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表面、材料和润滑添加剂技术的影响

W. WONG 1, Simon C. TUNG 2,

(1.麻省理工学院，剑桥,MA02139,美国

2.范德比尔特化工有限责任公司，Norwalk，CT 06856，美国)

摘 要：近来全球呼吁对环境变化和温室气体排放进行控制表明全球环境意识在不断提高，这种意识凸显了对提高汽车发动机效率的新技术任务的重要性，这与一种主要的温室气体—二氧化碳的产生直接相关。减少车辆，动力结构和发动机系统的寄生损失是能量保护的关键组成部分。为了提高发动机效率，包括改进先进的燃烧系统，组件系统设计和处理的许多方法，如减小尺寸，升压和电气化以及废热回收系统。在这些方法中，减小发动机摩擦是关键和性价比相对较高的方法，其已经受到像摩擦学家和润滑工程师的极大关注。在本文中，讨论了与发动机部件摩擦学环境有关的摩擦的基本原理，以及关于开发车辆动力结构技术，表面和材料技术以及润滑剂和添加剂技术对持续摩擦和减少磨损趋势的影响的讨论。关于气候变化的国际协定要求所有工业部门，包括汽车和更广泛的内燃机工业在燃料效率和能源可持续性方面进一步提高，后者包括非公路，发电，船舶和铁路工业 。然而，本文主要关注于减少汽车发动机的摩擦。

该文首先对发动机机械损失和摩擦的常见状况进行阐明，然后是润滑基础这个主题，例如润滑机理。然后依次讨论每个主发动机子系统中的接触表面的润滑。这些子系统包括活塞组件：环组件/衬套，活塞裙/衬套和活塞销/连杆接触件; 连杆和曲轴轴承和阀机构子系统。讨论了来自各种子系统对总摩擦的相对比，其中活塞组件占总摩擦的大约一半。剩余的摩擦来自曲轴，连杆，凸轮轴轴承和气门机构摆动部件。与阀机构振荡部件相比，轴承主要是流体动力学润滑，其特征在于主要是混合/边界润滑。

尽管论文的标题是一节关于新兴动力系统的技术，这种技术包括在汽油和柴油发动机中燃烧，但是也是在清洁和有效推进系统的趋势的背景下给出的。这些正在开发的技术在减少摩擦和寄生损失的影响将通过部件，材料和润滑剂来讨论。这些技术包括汽油直喷，涡轮增压和混合动力车辆，并将为未来的推进系统带来独特的绿色环保机会。这些技术对于满足燃料经济性和减少排放目标至关重要。具体来说，本文将讨论这些新兴技术对未来润滑剂需求和先进摩擦学研究的影响。在这些润滑剂和摩擦学需求之间的联系，其将通过简要描述在包括新兴技术的主要发动机部件中的基本润滑和摩擦过程来说明。

最后，除了新的硬件和材料科学的变化，几种先进的添加剂如先进摩擦改性剂，抗磨添加剂化学品，低粘度润滑剂，以及引入新的粘度指数改进剂都代表可能的摩擦学方法以满足更严格的能源效率要求和环境立法的挑战。作为原始设备制造商（OEM）寻求实现这些目标，硬件和排放系统的变化将给发动机油提出新的要求和更大的压力。同时，发动机的耐久性，性能和可靠性对车辆所有者和操作者是最重要的。本文的最后一节将通过改变表面来讨论发动机减小摩擦和磨损控制的未来趋势，改变表面如减少摩擦的涂层或发动机部件的表面纹理。也将回顾表面涂层或表面纹理对发动机摩擦的影响。此外，原始设备制造商和润滑油配方制造商将需要用新的发动机油技术来响应，以保护发动机，保持排放系统在最佳燃料经济性下工作，同时保持发动机耐久性。简而言之，本文（i）回顾了在内燃机及相关设计考虑的环境下，部件摩擦的特性（ii）强调新兴技术对发动机摩擦和摩擦学变化和要求的影响，特别是对润滑剂和添加剂的影响，(iii)最后讨论了润滑剂添加剂配方和材料表面工程之间的相互作用，以及它们对摩擦，磨损和发动机耐久性的影响。另外将会对在组件设计，材料和表面工程以及先进的润滑剂添加剂配方中协同效果的日益增加的重要性和相互作用充分说明。

关键词：动力结构摩擦学; 汽车润滑油; 添加剂配方; 机械设计; 表面涂层和纹理; 摩擦; 磨损

收到日期：2016年1月06日/修订日期：2016年2月26日/接受日期：2016年2月29日

作者2016年将本文发布于在Springerlink.com开放获取

1 引言

更好的节能和减少温室气体的趋势要求汽车发动机的燃料消耗继续改进。虽然由于发动机摩擦的有用功损失对于现代发动机来说相对较小，但是所有寄生能量损失（包括摩擦）的减少仍然是对总体效率改进的一个有价值的因素。燃料消耗的微小增长，甚至比现有水平提高1％，就是一个重要的成就。改善发动机效率的宏观能量和经济节约是巨大的。润滑和摩擦在节能中起着重要作用。

发动机中有许多活动部件。合适的润滑保持他们在良好的工作状态，延长部件寿命，并且最小化由于摩擦引起的能量损失。许多发动机耐用性和可靠性问题，例如过度磨损，部件卡住和灾难性故障，被认为是基本部件润滑不足的问题。合适的润滑和低摩擦与发动机完整性和良好性能相关，这是对终端用户重要的属性。

近年来，汽车工业在硬件和材料方面经历了革命。推动这些变化是减少排放和改善车辆燃料经济性的全球要求。近年来的主要进展包括（1）在1996年推出第一台汽油直喷式三菱4G9发动机，（2）1997年将丰田普锐斯推向日本市场，（3）1998年在商用车辆中使用Holset VGT TM可变几何（VG）涡轮增压器。这些进展恰好与1994年至1997年美国环境保护局一级政策全面实施。这些进步的速度和幅度已经导致润滑剂在发动机中的使用方式的改变。结果，目前在配制发动机油的方式和使用的添加剂的类型方面发生了显著的技术变化。

燃料经济性的改善是汽车工业最重要的挑战之一。然而，近年来，行业在通过降低客车，卡车和公共汽车的摩擦力来改善能源消耗方面取得了长足的进步[1,2]。具有小型化的涡轮增压，直接喷射火花点火发动机是已经在市场中使用的技术解决方案之一。在柴油发动机的情况下，涡轮增压器必须用于满足严格的排放规定以及燃料经济性改进要求。在这两种情况下，发动机油技术都起着非常重要的作用，以避免市场中的潜在问题。本文将讨论这些技术对未来润滑剂和摩擦学要求的影响。

润滑剂本身是强烈影响润滑部件的润滑状态的多成分流体。各种添加剂在油中提供不同的功能：保持油的粘度的温度敏感性，通过形成表面膜防止磨损，以及通过使表面更光滑来减少固体对固体的摩擦。此外，其它添加剂保持组分表面清洁并且将油的性质保持在可接受的水平内。近年来，在排气流中的润滑剂添加剂衍生的灰分已经成为配备有排放后处理控制系统的先进柴油发动机中的重要问题。发动机设计和润滑剂 - 添加剂配方需要优化，以同时保护发动机和排放控制系统免受灰分，源于油中的硫和磷污染。

2 发动机部件设计及其对燃油经济性和磨损控制的影响

润滑涉及平滑接触表面之间的摩擦过程。 表面之间的润滑剂膜将防止直接的固体与固体接触。固体与固体接触的程度和油膜厚度取决于施加的机械负载，相对速度，表面轮廓，粗糙度，纹理以及润滑剂性质。存在不同类型的润滑条件或状态，其基本原理将被示出。在发动机系统中存在许多接触表面：在活塞组件中，气门系部件，和多个轴承表面。 将检查这些部件中的摩擦的相对量值。

2.1 摩擦分析和能量分布

虽然摩擦力是发动机转速（rev / min）的强函数，但它随发动机负荷[3]变化不大。以给定速度以及给定尺寸的发动机中，增加其功率输出（即增加bmep）是一种典型的将摩擦减小为发动机功输出的百分比的策略。对于通用发动机尺寸和功率输出类别，存在摩擦的相对大小的典型估计; 然而，这些大多数基于经验的估计[4-6]跨越广泛的范围，并且不指向定量的简单分布。

然而，作为所使用的总燃料能量的分数的燃烧发动机（柴油或SI）的摩擦

的典型估计在图1中示出，其中显示机械摩擦约占总燃料能量的4％-15％。 该大致估计反映了使用中发动机的典型状况，在各种操作条件下的总体，并且不适用于独特的极端条件，例如在怠速和非常轻的载荷，其中大部分燃料能量被消耗以克服摩擦，没有净功率输出。现代发动机的热效率（工作输出/燃料使用）在38％-50％之间变化，其中50％是共同的发展目标。因此，机械摩擦通常为发动机功率输出的10％-30％，尽管在空转时或在极端情况下可为100％。

图1 燃烧发动机中的总能量分布[7]

机械摩擦的上述估计与发动机中的总机械损失的其它估计一致，包括除了机械摩擦本身之外的泵送和附件损失，高达发动机输出的总功率（指示）功率的40％[8minus;11]。大多数约75％机械损失，是摩擦损失，虽然泵浦损失在更轻的负载下更重要[12]。

随着来自给定发动机的发动机输出功率增加，摩擦所功率输出的百分比变小。因此，机械效率通常随着发动机负载而增加。摩擦可以是发动机功率输出的一小部分，在高负载下为10％或更小，并且其在轻负载下的相对重要性增加，在部分负载下为30％或更高。

2.2 发动机部件的摩擦分解

排除：进气和排气的流动引起泵送损失。 附件包括冷却剂和润滑剂泵，风扇和可以由发动机直接供能的其它气动系统。这些系统中的损失取决于除了传统的润滑或润滑剂概念之外的参数。根据运行速度和负载，它们占重型柴油机配件的总机械损失的20％-30％，汽油发动机的泵损失30％-50％。虽然重要，但是这些损失不包括在当前关于机械或滑动摩擦的重点讨论中。由于上述排除，产生机械摩擦的发动机的三个主要子系统是： （a）活塞环衬套系统，（b）曲轴和轴承系统，（c）和气门机构系统。这三组之间的摩擦的精确分布取决于特定的发动机，部件设计细节和操作条件。然而，流行的报告结果表明，曲轴系统（主轴承和密封件）比气门机构系统提供大约高50％-100％的摩擦，并且动力缸摩擦大致等于来自组合的阀机构和轴承系统的摩擦。图2表示了在三个主要成分组[7,11,13]中，发动机中机械摩擦的典型分配。接下来将讨论这些部件组中的摩擦和润滑。

图2 柴油机的总机械损失和摩擦的分布[7,11,13]：（a）总机械损失的分布，和（b）摩擦分布。

2.3 活塞组装系统

活塞组件由活塞，活塞环，活塞销，连杆和轴承组成，如图3所示。有三个主要的摩擦和润滑组：（a）活塞裙表面在衬套上上下滑动，（b）环组件的环

图3 活塞组件系统示出（a）活塞裙/衬管子系统，（b）环包/衬管子系统和（c）活塞销/活塞轴承表面。连杆“大端”轴承在曲轴段下。

面表面同样沿着衬套往复运动，（c）支承表面在肘销和连接杆中旋转运动。轴承中的摩擦和润滑类似于曲轴主轴承中的摩擦和润滑，因此将在下一节中讨论。大多数活塞组件摩擦来自（i）活塞裙/衬里相互作用，或（ii）环包/衬里相互作用。严格地说，当环径向地滑动抵靠环所在的环槽内表面时，还存在润滑和摩擦。然而，环槽相互作用仅是间歇的，并且对能量损失没有显着贡献，而是环槽磨损问题。

2.3.1 活塞-裙部-衬套子系统

由于连杆将活塞往复运动传递到旋转曲柄运动的运动学，侧向力作用在活塞上，造成活塞在气缸内的所谓次级运动。活塞二次运动主要导致（a）当活塞围绕活塞销旋转时活塞的可变轻微倾斜，(b)当活塞从衬套的一侧（小推力或反推力侧）滑动切换到另一侧（大推力或推力侧）上的滑动时，产生活塞的冲击力（通常称为活塞撞击）。活塞倾斜在很大程度上受到裙部轮廓的影响，而活塞和衬套之间的操作间隙以及它们之间的油膜厚度的厚度显著影响侧面冲击力。尽管活塞环提供了重要的密封功能，但是活塞上的侧向力主要由活塞裙支撑。环在其凹槽中相对自由地移动，并且除了通过环槽表面上的摩擦之外，不对活塞施加很大的侧向力。

图4 活塞裙柔性/刚度对活塞裙-衬套摩擦的影响[14]。

活塞-裙部-衬套子系统中的润滑机制和摩擦损失显著地受到活塞二次运动的影响。正如人们所期望的，当边界润滑和混合润滑方式中存在固体 - 固体接触时，活塞裙与衬套摩擦较高。期望轴向桶形裙部轮廓提供流体动压力以在维持流体动力学润滑中将裙部与衬套充分分离。然而，当活塞速度在活塞端部向上或向下冲程时接近零时，挤压膜阻尼作为基本机构保持为合适的油膜，通常不足以避免固体 - 固体接触。

控制活塞裙-衬套摩擦的重要参数包括表面特性，例如裙部上的纹理或波纹

图案和表面粗糙度；裙部设计细节如椭圆度和轴向轮廓，以及润滑剂厚度和流变性。活塞裙本身被认为是柔顺的和柔性的，响应于机械负载例如油膜压力。机械变形在预测活塞裙-衬套润滑方面增加了挑战。据报道[14]，更柔顺的裙部在裙部和衬里表面之间提供更大的间隔，从而降低摩擦，如图4所示，其中裙部的柔性变形（对施加的负载的变形响应）减小到零（刚性裙部）或者使其屈服几倍。

图5[15]说明了在活塞 - 裙边摩擦中增加粘度的概念上典型的效应，其中对于具有大量边界润滑的裙部设计，随着油粘度的增加，流体动力学摩擦增加并且边界摩擦而减小。在这种情况下，较厚的油保持较大的活塞裙-衬套分离并且连续不断地减少摩擦，然而如图5所示，在具有较少边界润滑的不同的裙部设计中，增加油粘度将增加超过最佳点的摩擦，因为水力动力润滑变得主导，并且较低的粘度将减小摩擦。

图5 计算机计算[15]显示油粘度对活塞裙/衬套摩擦的影响，说明了对混合/边界润滑程度的依赖：（左）显着的混合边界润滑; （右）中等混合边界润滑。

图6 计算[14]显示18升天然气发动机在1,800转/分满载负荷时，足够的上游油膜厚度（供油）对活塞 - 裙边摩擦的影响。

减少活塞裙-衬套摩擦的关键在于保持裙部的流体动力学润滑。在裙部有足够的油供应的情况下，影响边界润滑的裙部轮廓设计和表面特性的大多数其它问题将消失或减少。

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