商用車發(fā)動機(jī)活塞的發(fā)展趨勢

林風(fēng)華，石小明，劉世英

1.濱州渤?；钊邢薰?，山東 濱州 256602； 2.山東省發(fā)動機(jī)活塞摩擦副重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濱州 256602

0 引言

節(jié)能減排、綠色制造、循環(huán)經(jīng)濟(jì)是內(nèi)燃機(jī)發(fā)展總體趨勢。高效、低碳、近零排放已成為內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的方向。提高內(nèi)燃機(jī)熱效率、降低二氧化碳排放等同于降低油耗，是全球內(nèi)燃機(jī)技術(shù)發(fā)展的最大挑戰(zhàn)和首要目標(biāo)。重型柴油機(jī)有效熱效率的短期目標(biāo)是達(dá)到50%，中長期達(dá)到55%以上[1-2]。內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)業(yè)需要發(fā)展高強(qiáng)化整機(jī)技術(shù)、高性能關(guān)鍵零部件技術(shù)、先進(jìn)燃燒技術(shù)、低摩擦技術(shù)、低消耗功附件、輕量化以及余熱能利用等關(guān)鍵技術(shù)?；钊鳛榘l(fā)動機(jī)的核心零部件，與上述7項(xiàng)技術(shù)中的6項(xiàng)息息相關(guān)。

根據(jù)《中國制造2025》的總體目標(biāo)，我國內(nèi)燃機(jī)技術(shù)發(fā)展的總體目標(biāo)是：到2025年自主創(chuàng)新和自主開發(fā)能力得到顯著提高，原始創(chuàng)新能力和創(chuàng)新技術(shù)實(shí)現(xiàn)領(lǐng)跑，關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵零部件實(shí)現(xiàn)突破，內(nèi)燃機(jī)熱效率和有害排放水平達(dá)到國際先進(jìn)水平[3]。核心零部件活塞的開發(fā)及其國產(chǎn)化對于國家節(jié)能減排政策順利實(shí)施，保障國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展和國防安全，建立我國安全、自主、可控的內(nèi)燃機(jī)工業(yè)生態(tài)至關(guān)重要。

十四五期間，活塞企業(yè)需進(jìn)一步夯實(shí)關(guān)鍵零部件和配套部件技術(shù)基礎(chǔ)，提升發(fā)展創(chuàng)新能力，必須在國六及后國六時(shí)代為高性能發(fā)動機(jī)活塞制定清晰的技術(shù)路線和有效的解決措施。針對高強(qiáng)度、輕量化、高效率的需求，研發(fā)適應(yīng)于未來發(fā)動機(jī)發(fā)展需求的核心零部件新技術(shù)，突破內(nèi)燃機(jī)升級換代的瓶頸。

1 活塞材料及加工強(qiáng)化措施

提高缸內(nèi)燃燒溫度和提升爆壓勢必提高發(fā)動機(jī)強(qiáng)化水平[4-5]?；钊惺芙蛔兊臒?機(jī)耦合應(yīng)力，必須對活塞的材質(zhì)和加工工藝進(jìn)行優(yōu)化，提高活塞可承受的應(yīng)力極限，才能滿足高強(qiáng)化發(fā)動機(jī)的可靠性和耐久性需求[6-7]。

1.1 材料選擇

商用車發(fā)動機(jī)活塞材料以鋁合金和鋼質(zhì)材料為主[8-10]。在特定的工況負(fù)荷下，鋁合金材料承受的溫度極限可達(dá)到400 ℃，溫度過高，燃燒室喉口因高溫導(dǎo)致材料性能下降而產(chǎn)生疲勞開裂[11]，因此若進(jìn)一步提升負(fù)荷，則需采用鋼質(zhì)材料。目前輕型商用車活塞材料仍然以鋁合金材料為主，而重型發(fā)動機(jī)活塞則逐步開始選擇使用鋼質(zhì)材料[12-13]。

鋁合金材料主要以共晶鋁硅合金為主，可以通過調(diào)整合金成分不斷改善和提高材料性能，特別是高溫疲勞性能。鋼活塞的主流材料為38MnVS6和42CrMo。鋁硅合金新材料研發(fā)主要通過調(diào)整材料成分并結(jié)合成型工藝，提高鑄件成型的金相等級，促使合金相彌散分布，提高活塞的高溫延展性，從而提高活塞高溫抗疲勞性能。鋼質(zhì)材料需要開發(fā)新的高溫抗氧化材料，材料的高溫抗氧化性越好，可承受的燃燒溫度越高。燃燒溫度高有利于提高發(fā)動機(jī)整機(jī)熱效率。某公司的活塞材料綜合性能與生產(chǎn)成本的關(guān)系如圖1所示。

圖1 活塞材料綜合性能與生產(chǎn)成本的關(guān)系

1.2 鋁合金強(qiáng)化技術(shù)

傳統(tǒng)鑄造鋁合金活塞為重力鑄造，模具冷卻方式為隨機(jī)冷卻。隨著發(fā)動機(jī)強(qiáng)化程度的提高，發(fā)動機(jī)最高爆發(fā)壓力越來越高，燃燒室喉口、銷孔常出現(xiàn)疲勞開裂失效。因此，在現(xiàn)有材料鑄件的基礎(chǔ)上，提升鑄件性能特別是高溫抗疲勞性能尤為關(guān)鍵，通過控制鑄件的冷卻速率，提升活塞金相致密性，增強(qiáng)材料本體強(qiáng)度，如馬勒Top Cast技術(shù)和國內(nèi)某公司開發(fā)的鋁硅合金活塞金相強(qiáng)化技術(shù)(combustion bow rim metallographic refining，CMR)。CMR主要解決了3個(gè)問題：1)利用隨型模具冷卻結(jié)構(gòu)和二次澆注工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)，突破了冷卻面積狹小的限制和一次澆注成型溫度梯度分布不均的弊端，奠定了活塞金相強(qiáng)化工藝技術(shù)的基礎(chǔ)；2)通過采用模糊理論控制單組內(nèi)循環(huán)冷卻參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對模具溫度控制，解決活塞復(fù)雜型面順序凝固和金相細(xì)化的行業(yè)難題；3)開發(fā)了活塞澆注隨流細(xì)化加入系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)精煉細(xì)化的時(shí)效性和沉積性問題，實(shí)現(xiàn)了對α鋁基體的晶粒細(xì)化，提升了活塞性能。

為進(jìn)一步提升燃燒室喉口抗疲勞性能，活塞生產(chǎn)企業(yè)還開發(fā)了重熔激冷再結(jié)晶技術(shù)，提高喉口的疲勞性能。采用該技術(shù)后，初晶硅長度可由60 μm減小為6 μm；活塞喉口熱疲勞性能可提高4.2倍，活塞熱疲勞壽命測試試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。此外，在燃燒室喉口部位采用陶瓷材料，通過澆鑄方式成型。該技術(shù)利用陶瓷抗高溫性能優(yōu)良的特點(diǎn)，提高喉口部位的疲勞性能。經(jīng)試驗(yàn)，燃燒室鑲陶瓷后，活塞可耐受400 ℃左右的高溫。

1.3 鋼活塞強(qiáng)化技術(shù)

重型商用柴油機(jī)負(fù)荷增加使得傳統(tǒng)鋁活塞已達(dá)到使用極限，越來越多的選擇用鋼活塞來替代鋁活塞。質(zhì)量大是鋼活塞面臨的首要問題，通過采用降低活塞壓縮高度、增大銷孔直徑、減小活塞銷長度等輕量化設(shè)計(jì)手段，可以使鋼活塞、活塞銷等摩擦副組件的質(zhì)量與鋁活塞相當(dāng)。鋼活塞熱導(dǎo)率低于鋁活塞，一方面造成鋼活塞表面溫度高于鋁活塞；另一方面鋼活塞燃燒室內(nèi)燃燒溫度高于鋁活塞，有利于提高燃燒性能，提升燃燒效率和熱效率。鋼活塞配缸間隙小于鋁活塞，有利于降低發(fā)動機(jī)冷起動及低負(fù)荷工況下摩擦功損耗。因此，鋼活塞在發(fā)動機(jī)尤其是重型商用發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用越來越廣泛。

雖然采用鋼活塞具有一些優(yōu)勢，但隨著發(fā)動機(jī)負(fù)荷的進(jìn)一步提高，尤其是發(fā)動機(jī)升功率和爆發(fā)壓力的進(jìn)一步提高，鋼活塞燃燒室尤其是喉口部位會出現(xiàn)氧化現(xiàn)象。目前鋼活塞可承受的極限溫度為450～500 ℃，高于500 ℃鋼活塞氧化明顯，無法滿足發(fā)動機(jī)耐久性使用要求。解決鋼活塞頭部氧化通常采用的技術(shù)方案為：研究新型耐氧化鋼質(zhì)材料和頭部抗氧化涂層。某公司開發(fā)的新一代具有抗氧化涂層、1000 h耐久試驗(yàn)的鋼活塞如圖3所示。由圖3可知：耐久試驗(yàn)后活塞外觀正常，無氧化剝落現(xiàn)象。

圖3 具有抗氧化性能的鋼活塞

鋼活塞需要強(qiáng)化的另一個(gè)部位是活塞銷孔。隨著發(fā)動機(jī)負(fù)荷增加以及活塞組件輕量化設(shè)計(jì)要求，活塞銷孔接觸面積減小，接觸壓力增大，鋼活塞銷孔局部接觸壓力可超過130 MPa。鋼-鋼摩擦副的配合導(dǎo)致鋼活塞銷孔極易發(fā)生咬合，盡管可以采用活塞銷孔鑲嵌襯套的方法解決，但襯套費(fèi)用高，活塞成本增加。由于鋼活塞本體硬度高，銷孔目前普遍采用鏜削加工方式，在加工過程中銷孔表面易留下尖銳刀痕，影響活塞銷孔承載能力和可靠性，因此必須采用超精加工技術(shù)和新的磷化工藝。某公司成功開發(fā)銷孔表面改性強(qiáng)化技術(shù)，強(qiáng)化后粗糙度可達(dá)到Ra0.2。利用該技術(shù)進(jìn)行表面形變強(qiáng)化，可降低鏜削加工留下的尖銳刀痕產(chǎn)生的應(yīng)力集中及缺口效應(yīng)，同時(shí)對表面切削加工形成的材料撕裂進(jìn)行修復(fù)，有效地提高銷孔表面承載能力，普通加工和超精細(xì)加工的銷孔表面分別如圖4、5所示。

圖4 普通鏜削加工銷孔表面 圖5 超精加工銷孔表面

負(fù)荷增加加劇了活塞環(huán)槽的磨損。為降低摩擦功，活塞環(huán)高度普遍較小，活塞環(huán)剛性較差，導(dǎo)致活塞環(huán)扭曲變形增大，活塞環(huán)在環(huán)槽內(nèi)的二階運(yùn)動不平穩(wěn)，環(huán)槽局部出現(xiàn)磨損，活塞環(huán)槽需進(jìn)行二次硬化。

2 效率提升設(shè)計(jì)技術(shù)

2.1 輕量化設(shè)計(jì)

減小活塞壓縮高度是活塞輕量化設(shè)計(jì)的一個(gè)發(fā)展方向。活塞中心線以上的質(zhì)量占活塞總質(zhì)量的75%以上，減小壓縮高度可顯著減小活塞質(zhì)量。降低壓縮高度不僅可有效降低發(fā)動機(jī)缸內(nèi)組件質(zhì)量，減小往復(fù)慣性力，而且還有利于降低缸體高度，減小整機(jī)尺寸與質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)小型化和輕量化設(shè)計(jì)。在整機(jī)高度不變的情況下，減小活塞的壓縮高度后，允許連桿長度相應(yīng)增加，減小工作循環(huán)內(nèi)連桿偏轉(zhuǎn)角度，減小活塞裙部與氣缸接觸面的側(cè)向壓力，降低缸內(nèi)組件摩擦損耗，有利于提高整機(jī)熱效率，降低燃油消耗[14]。采用低壓縮高度設(shè)計(jì)后，活塞頭部空間減小，活塞銷孔與頂面距離減小，活塞冷卻油腔布置困難；活塞各部位溫度升高，應(yīng)力-應(yīng)變增大，銷孔承載能力降低，容易發(fā)生銷孔咬合與拉缸等失效；活塞整體高度減小，活塞裙部支撐面相對較小，活塞偏擺嚴(yán)重，加劇活塞摩擦磨損?；钊p量化設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢是協(xié)調(diào)處理好活塞結(jié)構(gòu)布局，在降低活塞壓縮高度及輕量化的基礎(chǔ)上，綜合考慮活塞及其與活塞銷、活塞環(huán)、缸套的配合，保證活塞各部位應(yīng)力、應(yīng)變、溫度的合理分布，對活塞結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化和型線優(yōu)化，保證活塞二階運(yùn)動平穩(wěn)，降低摩擦功。目前新設(shè)計(jì)的活塞壓縮高度可減小為缸徑的50%以下。

活塞結(jié)構(gòu)創(chuàng)新還需考慮活塞及模具制造成型的可行性，加強(qiáng)活塞成型工藝的研究，如3D打印技術(shù)等新成型方法在活塞制造中的應(yīng)用。

2.2 匹配性

提高發(fā)動機(jī)熱效率是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，應(yīng)使發(fā)動機(jī)各零部件性能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)匹配，提高活塞熱效率應(yīng)做好以下工作。

1)活塞及其組件的輕量化及低摩擦磨損設(shè)計(jì)。尤其是減小活塞環(huán)高度、降低活塞環(huán)組彈力以及應(yīng)用新型涂層，缸內(nèi)組件的匹配性優(yōu)化設(shè)計(jì)，配合低黏度機(jī)油的使用，有望使摩擦功降低30%以上。

2)發(fā)動機(jī)近零排放及熱管理。對活塞燃燒室部位進(jìn)行超精加工，配合發(fā)動機(jī)先進(jìn)燃燒技術(shù)保證燃料充分燃燒，活塞頂面可采用熱障涂層技術(shù)，減少內(nèi)燃機(jī)熱損失，提升燃料利用率，降低燃油消耗，圖6為帶有頂面隔熱涂層的鋼活塞。

圖6 頂面隔熱涂層鋼活塞

3)全時(shí)域工況冷卻控制。為保證活塞具有足夠的強(qiáng)度及各部位溫度控制在合理的限值內(nèi)，要求活塞具有良好的冷卻效率。隨著熱負(fù)荷增加，活塞冷卻油腔對機(jī)油流量的需求也會增加，導(dǎo)致機(jī)油泵機(jī)械損失增加，加速機(jī)油老化。目前冷卻機(jī)油的噴油量主要取決于額定功率和最大扭矩的需求量，但在發(fā)動機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中，發(fā)動機(jī)工況的變化具有不確定性，活塞溫度變化頻繁，如果機(jī)油噴油量不隨負(fù)荷變化，會導(dǎo)致活塞與缸套之間的工作間隙不斷變化，無法保證活塞與缸套之間處在最佳潤滑狀態(tài)。隨著電子噴油泵的普及，未來有望對冷卻噴嘴的噴油量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，冷卻機(jī)油的需求將隨負(fù)荷的變化實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整，研究全時(shí)域工況下活塞整體的冷卻能力，有助于使活塞等缸內(nèi)組件始終運(yùn)行在最佳間隙范圍，減小摩擦損失及機(jī)油泵機(jī)械損失，提高發(fā)動機(jī)熱效率。

3 結(jié)語

1)活塞本體以及特殊部位強(qiáng)化措施，是未來高強(qiáng)化活塞的技術(shù)解決措施和發(fā)展方向，通過對活塞進(jìn)行強(qiáng)化，活塞可承受爆發(fā)壓力有望達(dá)到30 MPa。

2)目前鋁合金強(qiáng)化措施主要是如何提高材料高溫?zé)釞C(jī)疲勞性能；今后鋁合金強(qiáng)化技術(shù)路線將圍繞高溫合金材料研發(fā)、金相組織的致密性和均勻性分布控制、缺陷的控制，結(jié)合局部強(qiáng)化技術(shù)和成型工藝的優(yōu)化改進(jìn)開展工作。

3)提高內(nèi)燃機(jī)熱效率，是全球內(nèi)燃機(jī)技術(shù)發(fā)展的最大挑戰(zhàn)和首要目標(biāo)，商用車發(fā)動機(jī)熱效率有望提高到55%。通過采取輕量化設(shè)計(jì)、降低壓縮高度設(shè)計(jì)、降低活塞摩擦磨損設(shè)計(jì)、頭部隔熱涂層的應(yīng)用以及活塞冷卻的精細(xì)化管理，可為發(fā)動機(jī)熱效率提升做出貢獻(xiàn)，也是未來商用車發(fā)動機(jī)活塞的發(fā)展趨勢。