柴油機(jī)活塞材料的選擇理念

柴油機(jī)活塞材料的選擇理念

【德】 A.Baberg M.Freidhager H.Mergler K.Schmidt

Federal Mogul公司針對升功率93 k W的3.0 L高增壓柴油機(jī)用新型鋁活塞的研究表明，鋁活塞具有廣闊的前景，不過，最高燃燒壓力超過22 MPa及升功率大于100 k W的轎車柴油機(jī)必須使用鋼活塞，在極其苛刻的條件下，鋼活塞的熱管理得到高度的關(guān)注。介紹了開發(fā)鋁活塞和鋼活塞的不同理念。

柴油機(jī) 鋁活塞 鋼活塞 最高燃燒壓力

1 提高活塞材料的承載能力

若要提高轎車柴油機(jī)的效率，就勢必要提高活塞燃燒室的溫度，在特定的情況下，常規(guī)鋁活塞被設(shè)計(jì)到材料強(qiáng)度的極限范圍，能承受400℃的高溫。若超過該溫度，燃燒室唇口承受的熱量就可能導(dǎo)致其產(chǎn)生裂紋。這種效應(yīng)不僅涉及材料，而且涉及到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。前不久，F(xiàn)ederal Mogul公司在1臺升功率高達(dá)93 k W的3.0 L高增壓全鋁柴油機(jī)上配裝了全新設(shè)計(jì)的活塞，同時(shí)，這種用于轎車和輕型商用車的活塞新技術(shù)可使活塞在溫度高達(dá)420℃的應(yīng)用場合正常運(yùn)行。

因?yàn)殇X的應(yīng)用場合已超出目前可能達(dá)到的使用范圍，因此，更高的燃燒壓力和升功率迫使活塞必須采用鋼作為材料。當(dāng)負(fù)荷極高的轎車柴油機(jī)應(yīng)用鋼活塞時(shí)，與鋁活塞相同，在熱管理方面必須給予更多的關(guān)注，特別是對于冷卻油道的形狀和位置，必要時(shí)仍須采用盡可能大的冷卻油道、不同的活塞頂鋼材料與裙部及保護(hù)涂層組合，以避免過高的活塞溫度，否則有可能導(dǎo)致產(chǎn)生氧化皮、熱裂紋或過高的機(jī)油負(fù)荷（熱裂解）。

2 高功率柴油機(jī)的鋁活塞

通常，高升功率、高增壓的轎車柴油機(jī)要進(jìn)行鋁活塞驗(yàn)證試驗(yàn)，由于活塞燃燒室凹坑部位的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷極高，以致于發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)商最終放棄采用輕型結(jié)構(gòu)材料。最典型的是燃燒室凹坑唇口，裂紋最易從那里開始形成，故必須首先強(qiáng)化這一區(qū)域承受高負(fù)荷的材料。此外，在材料方面尋找解決方案，盡管此時(shí)已對鑄造工藝進(jìn)行了一系列優(yōu)化，諸如在鑄造型腔中加速冷卻，達(dá)到對材料金相組織提出的質(zhì)量要求等，但對于燃燒室凹坑唇口部位材料達(dá)到其最佳強(qiáng)度而言，這一冷卻速度仍然太慢。在高增壓柴油機(jī)上，燃燒室凹坑唇口承受極高的熱負(fù)荷，因而中等粗細(xì)粒度的鑄造金相組織有可能成為產(chǎn)生裂紋的誘因。一旦發(fā)生上述情況，熱力-機(jī)械疲勞和高負(fù)荷交變頻率就會(huì)引起更長更深的裂紋（圖1）。

圖1 溫度交變后微觀塑性變形引起的熱力-機(jī)械疲勞

基于上述損壞機(jī)理，F(xiàn)ederal Mogul公司開發(fā)了一種新工藝，它能改變?nèi)紵野伎哟娇诿舾袇^(qū)域內(nèi)的合金金相組織。這種工藝過程被稱為“Durabowl”，特別注重在燃燒室凹坑唇口360°圓周范圍內(nèi)，通過局部再熔化提高材料強(qiáng)度所獲得的效果。精確控制熔化過程的輸入能量，以形成具有規(guī)定深度并精確限定的鋁熔化區(qū)域。當(dāng)對燃燒室凹坑唇口整個(gè)圓周實(shí)施這種工藝時(shí)，局部熔融的金屬因其質(zhì)量很小而凝固得極快。同時(shí)，在被熔融區(qū)域的金相組織中形成很多細(xì)小的晶粒（圖2）。廣泛的試驗(yàn)表明，細(xì)小的晶粒形成裂紋的傾向明顯較?。▓D3）。在鑄造狀態(tài)下，與常規(guī)活塞燃燒室凹坑唇口直接進(jìn)行比較，相同的試驗(yàn)條件下，4組Durabowl-活塞都能長期運(yùn)轉(zhuǎn)而不產(chǎn)生裂紋。因此，這種工藝技術(shù)已成為優(yōu)化高功率柴油機(jī)鋁活塞可靠而又實(shí)用的方法。

圖2 鑄造組織與再熔Durabowl組織的金相組織比較

圖3 量產(chǎn)鑄造活塞直到燃燒室凹坑唇口產(chǎn)生裂紋的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間（4個(gè)試驗(yàn)組）與Durabowl活塞試驗(yàn)后未產(chǎn)生裂紋的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間（4個(gè)試驗(yàn)組）的比較

3 改善鋁活塞的熱傳導(dǎo)

燃燒室凹坑唇口處的溫度極高，因此，必須改善活塞頂部和燃燒室凹坑唇口的散熱能力。一種非常有效的方法是將活塞冷卻油道的位置設(shè)計(jì)到盡量接近活塞燃燒室凹坑唇口和壓縮環(huán)，進(jìn)而使燃燒室凹坑唇口和第1道活塞環(huán)槽的冷卻效率提高10％，也使活塞銷孔處的冷卻效率提高約5％。此外，可用冷卻油道的幾何形狀來適應(yīng)不同的應(yīng)用場合。這在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上并沒有困難，但對于鑄造工藝的要求卻很高，要確保鑄造過程中在燃燒室凹坑與冷卻油道之間采用合格的材料，或者冷卻油道與鑲鑄的活塞環(huán)槽鑲?cè)χg具有良好的品質(zhì)。這種高置的冷卻油道初次得以批量應(yīng)用，使活塞環(huán)溫度能保持在400℃以下的容許限值水平。在相同的條件下，常規(guī)活塞燃燒室凹坑唇口的熱負(fù)荷高出43％，溫度高達(dá)440℃，已非常接近基體中初始金屬相的熔點(diǎn)。根據(jù)應(yīng)用要求，可靈活調(diào)節(jié)冷卻油道的位置和截面積。

常規(guī)的檢驗(yàn)方法不適用于確定敏感區(qū)域中可能出現(xiàn)的金相組織缺陷及其位置，因此，開發(fā)了一種新型的二維超聲波檢驗(yàn)方法。這種無損檢驗(yàn)方法能夠精確地檢測出冷卻油道、活塞環(huán)槽鑲?cè)涂赡艽嬖诘蔫T造缺陷及其大小和長度，而且，該檢測方法可在30 s內(nèi)給出125 000個(gè)點(diǎn)的測量結(jié)果，進(jìn)而確保成品精密零件的品質(zhì)，而且，這種二維數(shù)據(jù)可用于進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)過程及重要的工藝參數(shù)。

4 鋼活塞的開發(fā)理念

鋼材料具有很強(qiáng)的耐高溫能力，因此，它已成為最具優(yōu)勢的轎車柴油機(jī)用活塞材料。當(dāng)然，鋁的導(dǎo)熱性要比鋼強(qiáng)3倍，以至在相同的燃燒過程情況下，鋼活塞的溫度有可能比鋁活塞的高50～100 K。根據(jù)不同的標(biāo)定和運(yùn)轉(zhuǎn)條件，這一溫度有進(jìn)一步升高的可能性。假如將420℃的燃燒室溫度作為基準(zhǔn)，那么，高溫有可能使調(diào)質(zhì)鋼達(dá)到其強(qiáng)度極限，當(dāng)溫度高出520℃時(shí)會(huì)出現(xiàn)氧化皮，導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。此外，較高的溫度會(huì)使冷卻油道因加熱而引起發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油裂變。機(jī)油積炭就是這一過程的產(chǎn)物，會(huì)沉積在冷卻油道的壁面上，而且，形成的機(jī)油積炭層會(huì)使冷卻效率惡化。相關(guān)計(jì)算表明，這種影響效果有可能使燃燒室凹坑溫度提高45～80 K。

為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，F(xiàn)ederal Mogul公司將整體式鋼活塞（圖4）應(yīng)用于商用車柴油機(jī)，它滿足了極高熱負(fù)荷轎車應(yīng)用場合的特殊要求。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)著重于使冷卻油道的幾何形狀和尺寸最大化，以確保具有足夠大的機(jī)油流量。圖5示出了鋼活塞的結(jié)構(gòu)，它具有高置的冷卻油道，而且冷卻油道與活塞頂及活塞環(huán)槽之間的壁厚較小。必要時(shí)，可采用合適的焊接工藝，使這種活塞結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與不同品質(zhì)鋼組成的混合型活塞結(jié)構(gòu)相組合。對于活塞負(fù)荷極高的應(yīng)用場合，活塞頂可采用高強(qiáng)度鋼，而活塞裙部則可應(yīng)用普通品質(zhì)鋼。采用保護(hù)涂層能夠進(jìn)一步提高溫度強(qiáng)度，因?yàn)樵诨钊贤扛餐繉幽苊黠@減小生成氧化皮的可能性。

圖4 具有較高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和冷卻效率的整體式鋼活塞

從熱力學(xué)角度來看，鋼活塞較高的溫度水平具有潛在的優(yōu)勢，而且，鋼活塞的結(jié)構(gòu)高度較低（圖6），能夠減小柴油機(jī)機(jī)體的高度，或者采用較長的連桿，以及減小活塞側(cè)向壓力。這一結(jié)構(gòu)的鋼活塞質(zhì)量與具可比性的鋁活塞處于相同水平，甚至更輕。測量結(jié)果表明，由于鋼活塞具有上述優(yōu)點(diǎn)，在相同的標(biāo)定情況下，能使柴油機(jī)功率提高2.5％，進(jìn)而使燃油耗降低2.5％，并且有利于降低二氧化碳排放。

圖5 高冷卻效率的轎車和輕型商用車用的、經(jīng)優(yōu)化的整體式鋼活塞結(jié)構(gòu)，其上下兩部分采用不同品質(zhì)的鋼材料

圖6 結(jié)構(gòu)緊湊的鋼活塞能使壓縮高度降低30％

5 結(jié)語

作為活塞材料，鋁和鋼具有各自的優(yōu)勢，應(yīng)根據(jù)開發(fā)要求，為每款發(fā)動(dòng)機(jī)和附屬的活塞組合作出正確的材料選擇。例如，活塞的冷卻取決于這兩種系統(tǒng)，并且必須對每種使用情況有針對性地進(jìn)行優(yōu)化，以確?；钊挠行Ю鋮s。根據(jù)最佳生產(chǎn)工藝，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)改良的鋁活塞能夠像鋼活塞一樣適應(yīng)相同的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，強(qiáng)化局部金相組織的工藝技術(shù)為此作出了貢獻(xiàn)。Federal Mogul公司專門為升功率93 k W的高增壓轎車柴油機(jī)開發(fā)和生產(chǎn)的鋁活塞表明，作為活塞材料，鋁具有進(jìn)一步強(qiáng)化的潛力，但更高燃燒壓力的機(jī)型采用鋼活塞仍是一種趨勢。當(dāng)高功率應(yīng)用場合的最高燃燒壓力繼續(xù)攀升時(shí)，用鋼活塞才能滿足由此提出的對活塞結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求。Federal Mogul公司還將繼續(xù)推動(dòng)這兩種材料活塞的發(fā)展，同時(shí)，還將繼續(xù)優(yōu)化其各自的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及制造工藝。

范明強(qiáng) 譯自 MTZ，2012，73（12）

張 慰 編輯

2013-03-11）

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