1.2 新型活塞裙部涂层

为了进一步提高内燃机的效率，就必须降低机械损失和摩擦损失。以新型2.0 L涡轮增压缸内直喷式汽油机作为参考基准，则可供使用的有效机械功占总耗能的37%，而总能耗的25%消耗于摩擦和传动辅助设备的机械损失，其中摩擦起着重要的作用，因为仅活塞和活塞销的摩擦就占到摩擦和辅助设备总能耗的17%，因此对由活塞、活塞环和活塞销组成的摩擦系统零部件的要求越来越高。除了确定合适的活塞间隙和裙部几何形状之外，已证实活塞裙部涂层是达到优化摩擦功率和减少磨损这两种紧密相关目标的非常有效的措施，为此为汽油机活塞裙部开发了一种耐久性与发动机使用寿命相同的涂层，它们能降低活塞裙部与气缸工作表面之间的摩擦。

这种涂层在使用寿命和运行效率方面的作用是使得活塞能承受更高的热负荷和机械负荷，因为至今的使用证实可靠的活塞裙部涂层可能已达到其耐久性的边缘，随着缸内直喷式汽油机小型化的发展，增压度明显提高，越来越高的负荷也使得活塞裙部涂层必须进行革新，必须开发出能满足更高要求的具有高工作能力的活塞裙部新涂层，其中专门为缸内直喷式汽油机选择了与柴油机不同的配方，因为虽然这两种热力机械的运行条件越来越趋于相似，但是仍各自具有特殊的要求，它们使得涂层的匹配显得更为重要。

在缸内直喷式汽油机上，当未燃烧的燃油稀释气缸工作表面上的机油时会对摩擦产生不利的影响，因而发生固体接触的混合摩擦状况的概率增大，自然也就会引起活塞环/活塞裙部与气缸工作表面这对摩擦副之间的摩擦功率增加。即使在具有起动-停车功能的汽车上，发动机重新起动时的混合摩擦阶段的次数也会增多。除了效率损失之外，也意味着磨损增大，这会损害活塞的使用寿命，同时也会对活塞的噪声辐射产生不利的影响。

在增压缸内直喷式汽油机（T-GDI）上，爆发压力进一步提高（目前≥130 bar），因而活塞的侧向力也更大，会对摩擦功率和磨损产生不利的影响，在这方面增压缸内直喷式汽油机趋向于接近柴油机的苛刻运行条件。对于当前的要求，Federal-Mogul公司命名为Ec-oTough（“经济、韧性”之意）的标准涂层系统在汽油机上的应用已被证实是可靠的，但是在增压缸内直喷式汽油机负荷非常高的情况下，这种专用涂层在不久的将来也可能达到其强度的极限范围，因此该公司开发了名为“新一代EcoTough”的新涂层。其涂层呈棕红色（图1-10，见彩插），从外表上就能立即识别出来，其颜色与其他典型的深灰色裙部涂层不同。这种同样采用可靠的丝网印刷法涂敷的新型裙部涂层由一种含有金属氧化物成分加强和镶嵌固体润滑剂颗粒的树脂系统组成，而涂层的厚度力求达到15μm。图1-11（见彩插）示出了这种新型裙部涂层的金相照片，可以清晰地看出各种不同的成分。

图1-10 呈棕红色的新一代EcoTough活塞裙部涂层

这种新一代涂层配方使活塞裙部涂层，在摩擦功率较低的同时提高了抗磨损性能。图1-12给出了新一代EcoTough活塞裙部涂层的磨损和摩擦与市场上广泛应用的标准裙部涂层的试验结果的比较。与后者相比，这种新型裙部涂层在磨损最多减小40%的同时，即使在极端条件下仍具有明显更高的耐久性，而且还能为基础发动机的效率节省约15%的摩擦功率。

图1-11 显示新一代EcoTough裙部涂层不同成分的显微金相照片

广泛的试验证实了新型裙部涂层的这些特性。为此，首先在机外试验台试验中查明涂层的磨损状况，然后再在着火发动机冷起动运转中验证可望行之有效的涂层方案。试验所应用的发动机的特点是具有极其苛刻的摩擦学条件：配合间隙很小而气缸工作表面又非常粗糙，这样的摩擦特性是在一台浮动缸套发动机（Floating-Liner-Motor）上实现的。

图1-12 新一代EcoTough裙部涂层的磨损和摩擦与市场上广泛应用的标准裙部涂层的比较

此外，在开发和验证进程中，涂层系统还必须进行一种试验，在这种试验中涂层被人工预先损坏，并紧接着用强力的高压机油喷束冲击（机油喷射试验），涂层在铝基质上的黏合状况仍显示出良好的状态，即使涂层已被预先损坏，但仍然能经受得住强力的高压机油喷束的冲击。这种试验用数值确定了裙部涂层的附着力和黏合性能。由于涂层应用于活塞裙部是采用全自动大量生产工艺（图1-13）进行的，因而能低成本地获得这些磨损和摩擦方面的优点，因而无论是从成本还是其特性而言，具有这种裙部涂层的活塞已获得汽车制造商的确认。

图1-13 涂敷活塞裙部涂层的丝网印刷法

数值模拟对于开发裙部涂层特别是确证其运行性能起到了很大作用。这种模拟的任务自然是优化活塞的结构，例如结构轻量化以及减小压缩高度，但是模拟方法同样也有助于评估试验结果：在新型涂层进行发动机试验之前，先计算所应用的1.6 L缸内直喷式汽油机活塞裙部的侧压力，这样便于识别易于产生磨损的高接触压力的运转范围，就能有针对性地进行活塞的运转试验。图1-14 表明运转后的活塞裙部涂层即使在高接触压力区域也看不出有明显的磨损。这种能力，尤其是无损伤地承受局部高单位面积压力的能力，是高负荷发动机活塞裙部与气缸工作表面抗磨损性能的重要前提条件。

图1-14 接触压力模拟计算与在1.6L缸内直喷式汽油机上运转试验后的活塞裙部涂层的比较