高温柴油机活塞环和缸套摩擦学的发展.docx
- 文档编号:2271226
- 上传时间:2023-05-03
- 格式:DOCX
- 页数:16
- 大小:1.08MB
高温柴油机活塞环和缸套摩擦学的发展.docx
《高温柴油机活塞环和缸套摩擦学的发展.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《高温柴油机活塞环和缸套摩擦学的发展.docx(16页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
高温柴油机活塞环和缸套摩擦学的发展
高温柴油机活塞环-缸套摩擦学的发展
摘要
Adiabatics公司在美国陆军坦克车和军备司令部的支持下,研究了在低散热柴油机的滑动接触面使用类金刚石薄膜和钛酸铁的可行性。
类金刚石一直是滑动接触摩擦面的优选材料,摩擦损失的明显减少将会提高发动机的效率[1]。
已经存在多种应用类金刚石薄膜的技术。
本文调查了这些技术中的几种以及它们将来在汽车内燃机上的应用。
我们重点研究在军用低散热柴油机上类金刚石的使用,这种柴油机的运行温度和运行压力比常规柴油机的要高。
然而,也有将这种薄膜技术直接转移到汽车柴油机或汽油机上的。
本文展示了对不同种类的类金刚石薄膜之间试验现象的研究,以及它们在内燃机上的适用性。
引言
随着未来的发展,军用柴油机有望不断地传输更高的功率密度。
从这一发展中,用于军用发动机的技术可能也适用于商用高输出发动机。
人们在努力地逐步改善高输出柴油机的发展,实施一些关键技术,比如,低散热设计,改进燃油喷射系统,材料和包装设计。
我们大部分投入在新材料和低散热摩擦学的考量上。
特别地,我们重点研究气缸与活塞环的接触面。
未来军用柴油机的目标是使第一环逆转温度在370℃附近变化,以及将油底壳温度控制在205℃左右。
这两种温度比商用柴油机的二倍还要高。
由于温度会加速磨损,对于军用发动机来说,典型的解决措施是安装类金刚石薄膜以及安装相配合的钛酸铁,这些措施预计能成为适用于商用车的发动机技术。
在我们今天所展示的工作中,使该技术商业化是主要目的。
在军用柴油机领域过去的工作中,发展了一种技术:
在气缸内壁上喷涂钛酸铁来改善缸内的摩擦和提高耐磨性。
钛酸铁陶瓷涂层应用于低温凝胶过程。
早期,我们集中于在缸孔配合面上使用钛酸铁涂层,通常是用70%到80%的钼或二硫化钼喷雾喷在活塞环涂层上,再采用Cr2O3进行后处理过程,这项技术在Adiabatics公司已经很成熟。
然而,生产这种活塞环所带来的大量的额外费用使它不能进入市场,因为市场致力于形成合理的最低成本。
因此,在90年代末,我们开始认真考虑在活塞环上镀类金刚石薄膜。
在此,我们要展示如何通过在柴油机上使用类金刚石薄膜来优化摩擦学的运行参数。
关于未来的军用高输出低散热柴油机,还必须考虑到其他的工作.
类金刚石与配合表面的选择
我们最先试验的是商业上大量生产的类金刚石薄膜。
这种薄膜应用于离子镀膜法,也被称作离子镀膜型的类金刚石。
当超出了由脂质酸和多元醇制成的合成润滑剂的临界温度以后,这种膜就会使常规的活塞环涂层上的摩擦大量减少。
两种摩擦的比较如图1a所示。
在本文中,活塞环的二硫化钼涂层被称为基准涂层。
当在钛酸铁缸孔内运行时,很明显,类金刚石薄膜将产生比二硫化钼涂层低得多的摩擦系数。
然而,耐磨性和耐用性成为主要问题。
类金刚石薄膜(4-5微米)与“厚”二硫化钼涂层(0.25毫米)相比非常薄。
本质上,二硫化钼涂层与离子镀膜型的类金刚石薄膜相比有非常低的磨耗率,如图1b所示。
图1a:
两种类金刚石薄膜与二硫化钼涂层的摩擦系数的比较
由于类金刚石薄膜能提供如此低的摩擦系数,所以我们研究了多种类金刚石薄膜,来判断一下是否所有的类金刚石薄膜都相似。
除离子镀膜型的类金刚石薄膜以外,我们还选择了来自北京的双离子束脉冲镀膜型的类金刚石薄膜,中国也称作DIBPAPVD,以及美国供应商使用的阴极电弧非晶碳薄膜,又称作AC。
还介绍了一种激光镀膜型的类金刚石薄膜,又称作LBA。
我们还选择了一种化学蒸汽沉积型的类金刚石薄膜,它是一种低温等离子体增强式射频镀膜型薄膜,又称作PE-CVD。
表1列出了每种薄膜的基本特性。
图1b:
两种类金刚石薄膜与二硫化钼涂层的磨耗率的比较
表1:
各种类金刚石薄膜的特性
液体润滑剂的选择
由于典型的低散热柴油机在极限温度下运行,于是摩擦成为它成功运行的致命要害。
在活塞环行程的第一环逆转点处,接触面温度最高,活塞环停止并开始反向运动,液体润滑剂在此处非常关键。
为了保护接触面,需要一种好的润滑液来提供合适的油膜厚度。
从先前的工作中[5],我们认识到:
润滑油的一个最重要的特性也许就是沉积物行成趋势低。
尤其是在环岸和活塞销处,如果润滑油形成积碳或清漆型沉积物,将导致活塞环或者活塞销粘住。
这些现象将会导致发动机失效,轻者重度失效,重者将造成灾难性的后果。
在我们最初的工作中,我们选择了基本组分由脂质酸和多元醇制成的合成润滑剂,它的临界温度接近350度。
它只含有一种抗氧化添加剂。
这种润滑剂(称作HXL)是美国新泽西州的海特高公司专门为这种镀膜的低散热发动机合成的。
虽然这种减少沉积物形成数量的想法早已有了[6],但是缺少特殊的添加剂可能会产生轴承接触面和凸轮接触面处其它的摩擦问题。
这些问题已经得到处理,但没有在我们的工作中呈现出来。
虽然使用含添加剂最少的润滑油减少了沉积物数量,然而我们所展示的工作有助于进一步减少在低散热强化发动机运行温度时的沉积物生成量。
尽管我们希望使用单一基料的润滑油能解决沉积物的问题,但是我们还关心发动机其它部位受到的影响,其它部位可能需要afullyformulated润滑油。
我们对这些部位进行了检测,但我们没有在本文中论述。
台架试验
台架试验的试验装置如图2所示。
线接触应力是可变的,但开始表示的是预测的活塞环载荷,这一预测值是在低散热高输出柴油机上观测到的。
在此试验台上,要进行一项比较类金刚石薄膜的试验阶段,该阶段的摩擦从室温下开始,直到低散热发动机第一环逆转温度达到最大值为止。
这一步是在额定负载条件下进行(0.757千克每平方毫米)。
最初,摩擦系数很高,但是,随着接触面的不规则处受到磨损,接触面上产生润滑油膜,摩擦系数就会下降。
降低温度同时施加全负荷(1.514千克每平方毫米)。
增加负荷以后,温度又恢复到第一环逆转温度并保持该温度直到试验阶段的末期。
通常,由于负荷增加摩擦就会增加,但增加量会在许可范围内。
当润滑剂的温度达到临界温度时,油膜被破坏,摩擦系数就会达到最大值。
当温度超过润滑油的临界温度时,由于润滑油与接触面之间产生化学反应,接触面上形成边界层,边界润滑条件形成,摩擦开始减少[7]。
台架试验装置的照片
1.缸套涂层(在滚子上)的旋转速度:
160米/分钟
2.线接触附加载荷:
0.757千克/毫米
3.线接触工作载荷:
1.514千克/毫米
4.润滑油进给速率:
2滴/分钟
5.振动10行程/分钟.40毫米/行程
图2:
热磨损摩擦仪实验装置的照片以及运行工况下的示意图
试验矩阵
这项工作的试验矩阵很简单。
以M50580%钼涂层的活塞环作为基准,同时,将每种类金刚石薄膜安装在钛酸铁缸孔涂层上进行试验。
基准数据只有使用路博润公司的fullyformulatedMRI-1润滑油试验获得。
所有的类金刚石薄膜试验使用的润滑油都是HXL基料润滑油。
实验结果中分析了试样和滚子上的摩擦、磨损和沉积物生成情况。
摩擦数据如图3a所示,磨损数据如图3b所示。
图3a:
不同类型的类金刚石薄膜之间的摩擦比较.配合面是钛酸铁凝胶,润滑剂是HXL最低合成基料润滑油
图3b:
不同类型的类金刚石薄膜之间的磨损比较.配合面是钛酸铁凝胶,润滑剂是HXL最低合成基润滑油
很显然,我们得到的某些试验样本存在质量问题或表面黏着问题。
如图4所示已列出了某些故障。
图4:
与处于良好状态的样本相比,使用不同类型的类金刚石薄膜出现的问题
试验结果与分析
在所有情况下,类金刚石薄膜都提供了相当低的摩擦系数。
除了一个双离子脉冲镀膜型类金刚石薄膜以外,也都产生了比原来低的磨损速率,而且LBA型类金刚石薄膜没有足够的粘合强度。
也许这些类金刚石薄膜经过处理后导致薄膜与基面之间粘着性降低。
由于我们没能在适当的时限内获得新的样本,所以这些薄膜没有进行再测验。
所有的类金刚石薄膜都产生了比较低的摩擦效率,然而CVD型类金刚石薄膜表现出最好的耐磨性。
很明显,在活塞环样本的行程逆转点处磨损最严重。
这与缸套-活塞环应用中的第一环逆转温度有关。
从图5中我们可以看到这种出现在逆转点处的特殊的磨损现象。
图5:
在试样逆转点处的磨损
不管是通过视觉观察还是通过图3a提供的磨损速率计算值,都可看出:
CVD型类金刚石薄膜(PE-CVD)的摩擦系数是最低的。
当对图3b的磨损数据进行比较时,说明了PE-CVD型的类金刚石薄膜是与钛酸铁缸孔涂层最匹配的。
使用合成基料润滑剂的DIBPA型类金刚石薄膜产生了最优的磨损效果,然而,由于薄膜分裂脱层产生错误的“非试验”结果,使得它不能再生。
由于这一原因,PE-CVD型类金刚石薄膜被认为是更加符合的材料。
从初期的试验阶段中,我们只能得出这样的结论:
类金刚石薄膜或许并不可靠,因为还存在一些未知的加工问题,或是更为重要的过度磨损问题。
由于类金刚石薄膜很薄(通常不大于2微米),所以磨损问题是非常关键的。
即使类金刚石薄膜表现出非常低的磨损率,使用寿命却很短。
因此,如果开发不出更厚的薄膜,我们就必须消除磨损问题。
润滑剂与添加剂的选择
高分子量的添加剂
现在,我们的重点转向了起决定性作用的润滑油,润滑油的性质将能提高类金刚石薄膜的寿命。
我们选择了市场上能买到的多种润滑剂,并在PE-CVD薄膜和钛酸铁摩擦副上进行了试验。
经过多次试验以后,我们明显地发现:
含有高分子量基料或者添加剂成分的润滑油对类金刚石薄膜的保护效果最好。
含高分子量基料的液体能提供充分的保护,它要么是高重量高粘度的非合成润滑剂,要么就是氟化原油。
高重量高粘度的润滑剂在试验时产生了过多的沉积物。
这是不允许的。
而另一方面,氟化原油似乎燃烧起来非常清洁,但是在任何情况下价格都非常昂贵。
成本很高,甚至大幅提高,使得它不能用在柴油机上。
当处在低散热柴油机的第一环逆转高温(370度)上时,活塞环与缸套的接触面必须依靠润滑剂的解吸附作用或者润滑油中重分子的能力在这一点处形成一层边界润滑膜。
这种油膜能起到保护类金刚石薄膜的作用。
我们解决这一问题的方法就是:
在我们现有的润滑剂中加入一种含氟聚合物或是聚四氟乙烯。
我们试验了许多市场上买到的产品,并清楚地看到:
这些含氟聚合物的使用能形成边界润滑油膜来保护类金刚石涂层,而且能使薄膜有足够高的预期寿命。
该试验是为了优化所需的添加剂量,从而形成充分的边界润滑膜。
图6a和6b提供了一些含氟聚合物添加剂的试验结果。
图6a:
含不同氟聚合物添加剂的润滑剂与专有的类金刚石化合物之间的摩擦比较
图6b:
含不同氟聚合物添加剂的润滑剂与专有的类金刚石化合物之间的磨损比较
与高分子量润滑剂一样,用以保护类金刚石涂层的含氟聚合物也产生了沉积物。
沉积物的量远远少于那些含常规添加剂或石油基的润滑剂所产生的,但也必须解决。
低沉积氟聚合物润滑剂
通过在实验室试验,以及向润滑油添加剂制造商咨询,我们选择了几种不同的清洁剂和分散剂。
我们在润滑剂混合设备中加入许多种添加剂和含氟聚合物基油,但是有一些融入了内部,这是正常的。
设备中产生了大约八种新的专有混合物,我们对这八种新的专有混合物进行了试验。
图7给出了五种最好的混合物的摩擦结果,图8给出了相应的磨损结果。
图7:
混入清洁分散剂包的几种专有含氟聚合物混合物之间的摩擦比较
图8:
混入清洁分散剂包的几种专有含氟聚合物混合物之间的磨损比较
虽然我们用可视量表测量出了沉积物,但是这种最佳专有混合物产生了非常合适的摩擦磨损效果和沉积物形成趋势。
图9将这种最佳混合物产生的沉积物以及类金刚石的状态与最低添加剂润滑油的高分子量制剂进行了相应的比较。
当前的工作正是为了更好地评定这种新润滑油的沉积物形成趋势和抗氧化能力。
图9:
沉积物水平与类金刚石状态的比较.HXL高分子量制剂的高沉积现象(左),最佳含氟聚合物混合物的低沉积现象(右)
小缸径发动机的试验
我们在小缸径的单缸发动机上试验了最佳摩擦磨损副和无杂质的专有氟聚合物润滑剂,这个发动机未经冷却且能显示摩擦情况。
该发动机的测试与先前的发动机测试一致。
[8]
图10a给出了发动机测试装置的图片,图10b描述了隔热设计的示意图,此隔热设计使用的是热障层(TBC)和“气隙”隔热。
我们需要用此隔热系统来提高缸套与活塞环接触面的温度,从而确定润滑剂和摩擦表面的可行性。
在这项测试中,摩擦表面有:
气缸内壁的钛酸铁涂层,活塞裙部、活塞头部以及活塞环上的强等离子镀膜型类金刚石薄膜。
由于沉积物将第一道活塞环粘在环槽里而引起过量的曲轴箱窜气,所以24小时以后试验就停止了。
虽然实验结果有变化,但是,通过使用这次工作中开发的润滑剂和混合物,显示出了在活塞环和活塞裙部上使用PE-DLC型类金刚石薄膜的潜力。
特别地,它可以应用在常规的水冷内燃机上,这些内燃机的温度比军用低散热柴油机的低些。
图10a:
试验台上未冷却的小缸径试验柴油机
图10b:
热障层,材料,“气隙”隔热。
小缸径试验柴油机的设计图
本来,镀在铝活塞裙部的PE-CVD型类金刚石薄膜没有出现任何问题(见图11)。
而活塞环上却产生了不同的问题。
试验中第一道活塞环状况良好,但是中间控油环的前缘出现过度磨损现象(见图12)。
因为我们之前做实验时发现:
活塞环基底对类金刚石薄膜的影响很大,所以试验结果会有所变化。
在试验中我们使用铸铁活塞环,以M2硬化高速钢作为基底。
至于第一道环,由于其铸铁中嵌入了二硫化钼涂层,于是我们尝试了很多个环。
最终测试的第一道环需要在应用PE-DLC之前覆盖一层铬合金。
我们还需要进一步试验来优化类金刚石薄膜的基底。
图11:
24小时试验后,铝活塞裙部的PE-CVD型类金刚石薄膜,类金刚石处于良好状态
总结与结论
从对类金刚石薄膜和润滑剂的研究中,我们能得出许多结论。
具体如下:
1.在润滑和干燥的运行条件下,与常规喷涂二硫化钼的活塞环相比,类金刚石薄膜形成的摩擦系数明显降低。
2.与IB型,AC型,PVD型的薄膜相比,PE-CVD型类金刚石薄膜形成的摩擦和磨损速率最低。
3.当温度大于第一环逆转温度(371℃)时,PE-CVD型类金刚石薄膜仍具有运行能力。
4.当进一步考虑类金刚石薄膜的应用时,磨损成为主要问题。
在活塞环试样行程的逆转点处,高分子量添加剂,比如含氟聚合物,能为类金刚石薄膜提供边界润滑保护。
图12:
经过24小时试验后,PE-CVD型类金刚石顶部的状况以及中间控油环的状况.第一道环状况良好,而中间控油环的前缘出现磨损
5.如果没有高分子量添加剂,预计类金刚石薄膜不能使活塞环拥有足够的磨损寿命,所以不能应用于军用柴油机。
6.除去添加剂包的HXL基润滑剂没有表现出期望的低沉积趋势。
然而在高温下,专有的清洁剂和分散剂能降低沉积物的形成趋势。
7.在本文所述的工作中,我们研发出一种专有的含氟聚合物高温润滑剂,它能形成低沉积趋势。
8.活塞环基底进一步的对照试验,应该能使结果更加完善。
致谢
特别感谢:
中国国家摩擦实验室的金教授和他的团队,海特高公司的TomShaefer,Anatech公司的GeorgeBarr和JohnRoderique。
正是由于他们的帮助,我们才完成了这项工作。
参考文献
1.“DiamondandDiamond-Like-CarbonFilmsfortheTransportationIndustry”,OfficeofTransportationMaterials,U.S.Dept.ofEnergy,ArgonneNationalLaboratory,Argonne,IL,February1992.
2.“StructureandPropertiesofDiamondandDiamondLikeFilms”,R.E.Clausing,Workshopon:
DiamondandDiamondLikeCarbonFilms,Argonne,IL,1992.
3.“AdvancementsinHighTemperatureCylinderLinerandPistonRingTribology”,L.Kamo,R.Kamo,W.Bryzik,M.Mekari,Y.S.Jin,S.H.Li,SAEPaperNo.2000-01-1237,Feb.2000,Detroit,MI
4.“CylinderLinerandPistonRingCoatingsforConventionalDieselEngines”,L.Kamo,R.Kamo,D.Mundy,W.Bryzik,M.Mekari,ASME–ICETechnicalConference,Columbus,IN,1998.
5.“LaboratoryDevelopmentandEnginePerformanceofNewHigh-TemperatureDieselEngineLubricants”,P.Sutor,W.Bryzik,SAEInternationalCongressandExhibition,Detroit,MI,1989.
6.“FrictionandWearPerformanceofLowFrictionCarbonCoatingUnderOilLubrication”,A.Kovalchenko,O.Ajayi,A.ErdemirandG.Fenske,ArgonneNatl.Laboratory,STLEAnnualMeeting,Houston,TX,2002.
7.“ExperimentalTheoreticalModelofWearIntensity”ofHighDynamicLoadCondition,p.193-206,N.F.Dmitrichenko,R.G.Mnatsakanov,P.F.Saad,InternationalUniv.ofCivilAviation,Kiev,Ukraine,S.Danyluk,GeorgiaInstituteofTechnology,“Tribology–TheoryandPractice”,Issn.0208-774year2/98,(158-)Warsaw,Poland.
8.“EvaluationofIonBeamAssistedDiamondLikeCarbon(DLC)CoatingsforLowHeatRejectionDieselEnginePistonRings”,LloydKamo,W.BryzikandM.Mekari,ASME–ICEDiv.SpringConferenceSanAntonio,TX,2000
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 高温 柴油机 活塞环 摩擦 发展