DLC涂层如何提升发动机效率与使用寿命？从Ford赛车气门薄膜谈起

Ford Racing近期公布了新一代WEC Hypercar的赛道测试进展。这款赛车采用基于Coyote架构开发的5.4升自然吸气V8发动机，预计于2027年参加国际汽联世界耐力锦标赛。

值得注意的是，Ford在发动机气门上采用了DLC类金刚石碳膜。虽然这层薄膜通常只有数微米厚，却可能影响零件摩擦、磨损、运行温度及长期可靠性。

根据Ford Racing的说明，这台发动机由Ford在密歇根州自主设计与制造。后续赛道测试将聚焦于性能、可靠性、混合动力系统整合及空气动力学验证。参考Ford Racing测试公告

DLC涂层为什么能够降低发动机摩擦？

发动机运行时，气门、气门挺杆、凸轮轴及活塞销等零件会持续承受高速滑动、反复接触及高负荷。接触面产生的摩擦不仅会消耗部分发动机输出，还会产生热量与磨损。

Road & Track采访Ford Racing动力系统工程团队时指出，这台V8发动机的目标转速高于GT3发动机的8,250 rpm。因此，Ford在气门上采用DLC涂层，并从多个零件着手降低寄生损失与摩擦。参考Road & Track专访

DLC是Diamond-Like Carbon的缩写，中文常称为类金刚石碳膜。它不是单一膜层，而是一系列以非晶碳为主，可根据氢含量、碳键结构、掺杂元素及沉积方式调整的功能性薄膜。

DLC结合了高硬度与低摩擦特性，有助于降低金属表面直接接触所造成的黏着磨损、划伤、咬死及表面疲劳。

数微米薄膜如何产生实际作用？

工业用DLC膜层的厚度通常约为1至5微米。相较于发动机零件本体，这一厚度非常薄，却能够直接改变最关键的接触界面。参考Oerlikon Balzers DLC技术资料

其影响主要包括：

1. 降低摩擦造成的机械损失

当气门机构、气门挺杆或凸轮等滑动面的摩擦降低时，发动机用于克服机械阻力的能量也会相应减少。

对于需要长时间维持高转速的耐力赛发动机而言，即使单一零件的改善幅度有限，多个摩擦界面累积后的效果仍可能影响整体效率。

2. 减少磨损并维持零件精度

发动机零件经过反复接触后，表面磨损可能逐渐改变间隙、接触位置及负荷分布。DLC可利用较高的表面硬度保护基材，减缓磨粒磨损与黏着磨损，帮助零件维持原有尺寸及运动精度。

3. 降低咬死与表面损伤风险

在高接触压力、润滑不足或油膜尚未完全形成的情况下，金属表面容易产生局部接触。DLC可形成低摩擦保护层，降低划伤、材料转移、擦伤及咬死风险。

4. 在不明显增加重量的情况下改善性能

DLC膜层厚度通常以微米计算，因此能够在几乎不增加零件重量的情况下改善表面性能。这对于需要控制往复运动质量的气门机构尤其重要。

Nissan工程团队过去也曾将无氢DLC应用于发动机气门挺杆，并利用实际发动机零件测试其降低摩擦与机械损失的效果。该研究同时评估了膜层表面形貌、厚度与抗磨损性能之间的关系。参考SAE Technical Paper 2007-01-1752

DLC涂层并不是越厚越好

增加膜厚可能提高耐磨余量，但膜层越厚，也可能伴随内应力增加、附着力下降或边缘剥离等风险。因此，DLC涂层不能只以厚度作为选型标准。

实际规划时应同时评估：

• 零件材质与基材硬度
• 接触压力与滑动速度
• 工作温度及润滑条件
• 表面粗糙度与前处理质量
• DLC类型及沉积方法
• 膜层厚度、内应力与附着力
• 零件形状、遮蔽区域及膜厚均匀性
• 预期使用寿命与验收测试方法

虽然都被称为DLC，但不同膜层可能采用PVD、PACVD、PECVD或复合工艺制备，其硬度、摩擦系数、耐温性及适用环境也可能存在明显差异。

从赛车技术延伸至一般工业零件

DLC涂层的应用并不限于赛车。需要降低摩擦或延长使用寿命的汽车及摩托车零件、燃油喷射系统、凸轮轴、活塞销、泵、压缩机、机械密封件及高压阀件，都可能是适合评估的对象。

Ford Hypercar案例的重点并不是“镀上一层DLC就能提升多少马力”，而是说明表面工程可以在不大幅改变零件本体的前提下，从摩擦界面改善效率与耐久性。

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馗鼎纳米提供DLC镀膜与功能性薄膜代工服务，可根据基材、零件形状、使用温度、摩擦条件及目标寿命，评估适合的前处理方法、膜层结构与工艺参数。

实际导入前，仍应通过膜厚、硬度、附着力、摩擦磨损及零件实机测试，确认DLC膜层是否符合最终使用环境。

信息来源

• Ford Racing：Ford Racing Hypercar Testing Underway
• Ford Racing：WEC Hypercar Engine Roars to Life
• Road & Track：Ford’s Coyote Hypercar Engine Is an Exotic V-8
• SAE International：The Development of Hydrogen-free DLC-coated Valve-lifter
• Oerlikon Balzers：DLC Coatings Technical Information

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