内燃机DLC涂层超低摩擦技术

提高热效率是内燃机发展的核心目标之一，除燃烧系统优化、附件电动化、空气系统优化、余热回收等技术外，降低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）是一种具有优异耐磨性和极低摩擦系数的材料，能降低内燃机摩擦损失，提高热效率。目前，日产、康明斯等国际知名公司已对DLC涂层在内燃机上的应用开展了大量研究，并将其作为改善内燃机热效率的重要前瞻技术，因此，本文将介绍DLC性能以及DLC涂层在改善内燃机热效率方面的效果。

DLC基本介绍
类金刚石薄膜是一类主要由碳原子组成的亚稳态非晶材料，其部分碳原子以类似金刚石的结构排列，而部分碳原子则以石墨的结构排列。DLC具有优异的耐磨性、低摩擦系数（一般低于0.2），其摩擦系数随制备工艺的不同以及膜中的成分的不同而变化，如下表所示。DLC薄膜可分为七类，分别为非晶碳（a-C）、四面体非晶碳（ta-C）、金属掺杂非晶碳（a-C: Me）、含氢非晶碳（a-C:H）、四面体形含氢非晶碳（ta-C:H）、金属掺杂含氢非晶碳（a-C:H: Me）、改性非晶碳（a-C:H:X）。掺杂金属元素可能降低其摩擦系数，加入H能提高润滑作用。传统的硬质膜的摩擦系数一般在0.4以上，DLC膜在摩擦系数方面具有较大的优势。

DLC涂层对气门机构的影响
采用下图所示的试验台，测量不同涂层气门挺柱的摩擦扭矩。试验结果表明，带DLC涂层的气门机构可在不同发动机转速下明显降低摩擦扭矩，从而降低摩擦损失。相对于无涂层挺柱的气门机构，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
采用下图所示的活塞环摩擦力性能测试平台，对比了镀铬和DLC涂层技术对气环和油环摩擦性能的影响。试验结果表明，相比镀铬的气环和油环，采用DLC涂层技术可降低气环和油环的摩擦力。对于DLC涂层的气环而言， 在0 deg 附近改善摩擦的效果较为明显；对于DLC涂层的油环，在180 deg−360 deg和-360 deg—180 deg的范围内改善摩擦的效果较为明显。

DLC涂层对活塞性能的影响
由于DLC涂层可以有效降低磨损，延长摩擦副使用寿命，因此，可将缸套与气缸制成一体，完全采用DLC涂层铝基底材料，替换原来的铸铁缸套，使重量降低达5%左右；对活塞和缸套进行DLC膜涂层，可使摩擦系数降低20%，同时改善传热性能，最终使发动机油耗改善2%-3%左右。