轿车柴油机用钢活塞

【德】 Ottliczky E Voigt M Weimar H J Weiss E

0 前言

近年来，对现代轿车柴油机的要求越来越高。为了提高热效率和机械效率，实施小型化理念的公司如雨后春笋般地增多，致使发动机升功率提高至90 k W/L以上，最高燃烧压力攀升至20 MPa以上。当今，铝合金活塞的疲劳强度已无法满足由此产生的热负荷和机械负荷，因此，活塞采用强度较高的钢及可靠性更好的活塞设计已迫在眉睫。近年来，钢活塞在商用车发动机领域早已被广泛运用。

1 设计方案

KS Kolbenschmidt公司已获专利保护的钢活塞由1个整体式锻件组成。通过一种特殊的制造工艺，使成形的活塞环区具有封闭式的冷却腔。然后，借助于嵌缝连接技术，将活塞环区与活塞裙部彼此连接。为使钢材料获得与铝合金相同的质量，设计的钢活塞具有以下特点：壁面厚度薄、冷却腔大、压缩高度低。

必需的活塞销直径、连杆小头孔几何尺寸及燃烧室凹坑决定了压缩高度。研发中，将压缩高度降低30%，就有可能使活塞火力岸高度下降50%（图1）。这样可配装较长的连杆，从而减小活塞裙部与气缸接触面的侧向力和摩擦。新型发动机采用高度较低的气缸体，使得结构更加紧凑。这不仅思味减轻了发动机的质量，而且在行人保护方面提高了车辆的被动安全性。

活塞销为降低活塞组的质量起着重要的作用。由于活塞使用钢材料，使其销孔可承受的单位面积压力提高80%，所以，可显著降低活塞销的长度，从而补偿了活塞的大部分质量。活塞销的另一个特点是，在其表面涂覆具有减摩功能的类金刚石碳。

活塞冷却非常重要。设计冷却腔的关键在于：（1）要求距燃烧室凹坑边缘的距离短，（2）第1道环槽采取隔热措施。与铝活塞相比，钢活塞的冷却腔容积增大了57%，并且，活塞冷却腔的有效传热表面扩大了54%（图1）。冷却腔内部的自由高度也尤为重要，活塞往复直线运动时，通过对流可使高热流流出（振荡效应）。KS Kolbenschmidt公司的设计理念是，在冷却通道内没有会阻碍油流、进而降低传热能力的焊缝。根据分析，钢活塞环区的温度要比铝活塞的低，在活塞寿命期内减少了环槽中的积炭，降低了环槽与活塞环的磨损，而且活塞环无需进行特殊的匹配工作。为了防止过高的热量传递而导致机油过热，必须对冷却机油的流量进行调整。

活塞选用优质钢42Cr Mo4为材料。为使发动机实现高升功率，这种钢材在可成形性、可连接性、可加工性、强度特性及抗氧化性之间具有良好的折衷关系。

2 模拟

与铝相比，钢具有较高的抗疲劳强度，能够满足现代轿车柴油机日益提高的功率密度和承受25 MPa最高燃烧压力的要求。在相同的发动机功率情况下，这2种活塞的温度分布情况（图2）表明，钢材料的热导率极低。钢活塞内较大的冷却腔将环区分隔开，以防止热量进人燃烧室凹坑，所以，钢活塞的环槽温度要比铝活塞的低50℃。钢活塞燃烧室凹坑边缘和凹坑底部的温度却高出31℃。

根据对燃烧循环中负荷状况的分析，以及与温度有关的材质强度特性，可以得出安全系数。如图3所示，铝活塞燃烧室凹坑区域的状态被标定为苛刻。而钢活塞的条件要温和许多，并具有进一步提高功率的潜力。

由于热膨胀的缘故，在发动机运行图的大部分范围内，铝活塞都是在活塞裙部负荷同时作用在推力端和止推端的状况下工作的，亦即在燃烧循环的绝大部分行程内，活塞都是在活塞裙部与气缸处于过盈配合的状况下运行。在这种情况下，降低摩擦损失的措施之一是增加总成的间隙。对于钢活塞而言，不同的材料性质（导热系数和热膨胀系数）会导致重叠作用力降低或无重叠作用力，致使摩擦损失仅发生在活塞裙部的接触端。由于减少了活塞裙部的表面积和采用不对称设计，使得在实测的部分负荷处的平均摩擦功率下降50%（图4）。

由于活塞组总成间隙较小，显著改善了在“冷机怠速”运行工况点的噪声特性。在点火上止点因活塞端变化而产生的临界振动激励，能使钢活塞的激励水平比铝活塞的低5 dB 以上，图5示出了气缸外壁上某一具有代表性的点。由于“部分负荷暖机”工况点的暖机间隙不合适，因而必须进行精细的活塞设计。对钢活塞裙部的刚度和支承进行优化，并设有合适的活塞中心线偏移量及活塞裙部间隙，使之能够达到与铝活塞相当的激励水平。

3 发动机试验

为了满足欧4和欧5发动机排放法规要求，将轿车发动机用钢活塞安装在4缸、6缸和8缸机上，进行各种发动机试验。除基本性能外，经过几百小时的持续运转及最高燃烧压力高达22 MPa的耐久性试验证实：钢活塞的运行平稳性良好。

在1台欧4最高燃烧压力高达19 MPa V 型发动机上，进行活塞初始温度测量。图6 给出在额定功率和转速下，分别对在铝活塞和钢活塞燃烧室凹坑边缘、第1道环槽和活塞销座处测定的温度范围所进行的比较。

铝活塞凹坑边缘温度达到了360～420℃，而钢活塞在此处的温度范围为385～450℃。由于钢的导热系数较低，所以，其燃烧室凹坑边缘的温度比铝活塞的约高30℃。

与铝活塞相比，轿车发动机钢活塞第1 道环槽的温度约低50℃，这是其一大特点。铝活塞的环槽温度范围为260～300℃，由于钢活塞燃烧室凹坑与环区之间的传热通道较长、钢的导热系数较小，以及加大冷却油腔可增加冷却机油的流量，因而可以显著降低钢活塞的环槽温度范围，亦即在220～245℃之间。

测定的铝活塞的活塞销座温度范围为230～250℃。由于钢活塞的压缩高度大大减小，以及活塞销座与燃烧室凹腔之间的距离较短，因此，活塞销座的温度范围为290～320℃。

在1台欧5、最高燃烧压力高达18 MPa的发动机上，研究了钢活塞较高表面温度对发动机工作性能（尤其排放）的影响。配装的钢活塞选用与铝活塞相同的燃烧室凹坑形状和压缩比。通过加长连杆长度，补偿被缩短的10 mm 压缩高度。

这一研究也在其他发动机上得到验证，无需对存储在控制单元内的发动机特性曲线进行任何修改就可获得稳定的运转特性。为了实施上述试验研究，将某些工况点的特性曲线与钢活塞进行了匹配。在某一部分负荷工况点（发动机转速为2 000 r/min，平均有效压力为0.2 MPa），测定了燃油消耗率，以及碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）和碳烟的原始排放值，并与铝活塞的进行了对比。将铝活塞得到的数值设定为100%，并用作比较的基准。

钢活塞的表面温度较高，对部分负荷下的HC、CO 和碳烟排放会产生积极的影响。这要归功于较理想的混合气形成及更完全的燃烧。值得一提的是，在恒定的废气再循环率条件下，HC 排放减少了76%，同时，碳烟排放减少50%及CO 排放减少23%，这也证实钢活塞具有明显的优势。不过，较高的表面温度和较理想的燃油消耗率会使燃烧温度升高，从而导致NOx排放增加29%。采用较长的连杆显著减小了侧向力和活塞裙部的摩擦，提高了燃油利用率，从而使燃油消耗率降低4%。

在全负荷（发动机转速为4 000 r/min，平均有效压力为18 MPa）下的测量结果表明，当铝活塞与钢活塞在相同的边界条件（最高燃烧压力、涡轮增压器转速）下运行时，两者的NOx排放水平相同。产生这种结果的原因是全负荷下的燃烧温度高于活塞表面的温度。采取热流量限制措施，可使排气温度仅升高1%，从而使钢活塞的碳烟排放量减少了20%。HC和CO 排放在全负荷下仅起到次要作用，仅为百万分之几。

4 结语

KS Kolbenschmidt公司的轿车柴油机用钢活塞具有设计结构紧凑的优点，研究表明，在不影响发动机特性的情况下，其明显具有燃油耗和排放方面的优势。该公司认为，由于钢活塞能承受较高的负载，为提高功率和发动机缩缸强化拓展了空间，而铝活塞根本不能与其相媲美。通过调整压缩比和燃烧室凹坑的几何结构，钢活塞获得了其他的优化可能性。