高速柴油機(jī)用TopWeld鋼活塞

【德】 D.Gabriel T.Hettich

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高速柴油機(jī)用TopWeld鋼活塞

【德】 D.Gabriel T.Hettich

燃油經(jīng)濟(jì)性法規(guī)要求進(jìn)一步減小活塞的摩擦和提高熱效率。將活塞材料由鋁改成鋼能在這兩方面都得到改善。此外，鋼材料的特性可提高活塞的強(qiáng)度、堅(jiān)固性和耐久性。所有這些好處都能在比鋁活塞更小的壓縮高度下得以實(shí)現(xiàn)。因此，盡管材料密度有所增加，活塞質(zhì)量可以減小。鑒于鋼活塞與鋁活塞一樣，需要對(duì)燃燒室凹坑和環(huán)槽區(qū)域進(jìn)行冷卻，馬勒公司采用1種創(chuàng)新的金屬連接技術(shù)——激光焊接來形成冷卻通道。TopWeld?理念能提供較好的設(shè)計(jì)靈活性，這是其他任何焊接工藝所無法匹敵的。這種設(shè)計(jì)靈活性對(duì)于復(fù)雜的燃燒室?guī)缀涡螤钣葹橛欣?，而現(xiàn)代柴油機(jī)采用復(fù)雜的燃燒室結(jié)構(gòu)是滿足燃油經(jīng)濟(jì)性和排放要求的必須手段。

鋼活塞 激光焊接 柴油機(jī)

0 前言

鋼活塞用于大型車市場(chǎng)(排量在11～16L的大型柴油機(jī))已有幾十年的歷史。在該市場(chǎng)中，最高氣缸壓力接近25MPa，耐久性要求最少為100萬mile*為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。。鋁材料在熱負(fù)荷方面無法承受高氣缸壓力，且疲勞壽命也無法滿足耐久性的要求?；钊圃焐虃兎e累了在這些極端條件下使用鋼活塞的經(jīng)驗(yàn)[1]。

高速柴油機(jī)市場(chǎng)主要由小排量發(fā)動(dòng)機(jī)(轎車用途)占據(jù)。這一市場(chǎng)的份額已在歐洲得到快速增長(zhǎng)。柴油價(jià)格、燃油經(jīng)濟(jì)性及稅收激勵(lì)使得柴油機(jī)選項(xiàng)對(duì)客戶更具吸引力[2-3]。根據(jù)歐洲法規(guī)要求，原始設(shè)備制造商(OEM)需要滿足嚴(yán)格的車隊(duì)CO2排放要求為:到2015年為130g/km；到2020年為95g/km。使用柴油機(jī)是制造商為滿足這些要求而采取的主要策略之一。

預(yù)計(jì)近期高速柴油機(jī)的峰值氣缸壓力不會(huì)超過20MPa[4-5]。采用鋁材料可以達(dá)到約20萬mile的常規(guī)耐久性要求。針對(duì)鋼材料的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力僅取決于鋼活塞對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的預(yù)期改善。

1 高速柴油機(jī)市場(chǎng)

為客戶帶來的上述好處(柴油價(jià)格、由于熱效率提高帶來的燃油經(jīng)濟(jì)性改善，以及稅收激勵(lì))使柴油機(jī)在歐洲的市場(chǎng)份額占到50%～70%(圖1)。這與美國(guó)市場(chǎng)形成了強(qiáng)烈的對(duì)比，在美國(guó)，由于邊界條件不同，高速柴油機(jī)的市場(chǎng)份額可忽略不計(jì)[6]。

盡管如此，美國(guó)與歐洲的燃油經(jīng)濟(jì)性法規(guī)則遵循相同的趨勢(shì)。因此，高速柴油機(jī)在美國(guó)市場(chǎng)或許會(huì)越來越具有吸引力。

北美是在重型車用途領(lǐng)域較早采用全鋼活塞的市場(chǎng)。直至2000年，大多數(shù)大型發(fā)動(dòng)機(jī)都采用鉸接式活塞(鋁活塞裙和鋼活塞頂)[7]。當(dāng)工業(yè)過渡至采用全鋼活塞(鋼活塞裙)時(shí)，車隊(duì)平均燃油經(jīng)濟(jì)性改善了約2%。僅僅改變了活塞類型，而所有其他發(fā)動(dòng)機(jī)條件仍保持不變。這表明了鋼活塞在降低燃油耗方面的巨大價(jià)值。

2 燃油經(jīng)濟(jì)性改善

圖2所示為1臺(tái)典型的高速柴油機(jī)采用鋼活塞與鋁活塞時(shí)燃油經(jīng)濟(jì)性改善情況的比較。燃油經(jīng)濟(jì)性的改善是通過降低摩擦和提高熱效率而得以實(shí)現(xiàn)的。

2.1 摩擦降低

假設(shè)這兩種活塞的冷態(tài)安裝間隙完全相同，由于鋁材料熱膨脹系數(shù)的原因，活塞在工作溫度下會(huì)以過盈配合方式運(yùn)行(圖3)。鋁活塞裙具有一定的柔性，它能使作用在氣缸套上的力最小化，因此，不會(huì)出現(xiàn)活塞擦傷問題。但是，活塞裙部會(huì)存在相當(dāng)大的張力，會(huì)導(dǎo)致摩擦增大。

另一方面，鋼活塞在工作溫度下則不存在過盈配合問題，這樣就能始終保持最小的間隙。因?yàn)椴淮嬖谶^盈配合，活塞摩擦大大減小。由于鋼活塞的剛性結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其彎曲幅度很小，因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)特性圖的運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)活塞裙部與氣缸套的接觸狀況是確定的。

鋼活塞與鋁發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的組合會(huì)面臨挑戰(zhàn)。由于熱膨脹系數(shù)不同，在熱負(fù)荷下，鋁機(jī)體膨脹要比活塞的膨脹來得大，因而會(huì)導(dǎo)致間隙增大。在設(shè)計(jì)階段必須考慮這個(gè)問題，以確保系統(tǒng)的噪聲-振動(dòng)-平順性(NVH)特性在可接受范圍內(nèi)。

高速柴油機(jī)通常在20MPa峰值氣缸壓力(PCP)下工作。為了在高氣缸壓力下滿足疲勞壽命要求，鋁活塞必須具有相當(dāng)大的壓縮高度(圖4)。在PCP工況下，壓縮高度較低的鋁活塞會(huì)導(dǎo)致其燃燒室邊緣產(chǎn)生無法承受的極高應(yīng)力。而鋼活塞能夠承受遠(yuǎn)高于20MPa的峰值氣缸壓力。因此，在考慮鋼材料特性時(shí)，壓縮高度并不受到限制。這樣就有可能通過降低活塞壓縮高度和增加連桿長(zhǎng)度來改變曲柄機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性(圖4)，其結(jié)果能使活塞側(cè)向力和活塞間隙減小，從而對(duì)降低摩擦起到積極的作用(圖5)。在高負(fù)荷條件下，摩擦降低的情況最為顯著，而在低負(fù)荷時(shí)，摩擦大致相同。

2.2 熱效率改善

圖6為1臺(tái)典型高速柴油機(jī)分別采用鋁活塞和鋼活塞時(shí)機(jī)械能、熱能和摩擦損失的解析圖。鋁材料散熱性良好，它有利于活塞在能夠保持足夠強(qiáng)度的溫度范圍內(nèi)工作，同時(shí)，所散失的熱量無法利用，且不能轉(zhuǎn)化成有用的機(jī)械能。而鋼活塞在能量分布上更偏向機(jī)械能，因此，能提高熱效率。總之，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況而定，采用鋼活塞，燃油消耗率最多可改善4.1%(圖7)。

2.3 電子束焊接

與激光焊接活塞較為相近的是電子束焊接活塞。這種類型的活塞已經(jīng)在要求極為嚴(yán)苛的發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)上使用了數(shù)十年。通常，活塞本體由鍛鋁制成，而包含冷卻通道和鑲?cè)Φ沫h(huán)帶部分由鑄鋼材料制成。通過電子束焊接將兩部分連接起來，就能將高強(qiáng)度活塞裙與帶冷卻和耐磨環(huán)槽的活塞頂組合成一體(圖8)。實(shí)例表明，電子束焊接活塞在市場(chǎng)上是極為成功的，且能滿足質(zhì)量和耐久性的要求。

3 TopWeld?理念(激光焊接)

3.1 活塞質(zhì)量

無論選擇鋁活塞還是鋼活塞，需要考慮的重要參數(shù)之一是活塞質(zhì)量?；钊麎嚎s高度是優(yōu)化活塞質(zhì)量時(shí)需要考慮的關(guān)鍵因素。如前所述，鋁活塞在壓縮高度方面具有無法克服的局限。由于材料密度的差異，在相同壓縮高度條件下要使鋁活塞的質(zhì)量與鋼活塞的一樣是無法實(shí)現(xiàn)的。正如前面所說，由于鋼材料不存在壓縮高度方面的限制，因此，可以通過降低壓縮高度來大幅度減少質(zhì)量。此外，鋼活塞在活塞銷處能夠承受更高的單位載荷，活塞銷的尺寸(直徑和長(zhǎng)度)可以明顯減小。除非氣缸體高度可調(diào)，連桿長(zhǎng)度較長(zhǎng)將會(huì)使振蕩質(zhì)量有少量增加。總之，可以通過鋼活塞結(jié)構(gòu)來減小振蕩質(zhì)量(圖9)。

3.2 激光焊接技術(shù)

目前，量產(chǎn)鋼活塞廣泛采用的連接技術(shù)是摩擦焊接，但是，由于焊接過程中施加的負(fù)載會(huì)導(dǎo)致工件變形，因此摩擦焊接具有一定局限性。此外，摩擦焊接需要1條貫穿冷卻通道的橫向分割線(圖10)，而縱向焊縫不可行。而高速柴油機(jī)活塞的冷卻通道通常極窄小，不允許在冷卻通道內(nèi)留有阻礙機(jī)油流動(dòng)和明顯降低冷卻效率的焊縫(圖11)。

為了克服這些限制，研究了激光焊接。像42CrMo4或AFP鋼、38MnVS6等可硬化鋼因其碳當(dāng)量值(CEV)高而很難焊接(42CrMo4：CEV0.78；38MnVS6：CEV0.61)。激光焊接試驗(yàn)顯示，盡管碳當(dāng)量高，其焊接質(zhì)量達(dá)到了令人驚訝的優(yōu)良結(jié)果?？估囼?yàn)結(jié)果證實(shí)，激光焊接零部件的材料強(qiáng)度與摩擦焊接零部件的相當(dāng)。這些極具前景的初步試驗(yàn)觸成了針對(duì)鋼活塞激光焊接的開發(fā)研究項(xiàng)目。

3.3 TopWeld?設(shè)計(jì)理念

由于燃燒室邊緣溫度較高一直是現(xiàn)代高速柴油機(jī)面臨的一項(xiàng)挑戰(zhàn)，因此，技術(shù)人員考慮設(shè)置1個(gè)燃燒室邊緣防護(hù)鋃嵌件。為了設(shè)置鋃嵌件，在冷卻通道頂端布置了1條縱向焊縫，在燃燒室內(nèi)部布置了1條傾斜焊縫。這種設(shè)計(jì)能采用耐熱材料來實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒室的強(qiáng)化(圖12)。

TopWeld?設(shè)計(jì)的另一有利特點(diǎn)是可以在焊接前就輕易地將縮口燃燒室?guī)缀涡螤詈拖鄳?yīng)的冷卻通道加工成型。圖13所示為縮口燃燒室活塞的1個(gè)極端實(shí)例。采用傳統(tǒng)摩擦焊接幾乎不可能制造出這種活塞。然而，利用激光焊接則能制造出非同心的燃燒室結(jié)構(gòu)(圖14)，而摩擦焊接不適用于非同心結(jié)構(gòu)。對(duì)于摩擦焊接來說，燃燒室與冷卻通道和活塞外徑同心是絕對(duì)必須的。

3.4 TopWeld?的焊接質(zhì)量

激光焊接具有非常卓越的焊接質(zhì)量(圖15)，焊接過程連續(xù)，即使在碳當(dāng)量值不理想的條件下焊接也是如此。它已被應(yīng)用于幾種類型發(fā)動(dòng)機(jī)零部件及大量汽車組件的大規(guī)模批量生產(chǎn)。根據(jù)激光行業(yè)的發(fā)展情況，近期用它來批量生產(chǎn)鋼活塞是不成問題的。

3.5 焊接堅(jiān)固性驗(yàn)證

在液壓脈沖器試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)TopWeld?活塞進(jìn)行了活塞頂壓力為35MPa的無故障試驗(yàn)?？紤]到高速柴油機(jī)在最高壓力20MPa條件下工作，因此，TopWeld?活塞的工作邊界相當(dāng)安全。

3.6 發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證

TopWeld?活塞已經(jīng)在全負(fù)荷試驗(yàn)條件下進(jìn)行了幾千h的發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性試驗(yàn)驗(yàn)證。到目前為止，在大型發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用的基礎(chǔ)上已積累了大量耐久性方面的經(jīng)驗(yàn)。而且，技術(shù)人員還在幾臺(tái)高速柴油機(jī)上成功完成了試驗(yàn)。目前正在為大量高速柴油機(jī)生產(chǎn)試驗(yàn)用的活塞樣品，并將與OEM合作對(duì)活塞樣品進(jìn)行試驗(yàn)。

4 結(jié)語

TopWeld?鋼活塞理念能在壓縮高度、縮口燃燒室?guī)缀涡螤?、燃燒室邊緣耐熱材料等方面提供設(shè)計(jì)靈活性。激光焊接活塞允許采用狹窄的冷卻通道且不會(huì)阻礙機(jī)油流動(dòng)。激光焊接可以制造出摩擦焊接無法實(shí)現(xiàn)的非同心燃燒室結(jié)構(gòu)。激光焊接質(zhì)量卓越，且已經(jīng)開發(fā)出用于大規(guī)模量產(chǎn)的激光焊接工藝。鑒于對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性改善的需求，高速柴油機(jī)市場(chǎng)出現(xiàn)了傾向于采用鋼活塞的趨勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼活塞可同時(shí)實(shí)現(xiàn)摩擦降低和熱效率提高的目標(biāo)?？偟膩碚f，燃油消耗率可下降2%～4%。

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孫丹紅 譯自 SAE Paper 2015-01-1723

朱炳全 校

虞 展 編輯

2015-06-02)