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汽车发动机摩擦和表面润滑趋势影响的概述 - 表面，材料和润滑油添加剂技术的影响
Victor W. WONG, Simon C. TUNG
1.美国马萨诸塞州麻省理工学院，剑桥，马萨诸塞州02139，美国
2.范德比尔特化学制品LLC诺沃克，CT 06856，美国
收到日期：2016年1月6日 修订日期：2016年2月26日 接受日期：2016年2月29日
copy;作者2016年。本文发表在Springerlink.com开放获取
摘要：全球环境意识日益增强，最近世界各地开始出现关于控制气候变化和温室气体排放的呼声，提高汽车发动机的效率，直接关系到二氧化碳（一种主要的温室气体）的产生。减少车辆的寄生损失，这是动力系统和发动机系统能量提升的关键组成部分。提高发动机效率的方法包括先进燃烧系统的改进，部件系统设计和处理，如尺寸的减小，增压，电气化以及废热回收系统等。在这些方法中，发动机摩擦的减少是关键且相对成本有效的方法，这也已经引起摩擦学家和润滑油润滑工程师的重视。本文对摩擦学环境下发动机部件摩擦的基本原理进行了综述，并讨论了车辆动力技术、表面和材料技术的发展对发动机部件中摩擦的影响，以及润滑油和添加剂技术在减少摩擦和磨损方面的作用。《国际气候变化协定》要求所有工业部门(包括汽车行业和更广泛的内燃机行业)的燃料效率和能源可持续性得到进一步提高，后者包括非公路、发电、海运和铁路等行业。本文主要研究了汽车发动机的摩擦减量问题。
本文首先对发动机机械损耗和摩擦的常用描述进行了介绍，接着是讨论了关于润滑系统等润滑基础的话题。然后依次讨论了各主要发动机子系统的接触表面的润滑情况。这些子系统包括活塞总成：环套/衬套、活塞裙/衬套、活塞销/连杆触点；连杆和曲轴轴承；气门机构子系统。讨论各子系统对总摩擦力的相对贡献，活塞-装配对总摩擦力的贡献约为总摩擦力的一半。其余的摩擦来自曲轴，连杆，凸轮轴轴承和阀列振动部件。轴承主要采用流体动力润滑，阀列振动部件与之相反，它属于混合/边界润滑系统。
尽管该论文的标题是关于新兴的动力系统技术——包括汽油和柴油发动机燃烧的技术——也是在清洁和高效推进系统的趋势背景下提出。借助组件、材料和润滑油设计等开发的新技术对减少摩擦和寄生损耗的影响将在文中被讨论。这些技术包括汽油直接喷射(GDI)、涡轮增压和混合动力汽车，它们将为未来的推进系统创造出独特的绿色（清洁）环境机会。这些技术对于满足燃料经济性和减少排放目标至关重要。具体地说，本文将讨论这些新兴技术对未来润滑油需求和先进摩擦学研究的影响。润滑剂和摩擦要求之间的联系将通过描述包含新兴技术在内的主要发动机部件基本润滑和摩擦过程来进行说明。
最后，除了硬件和材料科学方面的新变化之外，先进的摩擦改进剂，抗磨添加剂化学品，低粘度润滑剂以及引进新型VI改进剂等先进添加剂都代表了可能的摩擦学解决方案，以满足更严格的能效要求和环境立法。随着原始设备制造商（OEM）寻求实现这些目标，硬件和排放系统的变化将对发动机油的研发提出新的要求，施加更大的压力。与此同时，发动机的耐用性，性能和可靠性对于车主和操作人员来说至关重要。本文的最后部分将讨论通过表面改性（如减摩涂层或发动机部件表面纹理）减少发动机摩擦和磨损控制的未来趋势，并将评述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需要采用新型发动机润滑油技术来保护发动机，使排放系统保持最佳燃油经济性，同时保持发动机的耐用性。
简言之，该论文（i）评述了内燃机环境中部件摩擦的特性和与之相关的设计因素；（ii）阐述了新兴技术对发动机摩擦和摩擦学变化和要求的影响，特别是润滑剂的影响；（iii）讨论了润滑油添加剂配方与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。这将充分说明部件设计、材料、表面工程的协同进步与先进的润滑油添加剂配方之间的相互影响及重要性与日俱增。
关键词：动力总成摩擦学；汽车润滑油；添加剂配方；机械设计；表面涂层和纹理；摩擦；耐久性
1介绍
更节能和减少温室气体排放的趋势要求汽车发动机的燃料消耗量不断提高。尽管现代发动机由于发动机摩擦而造成的有用功损失相对较小，但包括摩擦在内的所有寄生能量损失的减少仍然是整体效率改善的重要贡献。燃油消耗小幅增长，即使比现有水平高出1％，也是一项重要成就。发动机效率的提高带来的宏观能源和经济节约是巨大的。润滑和摩擦在节约能源方面发挥着重要作用。
发动机中有许多运动部件。适当的润滑使它们保持良好的工作状态，延长部件使用寿命，并最大限度地减少因摩擦造成的能量损失。许多发动机的耐久性和可靠性问题，例如过度磨损，部件咬死和灾难性故障，都是由于主要部件的润滑不充分造成的。适当的润滑和降低摩擦关系到发动机的完整性和良好的性能，这对用户来说是重要的。
近年来，汽车行业在硬件和材料方面经历了一场革命。推动这些变化的是减少排放和改善车辆燃油经济性的全球要求。近年来的主要进展包括：
(1)1996年推出首款汽油直喷三菱4G9发动机；(2)1997年将丰田普锐斯引入日本市场；(3)1998年在商用车辆中使用Holset VGTtrade;可变几何（VG）涡轮增压器。这些进展与1994年至1997年期间美国环境保护署一级政策的全面实施一致。这些进展的速度和幅度之快导致润滑油在发动机中的使用方式发生了变化。因此，现在的重大技术主要在于机油的配方和使用的添加剂的种类变化。
燃油经济性的提高一直是汽车行业面临的最重要挑战之一。然而，近年来，通过降低乘用车，卡车和公共汽车的摩擦力，该行业在提高能源消耗方面取得了重大进展[1,2]。小型化的涡轮增压直喷式火花点火发动机是市场上使用的技术解决方案之一。在柴油发动机中，涡轮增压器必须满足严格的排放法规以及燃油经济性改进要求。在这两种情况下，发动机机油技术都扮演着非常重要的角色，以避免市场上潜在的问题。本文将讨论这些技术对未来润滑剂和摩擦学要求的影响。
润滑剂本身是一种多组分流体，对润滑部件的润滑状况有很大的影响。各种添加剂在油中提供不同的功能：保持油粘度的温度敏感性，通过形成表面膜来防止磨损，并通过使表面更光滑来减少固体与固体之间的摩擦。此外，其他添加剂可使组件表面保持清洁并将油性保持在可接受的水平内。近年来，排气流中的润滑油添加剂衍生灰已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。发动机设计和润滑油添加剂配方需要进行优化，以同时保护发动机和排放控制系统免受源自油中的灰，硫和磷的污染。
2发动机部件设计及其对燃油经济性和磨损控制的影响
润滑包括平滑接触表面之间的摩擦过程。表面之间的润滑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载荷，相对速度，表面轮廓，粗糙度，纹理以及润滑剂性质。不同类型的润滑条件或制度的基本原理将会予以说明。发动机系统中有许多接触表面：活塞组件，阀门组件和多个轴承表面。这些部件中的相对摩擦程度将会被检验。
2.1摩擦分析和能量分配
虽然摩擦力受发动机转速（转/分钟）很强的影响，但其与发动机负荷直接变化关系较小[3]。通过给定速度下，增加给定尺寸发动机的功率输出（即增加平均有效压力）的方法是减少发动机功率输出百分比的典型策略。常见发动机尺寸和功率输出级别的摩擦相对大小有典型的估计值； 然而，这些主要以经验为基础的估计[4-6]具有广泛的范围，并没有定量地指出简单的分布。
然而，在燃烧发动机（柴油或SI）的典型摩擦系数估计值中，如图1所示[7]，机械摩擦力约占4％-15％ 的总燃料能量。这种一般性的估计反映了典型的使用中发动机状况，在各种运行条件下的总体情况，并且不适用于特殊的极端情况，例如在空载和非常轻的负载下，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（功率输出/使用燃料）在38％-50％之间变化，其中50％是一个常见的发展目标。因此，机械摩擦力通常为发动机功率输出的10％-30％，尽管在空转在极端情况下机械摩擦可能为100％。
机械摩擦的上述估计与发动机总机械损失的其他估计相一致，除发动机机械摩擦本身之外，还包括泵送和附件损失，总共能达到发动机总输出功率的40％[8-11]。大约75％的机械损失是摩擦摩擦，尽管在较轻的负载下，相对泵送损失变得更加显著[12]。
随着来自给定发动机的发动机功率输出增加，摩擦力以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。摩擦力可能只是发动机功率输出的一小部分，在高负载时10％或更低，其相对重要性在轻载时增加，在部分负载时为30％或更多。
图1燃烧发动机总能量分布[7]
2.2发动机部件摩擦损坏
排除情况：泵送损失是由进气和排气流量造成的。附件包括冷却液和润滑油泵，风扇以及其他可直接由发动机供电的气动系统。这些系统的损耗取决于传统的润滑或润滑剂概念以外的参数。它们占重型柴油机配件总机械损失的20％-30％，以及汽油机泵吸损失的30％-50％，具体取决于运行速度和负载。虽然重要，但这些损失不包括在当前关于机械或摩擦的重点讨论中。在上述例外情况下，引起机械摩擦的发动机的三个主要子系统因此是：(a)活塞环-衬套系统，(b)曲轴和轴承系统，(c)气门机构系统。这三组之间摩擦的确切分布取决于特定的发动机，部件设计细节和运行条件。然而，普遍的研究结果表明，曲轴系统（主轴承和密封件）比气门机构系统的摩擦高出大约50％-100％，并且动力缸摩擦大致等于气门机构和轴承系统的组合。图2显示了三种主要部件组中机械摩擦的典型分区[7,11,13]。接下来将讨论这些组件组中的摩擦和润滑。
图2柴油机总机械损失和摩擦的分布[7,11,13]：(a)总机械损失分布；(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。主要有三个摩擦和润滑组：(a)活塞裙部表面在衬里上下滑动，(b)环形组件的环面表面同样沿衬套往复运动，(c)在肘节销和连杆中的旋转运动中的支承表面。轴承的摩擦和润滑与曲轴主轴承的摩擦和润滑相似，因此将在下一节讨论。大部分活塞组件摩擦来自(i)活塞裙/衬垫相互作用，(ii)环形组装/衬垫相互作用。严格地说，当环径向滑动抵靠环所在的环形凹槽的内表面时，也存在润滑和摩擦的情况。然而，环槽相互作用只是间歇性的，并不会显著影响能量损失，而是环槽磨损问题。
图3活塞组装系统示出了(a)活塞裙/衬套子系统，(b)环形衬套/衬套子系统和(c)活塞销/活塞轴承表面。曲轴截面下的连杆“大端”轴承。
2.3.1活塞裙边衬里子系统
由于连杆将活塞往复运动传递给旋转曲柄运动的运动学特性，因此侧向力横向作用在活塞上，引起活塞在气缸内的二次运动。活塞的二次运动主要是由于：(a)当活塞围绕活塞销旋转时，活塞发生轻微的倾斜；(b)活塞从一侧向上滑动时活塞的冲击力，通常称为活塞冲击（轻微推力或反推力侧）在衬套的另一侧（主推力或推力侧）上滑落。活塞倾斜在很大程度上受裙形轮廓影响，而活塞和内衬之间的操作间隙以及它们之间的油膜厚度厚度显著影响侧面碰撞力。尽管活塞环提供了重要的密封功能，但活塞上的侧向力主要由活塞裙支撑。这些环在它们的槽中相对自由地运动，除了环槽表面上的摩擦以外不会在活塞上施加很大的侧向力。
活塞-裙边-衬里子系统的润滑状态和摩擦损失受到活塞次运动的显著影响。 正如人们所想的那样，当在边界润滑和混合润滑状态下存在固体-固体接触时，裙衬摩擦更高。预计轴向桶形裙部轮廓提供流体动压力以在保持流体动力学润滑的情况下将裙部与衬套充分分离。然而，当活塞速度接近于零时，活塞在上下行程上行进时，挤压膜阻尼仍然是保持合理油膜的基本机制，通常难以避免固体-固体接触。
控制活塞裙衬摩擦的重要参数包括表面特性，例如裙边的纹理或波纹图案和表面粗糙度；裙子设计细节，如椭圆度和轴向轮廓，以及润滑剂厚度和流变性。
考虑到机械载荷如油膜压力本身，活塞裙被认为是柔性的并且具有兼容性的。机械变形在预测裙边衬里润滑方面增加了挑战。据报道[14]，如图4所示，更柔顺的裙部提供了裙部和衬里表面之间更大的分离，从而降低了摩擦，其中裙部的柔性（对施加载荷的变形响应）减少到零（刚性裙部）或更多润滑。
图5[15]说明了在活塞裙摩擦中增加粘度的典型效果，其中流体动摩擦增加并且边界摩擦随着具有相当数量的边界润滑的裙部设计以致油粘度的增加而降低。 在这种情况下，较厚的油层可保持较大的裙边衬垫分离并始终减少摩擦。然而，在图5中，在具有较少边界润滑的不同裙部设计中，增加的油粘度会增加并超过最佳点的摩擦，这是因为流体动力学润滑成为主导，并且较低的粘度会降低摩擦。
减少活塞裙衬摩擦的关键在于保持裙部的流体动力润滑。通过向裙部提供足够的油供应，大多数影响边界润滑的裙形轮廓设计和表面特性的其他问题将消失或减少。这在图6中示出，从中能看出[14]可以通过主要减小衬套和裙表面之间的边界接触来减小活塞裙摩擦，这可以通过向裙部提供充足的油供应来实现。
图4活塞裙的柔韧性/刚度对裙边摩擦的影响[14
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