提高热效率是内燃机发展的核心目标之一。除了燃烧系统优化、附件电气化、空气系统优化、余热回收等技术外,减少内燃机摩擦损失也是提高内燃机热效率的有效途径。类金刚石(Diamond-like carbon,DLC)它是一种耐磨性优异、摩擦系数极低的材料,可以减少内燃机的摩擦损失,提高热效率。目前,日产、康明已经对DLC对涂层在内燃机中的应用进行了大量的研究,并将其作为提高内燃机热效率的重要前瞻性技术。DLC性能以及DLC涂层可以提高内燃机的热效率。
DLC基本介绍类金刚石薄膜是一种亚稳态非晶材料,主要由碳原子组成。部分碳原子排列在类似金刚石的结构中,部分碳原子排列在石墨的结构中。DLC耐磨性好,摩擦系数低(一般低于)0.2),摩擦系数随制备工艺和膜中成分的不同而变化,如下表所示。DLC薄膜可分为非晶碳七类(a-C)、四面体非晶碳(ta-C)、金属与非晶碳混合(a-C: Me)、含氢非晶碳(a-C:H)、四面体含氢非晶碳(ta-C:H)、含氢非晶碳的金属合(a-C:H: Me)、改性非晶碳(a-C:H:X)。添加金属元素可以降低其摩擦系数H能提高润滑效果。传统硬膜的摩擦系数一般在0.4以上,DLC膜在摩擦系数上有很大的优势。
DLC涂层对阀门机构的影响测量不同涂层阀柱的摩擦扭矩,如下图所示。试验结果表明,带DLC涂层阀机构可以显著降低不同发动机转速下的摩擦扭矩,从而减少摩擦损失。与无涂层柱的阀门机构相比,采用DLC(ta-C)涂层技术可使摩擦扭矩降低45%左右。
DLC涂层对活塞环摩擦性能的影响与镀铬和活塞环摩擦性能平台进行比较DLC涂层技术对气环和油环摩擦性能的影响。试验结果表明,采用镀铬气环和油环DLC涂层技术可以降低气环和油环之间的摩擦。DLC就涂层气环而言,0 deg 附近摩擦改善效果明显;对DLC180 deg?360 deg和-360 deg—180 deg改善摩擦的效果更为明显。
DLC涂层对活塞性能的影响由于DLC涂层能有效降低磨损,延长摩擦副的使用寿命。因此,缸套可以与气缸集成,并完全使用DLC涂层铝基底材料,更换原铸铁缸套,减轻重量约5%;活塞和缸套DLC膜涂层可降低摩擦系数20%,提高传热性能,较终提高发动机油耗2%-3%左右。
结论:自诞生以来,类金刚石膜因其优异的性能而受到广泛关注。其良好的耐磨性和低摩擦系数对提高内燃机的摩擦性能有显著影响。它是提高内燃机热效率的重要涂层材料。
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