活塞组件作为内燃机中的关键零部件之一,是整机机械损失的最大来源,其工作效率和运行状况对内燃机的综合性能有巨大影响。随着油耗标准和排放法规的不断升级,内燃机节能减排的技术需求日益突出,对活塞组件的工艺技术提出了更高要求。本文进行一种低摩擦热化处理技术在某柴油机上的应用研究,通过活塞组件表面理化特性分析、力学性能测试、基础摩擦学试验、相关理论计算、小配合间隙设计及发动机装机验证等研究,探讨此工艺的应用潜力。首先,分析了活塞组件低摩擦热化处理后的材料表面理化性质,经扫描电镜发现处理后的组件试样表面存在厚约40μm的过渡涂层,主要由C、O、Si、P、Cr、Mn、Cu、Mo、S、La、V等元素构成;同时在基体材料检测出渗入的Mo、S、La、V等元素,渗透深度约30μm;活塞环的基体金相组织基本保持不变,其表面硬度升高,线性膨胀系数减小5-8%,而环端面铬层硬度不变;活塞试样基底中硅相晶粒呈细化现象,表面硬度降低,线性膨胀系数减小13-15%。在不同材料圆盘试样的旋转摩擦学试验中发现,热化处理后的铝合金试样摩擦系数明显降低,最大降幅达30%,但其抗磨损性能略微减弱;钢试样摩擦系数基本不变,而其抗磨损性能得到明显提高;对铸铁试样而言,摩擦磨损性能变化不大。进一步通过活塞组件试样的往复式摩擦试验探明,处理后的活塞环缸套摩擦副的摩擦系数略微降低,幅度较小;活塞缸套摩擦副的摩擦系数明显降低,小载荷、高频率工况,降摩效果较为明显,降幅达到40%以上。基础摩擦学试验证明低摩擦热化处理后形成的过渡涂层具有润滑减摩效果,其中S、La等元素形成的聚合物提高了表面的摩擦学性能。其次,利用Ricardo-Pisdyn&Ringpak软件,建立了低摩擦热化处理活塞组件润滑与动力学理论计算模型,计算结果表明,热化处理后的活塞环组-缸套配合副的摩擦功耗降低了8%,同时活塞环的磨损量有所减小;而活塞裙部-缸套的摩擦功耗降低约13%,裙部主推力面的磨损变化较小,次推力面的磨损区域及载荷均呈增大趋势。进而根据活塞组件热化处理后材料的线性膨胀性能变化规律,进行低摩擦热化处理耦合小配合间隙(闭口间隙、配缸间隙)设计与优化研究,经模拟计算发现,优化后的活塞组件改进方案具有减摩耐磨的综合功能。最后,开展优化后活塞组件最终方案的装机性能试验,结果表明:在某柴油机上,优化后最终方案相比原机,倒拖功率有所下降,最大幅度16.36%,外特性曲线上的燃油消耗率得到改善,最多下降2.78%,万有特性曲线中的低油耗区覆盖范围更为宽广;同时,整机的气缸密封性更好,活塞漏气量、机油耗均呈下降趋势,缸内压力有所提高。