发动机节能减排与可靠性关键问题.ppt

发动机节能减排与可靠性关键润滑问题 张俊彦中科院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室 2010年6月长春 内容提纲 背景与意义燃油经济性技术关键润滑问题固体润滑技术碳薄膜润滑 背景和意义 能源短缺 气候变暖 节能 减排 石油 煤炭 减排40 GDP 发动机 节能减排与可靠性 燃油经济性 自主知识产权 背景和意义 InternationalEnergyAgency AdvancedMaterialsforTransportationApplicationCommittee ImplementaryAgreement 中国委员张俊彦 发动机先进材料 固体润滑材料与技术 节能减排与可靠性 国际能源署 机械损失功率 一汽集团道依茨1013发动机 背景和意义 背景与意义 发动机燃烧功 燃烧不充分 摩擦功耗 40 增加排放降低效率 振动噪音降低效率 控制喷油燃烧充分 减小摩擦振动噪音 固体润滑技术 节能减排与可靠性 燃油喷射系统 燃油经济性技术 涡轮增压直接喷射单元 燃油经济性技术 高压共轨喷油器涂层部件 高压控制活塞 喷油嘴针阀 技术要求最高喷射压力1800bar 最小响应时间 0 3ms 偶件配合间隙1 5 1 m 高压腔清洁度 0 3mg 燃油适应性 HFRR 800 m 喷油嘴头部耐温 370 B10寿命80万公里 喷油嘴头部 关键润滑问题 关键润滑问题 传统润滑油1 难以取得突破性进展2 不能解决高压共轨喷油系统等精确控制系统的润滑问题传统表面处理 没有重视润滑性能 1 氮化物表面硬化2 电镀六价铬镀层 需要低摩擦 长寿命精确控制润滑技术 燃油系统 喷油 进气等系统 摩擦损耗 摩擦副 LubricantHistory 固体润滑技术 1990 2000 10 3 10 2 10 1 1980 Teflon MoS2 a C NanostructureMoS2 FrictionCoefficient a C H ULTRALOWFRICTION LOWFRICTION SUPERLOWFRICTION Graphite EvolutionofLow frictionMaterialsOverLast30Years C DonnetandA Erdemir Surf Coat Technol 180 181 76 2004 固体润滑技术 碳材料 碳薄膜润滑 J Robertson Mater Sci Eng R37 129 2002 DLC Diamond likecarbon 碳薄膜润滑 Diamond likecarbonfilms Appearance FromSamsung 碳薄膜润滑 DLC薄膜的应用 碳薄膜润滑 NissanDLC应用 碳薄膜润滑 类富勒烯碳薄膜结构与性能 碳薄膜润滑 类富勒烯碳薄膜结构与性能 碳薄膜润滑 FrictionandwearbehaviorsofDLCfilmagainstSi3N4ballatdifferentloadinair a frictioncoefficientofDLCfilmasafunctionofrubbingcyclesatdifferentload b wearrateandaveragefrictioncoefficientofDLCfilmatdifferentload Theloadinfluenceonthetribologyinair SxA W 碳薄膜润滑 DLC Ti DLC Ti DLC Ti TiC DLC 与金属基体具有良好结合力的DLC薄膜 碳薄膜润滑 Highfilm substratebondingstrengthwithstainlesssteel 40NFrictioncoefficientinairwithSi3N4ascounterpart 106cyclePassthrough10 000kilometerplatformtest Anti wearcoatingforDMEenginepiston 类富勒烯碳薄膜结构与性能 碳薄膜润滑 2010年STLE ASME联合国际摩擦学会议 2010年10月 美国 纳米摩擦学与微机电系统相关材料国际会议 2010年5月 新加坡 美国阿岗国家实验室 2007年9月 美国 第63届STLE年会 2008年5月 美国克利夫兰 第一届国际DLC标准研讨会 2008年10月 韩国济州岛 韩国科学技术研究院 2008年10月 韩国 第一届国际纳米结构与纳米材料会议 2009年4月 印度 第八届国际玻璃陶瓷涂层会议 2009年6月 加拿大温哥华 第83届国际胶体与表面化学会议 2009年6月 美国纽约 邀请报告 国家自然科学基金委 1 液相法制备类金刚石纳米复合薄膜及其功能特性研究 2006 2008 50572108 27万元 2 氮气氛溅射石墨法沉积DLC C2N薄膜的结构 电学及摩擦学特性研究 2008 2009 50710041 中俄国际合作交流项目 9万元 3 碳膜 有机复合纳米结构薄膜摩擦学 2009 2012 50823008 140万元 4 类金刚石薄膜类富勒烯纳米结构与摩擦学性能的相关性 2010 2012 50975273 38万元 科技部863项目 纳米结构复合类金刚石薄膜空间润滑材料 2008 2010 2007AA03Z338 经费97万元 中科院 百人计划 引进国外杰出人才 纳米尺度薄膜与材料界面特性 经费270万元 前期课题支持 研究策略 所有发动机摩擦副需要良好润滑 低摩擦 长寿命 高压共轨喷油系统需要精确润滑 低摩擦 可靠性 不同工况条件摩擦副需要不同润滑材料 都是碳薄膜 固体润滑碳薄膜与燃油 润滑油的适配性燃油 润滑油对固体润滑碳薄膜的腐蚀性碳薄膜的结合力 硬度 弹性 抗腐蚀性 摩擦磨损性能 关键 迫切需求 高压共轨喷油系统 进气系统优先考察的选项 碳薄膜结合力 摩擦磨损性能碳薄膜与柴油的适配性和腐蚀性能 目标定位 提高自主品牌汽车的节能 减排和可靠性关键技术 发动机摩擦系统用新型润滑材料技术启动项目 基于汽车节能减排的摩擦学技术开发和应用研究 发动机关键零部件表面强化与润滑膜沉积材料技术 研究平台 技术应用 实验室主任 李骏 一汽技术中心主任 副主任 张克金 一汽技术中心 张俊彦 兰州化物所 关键问题 科学问题 1 低摩擦 长寿命固体润滑薄膜的设计构筑原理 2 表面界面结构对边界润滑的影响机制 关键技术 1 低摩擦超弹性润滑薄膜结构的可控制备方法 2 界面结构与润滑特性精确控制技术 以Si Ti Cr等作为过渡层 提高钢基体材料与碳薄膜的结合力 以类富勒烯纳米结构设计与构筑减小碳薄膜的内应力 利用自行研制的高功率高频脉冲磁控溅射与PECVD沉积系统制备厚度均匀 圆度公差小的低摩擦 长寿命碳薄膜 以一汽集团技术中心为评价平台 以国际合作为智力 经验辅助 实现由实验室研究成果向台架试验 整车装配的跨越式技术突破 研究方案 研究内容 研究内容 1 超低摩擦类富勒烯碳膜结构与性能演变 2 液体环境下微纳界面结构的润滑特性 3 固体润滑薄膜干摩擦与润滑环境适应性 创新与突破点 1 类富勒烯结构超低摩擦碳薄膜在发动机电控喷油系统的应用 2 致密碳薄膜的高功率高频脉冲磁控溅射 PECVD制备方法 2010年08月 12月碳基薄膜在电控喷油系统柱塞 凸轮轴 气门挺柱 活塞环等表面的均匀 致密 圆度工艺参数筛选与确定 2011年01月 06月碳基薄膜在电控喷油系统柱塞 凸轮轴 气门挺柱 活塞环等表面的高结合力过渡层 梯度结构工艺确定 低摩擦 长寿命性能评价与调控 2011年07月 12月应用台架试验与整车运行评价2012年01月 07月碳基薄膜在电控喷油系统柱塞 凸轮轴 气门挺柱 活塞环等表面的整车装配 研究计划 研究目标 技术目标 硬度 纳米压痕硬度介于15 25GPa 硬度过高不利于达到低摩擦 长寿命 结合力 与不锈钢的结合力 60N 粗糙度 AFM测试的厚度为 1 m的薄膜表面粗糙度