1、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,International Energy Agency,Advanced Materials for Transportation Application Committee,Implementary Agreement,中国委员 张俊彦,发动机先进材料-固体润滑材料与
2、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 1.51 m； 高压腔清洁度0.3 mg； 燃油适应性：HFRR800 m； 喷油嘴头部耐温 370 ； B10寿命80万公里；
3、,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）,Lubricant History,固体润滑技术,1990,2000,10-3,10-2,10-1,1980,Teflon,MoS2, a-C,Nanostructure MoS2,Friction Coefficient, ,a-C:H,ULTRALOW FRICTION,LOW FRICTION,SUPERLOW
4、 FRICTION,Graphite,Evolution of Low-friction Materials Over Last 30 Years,C. Donnet and A. 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. R 37, 129 (2002),DLC (Diamond-like carbon),碳薄膜润滑,Diamond-like carbon films -Appearance,From Samsung,碳薄膜润滑,DLC薄膜的
5、应用,碳薄膜润滑,Nissan DLC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,Friction and wear behaviors of DLC film against Si3N4 ball at different load in air: (a) friction coefficient of DLC film as a function of rubbing cycles at different load; (b) wear rate and average friction coefficient of DLC film at
6、 different load.,The load influence on the tribology in air,=(S x A)/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,High film/substrate bonding strength with stainless steel, 40NFriction coefficient in air with Si3N4 as counterpart，106cyclePass through 10,000 kilometer platform test,A
7、nti-wear coating for DME engine piston,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
8、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
9、，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
10、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
11、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； 201
12、1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1m的薄膜表面粗糙度10nm； 摩擦系数：0.06。研发目标:在国际汽车行业首次将超低摩擦、超低磨损类富勒烯结构类金刚石薄膜应用 于发动机电控喷油系统柱塞，降低油耗2%，CO2排放2%，同时，提高可靠性。在一汽集团新型车型发动机关键部件应用超低摩擦、超低磨损类富勒烯结构类金刚石薄膜，提高一汽集团自主知识产权技术和核心技术竞争力，实现利润空间的提升和市场占有率。,谢谢! 请批评指正！,,
