新技术实现柴油发动机的高效率 - 文章

新技术实现柴油发动机的高效率

作者：Ludolf Herbst, Horst Lindner, Mike Heglin

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汽车制造厂家现在面临这样一个任务，那就是开发满足越来越严格的有关排放物和燃油效率规定的发动机，同时试图满足更高性能（即高功率）要求。例如在美国，汽车不仅必须通过越来越严格的烟雾排放标准，同时《车辆燃油经济性标准》（CAFE）标准显示出对燃油经济性不断增加的重视程度。本文将讨论两项可以帮助汽车发动机制造厂家接近这些目标的技术 — 汽缸套激光毛化加工以及燃油喷射器喷嘴精密钻削等。我们还将提供在奥迪柴油发动机上进行的耐用度试验数据，其中表明对汽缸套进行激光处理可以大大降低摩擦磨损，降低程度高达89%，而油耗降低则高达75%。

柴油机和机械磨损

柴油发动机油耗低，因此在美国以外的其他地方，这种发动机使用范围很广，从小轿车直至重型卡车等。但是在美国柴油发动机至今在私人汽车方面还没有获得广泛的使用，主要因为人们误认为它的性能比汽油发动机的低。此外，在诸如加利福尼亚州等地方缺少低硫柴油也是无法广泛使用柴油机的重要原因。

柴油发动机需要比汽油发动机更高的压缩比（高达30:1），以便在没有火花塞的情况下点燃燃油。因此，即便是轻质柴油发动机也采用铸铁汽缸套来应对较高的机械应力。这种高压缩使得活塞环/汽缸磨损和摩擦更加突出，限制了当前柴油发动机的性能，并限制了改善发动机性能的能力。例如，提高柴油发动机性能的一个简单方式是将压缩比进一步提高。但是因为活塞环/汽缸套接口之间的摩擦、密封和磨损等问题，当前这样做的可能性有限。

活塞环/汽缸套之间的摩擦是个多大的问题？在内燃机中，大部分燃烧能量都以给冷却系统的热量方式而损失。在剩余的可用功率中，大约15%因为发动机和传动链之间摩擦而变成机械损耗。在柴油发动机中，高达60%的机械损耗因活塞环和汽缸壁之间的摩擦而引起。因此，估计将这种摩擦损耗仅仅降低10%就可以将燃油消耗降低3%。在如今这个发动机效率提高很慢的时代，3%是个非常大的效益。长期来看，这种磨损还会引起活塞环和汽缸套磨损，降低发动机性能，增加排放，并提升油耗。

激光表面处理技术的进步

尽管二氧化碳激光已经从二十世纪70年代初就被用来硬化铸铁汽缸套，但直到现在也没有任何人用高能量紫外（UV）激光脉冲来大面积处理汽缸套。在奥迪车上，我们已经采用一个四缸、1.9升（81 kW）涡轮增压直喷（TDI）柴油发动机对紫外激光表面处理的效果进行了广泛的研究。我们还在一个V6柴油发动机上进行了进一步的研究。在进行激光表面实验研究之前，我们制造汽缸套并将它们以通常的（工业标准）方式安装起来。唯一的区别是我们用激光表面处理替代了最终机械抛光（珩磨）步骤。

为了进行表面处理，我们将发动机组放置在一个专门建造的工作站上 — 安装有一个高脉冲能量准分子激光器（Lambda Physik Lambda Steel 1000），该激光器波长为308nm，脉冲持续时间为25 ns。该激光器可以产生1焦耳/脉冲能量，脉冲重复频率为300Hz。最大稳定平均功率为300瓦。在该工作站上，激光光束通过光束传递系统引导到汽缸（位于发动机组内）上。最后的一个光学元件是一面放在汽缸里面的旋转镜，它将光束反射到汽缸壁上。这个光学元件可沿轴向运动，使光束沿汽缸壁的长度方向上扫描。与发动机组的转动协调运转，可使光束沿圆周扫描。在激光照射过程中，向汽缸表面施加辅助气体氮。该扫描系统是与德国ARGES Industrieplanung und Lasertechnik GmbH公司合作研制的。

我们在通过这种方式处理实验汽缸套后采集了两种类型的数据。最重要的是，我们进行了寿命周期和耐用度实验。我们在动态实验台上采用设计用于模拟多负荷循环的标准疲劳协议：运行了4缸TDI发动机，运行时间为602小时：满负荷时，发动机转速变化；负载变化时，发动机转速变化；满负荷/低负荷转变；开机/停机转变等。

在这些试验过程中，我们监控了发动机性能。我们还拍摄了扫描电子显微（SEM）照片从而在显微级别检查激光处理后的汽缸表面形貌。此外，我们还在运行了800小时后的一个TDI发动机的汽缸的上部取了一个截面。并使用透射电子显微镜（TEM）方式分析了该横截面。

降低磨损 — 摩擦学解释

从TDI发动机疲劳实验得到的结果非常具有戏剧性，如图1所示。与机械珩磨的汽缸套相比，依据负载循环而定，汽缸壁的磨损降低了23~89%。活塞环的对应磨损降低了30% ～88%。对于V6发动机，在800小时实验过程中油耗降低了75%。

图1. 准分子激光处理过的汽缸与常规珩磨过的汽缸（1.9升/81 kW R4TDI柴油发动机）的磨损降低情况。
在初始4000小时的“磨损”阶段结束后，活塞环和汽缸套在
磨损特征曲线方面都降低了几乎90%。

SEM和TEM显微图表明，这些发动机性能的显著改善是因为三种由激光所产生的现象：表面改性引起的表面硬化、表面平滑化以及储油性能等。

TEM显微数据表明，采用准分子激光及氮辅助气体生成了一个非常硬的材料表面层，类似于氮化物层。即使在800小时以后，TEM数据也表明这种材料在汽缸内壁表面存在。它还表明存在含有碳和氮的颗粒很细的铁结构。这种数据似乎证实了紫外激光会引起化学相变以及显微级别硬化这种假设。TEM数据也证实了激光退火可以使外表面平滑化。特别是，珩磨会引起在铸铁表面产生痕迹和石墨层折皱。激光过程看起来消除了这些表面不规则。

尽管较硬和较平滑表面的结合肯定可以降低摩擦和磨损，但是我们相信表面改性效应也在所观察到的显著效果中起到了主要的摩擦学作用。图2显示了在普通机械珩磨后以及激光处理后汽缸套表面的SEM图像。珩磨引起了随机、交错、互连的表面沟槽，这种沟槽会保持油料。但是，这些沟槽可以充当通道的连接系统，允许活塞环的压力和运动将油推出，从而可以进行粗糙的（尖锐表面的金属之间）接触。

图2.汽缸套内表面形貌的SEM照片：（a）传统机械珩磨（注意交错的沟槽结构）后的表面；
（b）先用机械加工，再用紫外激光照射后的表面。图片来源：GJL

而激光处理过程则会打开预先存在的石墨壳层，从而表面出现许多能够捕捉油的显微凹坑或凹井，由于这些凹坑或凹井不是互连的，因此油无处可逃，活塞环会滑行在所捕捉的油滴上，如图3所示。很明显，该条件非常接近流体弹性动力学（全流体）润滑的理想目标。凹坑尺寸很关键，凹坑必须足够大而起到这种滑行作用，却不能大到产生任何“漏油”现象的地步。精确的凹坑尺寸是奥迪的专有技术。

图3. 降低摩擦的摩擦学解释：（a）机械珩磨产生的相互连接
的沟槽系统；（b）激光加工所产生的微观流体动力学结构

燃油喷射器喷嘴的钻孔工艺

决定柴油发动机效率另一方面 — 即燃油喷射过程 — 的新激光钻孔工艺上，我们还处在开发的早期阶段。

理想情况下，燃油喷射器应该使发动机汽缸均匀充满细微悬浮质的柴油。这一点可以通过以下方式实现：将加压燃油强迫通过喷射器顶尖中的微细孔，这种顶尖是用一般厚度为1mm的淬火钢制成的。传统上，这些孔是通过电火花（EDM）加工形成的。典型的喷射器喷嘴最多具有12个孔，孔径一般在150～200微米范围。

最近，美国环保署强制规定柴油机工业在2007年前必须满足更严格的燃油效率标准，到2010年以前要满足甚至更加苛刻的标准。此外，允许的油烟和NOx 排放标准必须降低到1988年标准的90%。满足这些目标需要提高燃烧效率，这样反过来要求重新设计喷射器喷嘴以提供更小的油滴尺寸。我们特别研究了如何减小孔径(如小至50个微米)和增加喷嘴厚度问题。增加喷嘴厚度是非常重要的，因为要强迫燃料通过这些小孔，喷嘴就必须能承受更高的压力。此外，孔的外形也在研究之中,最引人注目的是具有倒锥角的孔。要解决这些问题，采用EDM技术是很困难的，若用激光技术，则是一件轻而易举的事。

精细钻孔在理想情况下需要一种带TEM00模、可以很方便地聚集成小光斑的激光束。然后，要么通过冲击钻孔（其中孔径等于光束直径），要么通过螺旋钻孔方式（其中将小光束以螺旋形加以扫描，基本上是套孔加工方式）加工出孔。我们相信，两种方法都会最终在这种应用场合中找到用武之地。冲击钻孔比较简单，实施起来成本比较低，并且每孔加工时间可以低于0.5秒。但是通过适当聚焦的光学部件以及对顶尖/光束运动的仔细控制，能使螺旋钻孔生成带倒锥体和/或定制形状的孔成为可能。

对于这种应用场合，需要采用高峰值功率、高光束质量脉冲激光，因为它们会在切屑最低的情况下形成净孔。所幸的是，带TEM00光束特征的二极管泵浦全固态激光现在已经在其他精密钻削应用领域中成长为一种可靠的工业级工具，例如在微电子工业中用于钻微型通路等。此外，由于它们结构紧凑，并且功耗低，因此集成起来比较简单。

尽管该应用尚处于开发的早期，但我们已经获得了一些显注的结果。图4显示了一个典型的例子，比较了一个EDM过程加工的200微米和螺旋激光钻孔加工的光滑50微米直径孔。用于钻削该孔的激光扫描系统是与（位于德国Nabburg的）ARGES Industrieplanung und Lasertechnik GmbH公司合作开发的。

图4. 在相同样品中不同燃油喷、射器孔的比较。比较大的孔是用、EDM生成的，孔直径为200μm。
照片中左边比较小的孔直径为50μm，是通过激光钻孔形成的

激光在汽车行业拥有较长的应用历史，主要用于焊接和切割操作，在这方面它们可以降低制造成本。如今，新的激光技术还在开发过程中，它们将帮助汽车工业满足人们日益增长的对“绿色”发动机的需要，这种新发动机将会既符合环保要求，又具有更好的性能。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (4/22/2005)


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