铬，碳化钨材料和金属状镍一铬一钼合金植入和烧结在活塞环工作表面，这是在大约3000℃的适宜温度下进行的，这样就在镀层中的内部压应力下，形成埋入镍-铬-钥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---1000HV硬度。除了陶瓷镀层组织改善抗粘连烧损性能之外，以辉门公司MK-Jet商标使用的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%。 3.氮化层 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氮析出物，使活塞环一气缸套镜面副的磨损损害大大降低。特别是，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，这对氮化层应用的不断增长具有决定性的意义。 通过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，已经证实这样是十分有利的。但是，氮化钢环的耐磨性及其相对较低的热负荷承载能力，对应用于现代柴油机第一道活塞环而言，一般来说是不够的。 4．物理蒸汽沉淀（PVD）镀层 最新一代的活塞环镀层是按物理蒸汽沉淀（PVD)法制造的。原则上，这种主要在铬氮（CrN)基础上．形成的镀层的性能特点是1800和2000HV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镀层显现出了低的磨损率和高的化学稳定性。但是，由于这种从称之为簿层技术衍生而来的镀层工艺，使得PVD镀层在活塞环上的应用受到了限制。已经发现，在镀层厚度超过50μm的情况下，由于极高的镀层内应力，出现了镀层的附着和裂纹问题。要解决这些难点要求用钢作为PVD镀层活塞环的基体材料，同时为了减少镀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，用于汽油机时的镀层厚度为10-15μm，而在柴油机上，由于引起磨损的负荷较高，镀层厚度选用30-50μm为宜。 5．镀层的性能和市场展望 图6表示镀层相对耐磨性的比较。GDC工作表面镀层的磨损率是迄今为止最低的。特别是对柴油机而言，热负荷承载能力／抗烧损能力是必需的，而铬氮和氮化钢环不能满足现代柴油机的要求，因此通常不使用。高负荷承载能力镀层的试验表明，在目前典型的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作出有关镀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和PVD性能处于镀层分级的上好水平。 氮化钢环自从在欧洲汽油机上使用以来，在上世纪90年代初期是确保功能的非常可靠的零件。通过用CKS或PVD方法附加镀层有可能提高到所要求的抗烧损能力。 为了在柴油机上的应用，很早期就已采用的措施仍是必要的，以便达到所要求的耐磨性和抗烧损可靠性。在上世纪90年代初，继续推广应用的铬镀层已达到了热负荷承载能力的极限。虽然等离子镀层具有抗烧损能力，但是却引起了明显的气缸套镜面的楔形磨损，而CKS镀层的开发成功使抗烧损可靠性得到了大幅度的提高。即使升功率不断地提高，用这种镀层至今仍能在保持低的气缸套磨损的同时，继续确保必要的抗烧损可靠性。铬金刚石镀层GDC使活塞环工作表面电化学镀层的应用范围得以扩大，以满足未来期望功率进一步提高的需要（图7、8）。 活塞环工作表面的设计 特别是第一道活塞环工作表面的设计在柴油机上越来越重要。第一道活塞环工作表面采用单边鼓形设计已经有20多年，对欧洲柴油机而言已是一种标准设计。下工作边旁的微小鼓形度在功能上起着重要的作用，同时对大量生产的现代制造技术提出了极高的要求。 为了获得最佳的刮油性能，一流的活塞环工作表面设计应带有尽可能尖锐的下工作棱边。与不加工的倒圆的工作边相比，采用尖锐的基体材料工作棱边的活塞环设计能改善机油耗，最大可达到60%。 贴合能力 弹簧涨紧的刮油环的贴合能力取决于其横截面和所调整的切向力，而常规的等宽单体压缩环的贴合能力的额定值则首先决定于开口宽度。在一定的几何尺寸下，无论是装配应力还是弹性应力都是由开口宽度产生的，因此由合适的应力状况和可装配性为贴合能力确定了相对窄的范围。 单体环的贴合能力在整个圆周上是不均匀的，特别是在环开口对面达到最大值。由于在开口端部没有弯曲力矩，因此该处的贴合能力降至零。图9表示出常规活塞环和一种FO（形状优化）环在整个圆周上贴合能力的比较。图10所示的FO环通过靠近开口处径向宽度的可变设计得到了形状优化的活塞环，从而改善了活塞环的局部弯曲能力和对气缸不均匀变形的适应能力。 迄今为止在汽油机和柴油机上的试验结果已证实了降低机油耗的巨大潜力。为了换用FO环方案，开发了一种全新的制造方法，并于2005年第一季度首次大量生产装用FO活塞环。 活塞环侧面的强化 新一代发动机的要求使得侧面强化成为活塞环磨损或材料协调性的基础。 氮化钢环的应用不总是能设法得到补救的。侧面镀铬在重型发动机上已很好地证实了其可靠性。开发了一种新的镀层方法使得矩形和梯形环侧面的镀铬层厚度最大可达到10μm，同时能取消传统工艺过程中所必需的昂贵的精加工。按“闪光镀铬技术”（“Blitzchromtechnik”）制造的活塞环，在2005年开始在商用车发动机上使用。 不久的将来，发动机的机械负荷和热负荷还要进一步提高，要求活塞环的产品和工艺进一步的创新，活塞环基础材料的强度和耐磨性也需要进一步开发。未来柴油机第一道压缩环，除了应用铸铁材料之外钢材料也将得到应用。 目前能选用的电化学镀层、热喷镀镀层和PVD镀层等，在原则上尚未达到其使用极限，应根据活塞环的使用条件采用不同的解决方案。 为了满足低机油耗和曲轴箱通风提出的要求，应采用具有最佳几何形状的活塞环，例如最合适的工作表面或形状优化的FO活塞环。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (5/19/2007)