重型柴油機(jī)排放升級(jí)，鋼活塞有望得到大幅應(yīng)用

本刊記者|杜紅武|文

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重型柴油機(jī)排放升級(jí)，鋼活塞有望得到大幅應(yīng)用

本刊記者|杜紅武|文

從2017年開始中國(guó)實(shí)施國(guó)Ⅴ排放，鋼活塞的需求量會(huì)大幅度增加，而真正較大的增長(zhǎng)爆發(fā)期應(yīng)該會(huì)從國(guó)Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施開始，屆時(shí)爆發(fā)壓力達(dá)到新的高度，預(yù)計(jì)到2022年，鋼活塞的需求量將達(dá)到200萬只。

AbstractMonosteel Is Expected to be Widely Applied in China Market

During a press event organized by Federal Mogul recently, Mr. Norbert Schneider, Global Director of had broadly and thoroughly exchanged views with reporter of magazine about technical features of Monosteel, and its advantage, application and market demanding in the future, etc.

近日，輝門鋼活塞媒體見面會(huì)在輝門中國(guó)上海總部舉行。輝門動(dòng)力總成重型車輛/能源、工業(yè)及運(yùn)輸產(chǎn)品活塞全球應(yīng)用工程總監(jiān)Norbert Schneider針對(duì)鋼活塞的技術(shù)特點(diǎn)應(yīng)用、優(yōu)勢(shì)、應(yīng)用及未來市場(chǎng)需求等問題與《商用汽車》雜志等國(guó)內(nèi)主流汽車媒體進(jìn)行了深入交流。

鋼活塞的中國(guó)機(jī)遇

隨著高功率、低油耗、低排放的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)的爆發(fā)壓力隨之提升，對(duì)活塞性能提出了更高要求。采用技術(shù)領(lǐng)先的鋼活塞是提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能的必由之路。

爆發(fā)壓力指是發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸里面的工作壓力，與發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率、排放等關(guān)鍵指標(biāo)直接關(guān)系。Norbert Schneider以歐美國(guó)家“1960—2020年重型柴油機(jī)爆發(fā)壓力趨勢(shì)”解釋：1961年，發(fā)動(dòng)機(jī)爆發(fā)壓力只有11 MPa，2000年上升到18 MPa，而隨后幾年，爆發(fā)壓力加速上升，目前已經(jīng)達(dá)到24 MPa，預(yù)計(jì)2020年將達(dá)到27 MPa。目前歐美滿足歐Ⅴ、歐Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)的絕大部分重型柴油機(jī)都是采用鋼活塞，輝門公司從2003年開始在歐美批量投產(chǎn)鋼活塞，并廣泛應(yīng)用于大功率柴油機(jī)上。

目前，中國(guó)全面實(shí)施國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)，部分城市已經(jīng)執(zhí)行國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)；到2017年7月，全國(guó)范圍實(shí)施國(guó)Ⅴ排放，2020年將實(shí)施國(guó)Ⅵ排放。隨著排放要求的升級(jí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的爆發(fā)壓力隨之提升，從原來的低于18 MPa，到國(guó)Ⅴ要超過18 MPa，為鋼活塞的應(yīng)用創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。由此可見，爆發(fā)壓力是整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)改變游戲規(guī)則的一個(gè)非常關(guān)鍵的因素，這也是從國(guó)Ⅴ開始中國(guó)市場(chǎng)需要鋼活塞的原因。

Norbert Schneider對(duì)中國(guó)鋼活塞市場(chǎng)的需求進(jìn)行了預(yù)測(cè)。他認(rèn)為，從2017年開始中國(guó)實(shí)施國(guó)Ⅴ排放，鋼活塞的需求量會(huì)大幅度增加，而真正較大的增長(zhǎng)爆發(fā)期應(yīng)該會(huì)從國(guó)Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施開始，屆時(shí)爆發(fā)壓力達(dá)到新的高度，預(yù)計(jì)到2022年，鋼活塞的需求量將達(dá)到200萬只。

鋼活塞VS鋁活塞

目前國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)絕大多數(shù)采用鋁活塞，那么鋁活塞和鋼活塞有哪些差異？

Norbert Schneider表示，輝門動(dòng)力總成能夠做到鋼活塞比鋁活塞更輕。眾所周知，鋼的強(qiáng)度要比鋁的強(qiáng)度高很多，正是因?yàn)閺?qiáng)度上的差異，使我們能夠把鋼活塞的壓縮高度降到很低，而鋁活塞由于材料的特點(diǎn)，要達(dá)到同樣技術(shù)要求就必須做到很高，壁厚比較厚。而鋼活塞可以做到壁厚很薄，且能滿足并超越同樣的使用要求。如果降低活塞的壓縮高度，帶來的好處是發(fā)動(dòng)機(jī)的高度可以直接降低，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的重量。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)主機(jī)廠來說還有一個(gè)好處就是可以降低成本，節(jié)省材料。

由于鋁和鋼的差異，鋁活塞比鋼活塞熱膨脹系數(shù)更高。所以，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度升高，鋁活塞和缸套之間的間隙會(huì)非常小，接近于零，而鋼活塞仍然可以保證較大間隙。間隙小會(huì)導(dǎo)致摩擦損失較高。由于活塞跟缸套之間工作間隙的不同，鋼活塞比鋁活塞可以節(jié)省1%的燃油。此外，因?yàn)殇摶钊梢猿惺芨叩臏囟群透叩谋l(fā)壓力，發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠可以進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒溫度和燃燒壓力，從而進(jìn)一步降低油耗。

Norbert Schneider還表示，鋼活塞具有更長(zhǎng)的使用壽命。比如，輝門對(duì)一個(gè)已經(jīng)跑了110萬km的活塞進(jìn)行了清洗、分析和測(cè)量，結(jié)果顯示這個(gè)活塞幾乎和新活塞一樣。從技術(shù)角度評(píng)估，這個(gè)活塞完全可以再跑110萬km。所以，鋼活塞是非常耐久可靠的產(chǎn)品。

當(dāng)然，鋼活塞也不會(huì)完全取代鋁活塞。Norbert Schneider表示，排量在11 L、13 L的重型柴油機(jī)上，鋼活塞未來將是主流，雖然不一定完全替代鋁活塞，但是會(huì)占據(jù)絕大部分的市場(chǎng)份額。對(duì)于功率小一點(diǎn)的7 L、9 L發(fā)動(dòng)機(jī)，由于其爆發(fā)壓力比11 L、13 L發(fā)動(dòng)機(jī)低，耐久性要求也會(huì)低些，所以在這些產(chǎn)品中鋁活塞還會(huì)繼續(xù)存在。

輝門Monosteel?鋼活塞的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

據(jù)Norbert Schneider介紹，輝門Monosteel?鋼活塞擁有多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，可保證發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提升。

首先，輝門鋼活塞最關(guān)鍵的特征是采用雙摩擦焊技術(shù)，它同時(shí)具有內(nèi)部和外部2個(gè)摩擦焊點(diǎn)。由于摩擦焊的過程中，接觸點(diǎn)承受了高溫和高壓的作用，焊接處形成了完美的晶粒間的結(jié)合，不會(huì)降低活塞的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。由于采用雙摩擦焊使Monosteel?鋼活塞具備很高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而可以承受更高的爆發(fā)壓力。

其次，基于雙摩擦焊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)特別的活塞冷卻油道。該冷卻油道為封閉、大容量，位置非常接近活塞頭部。該冷卻油道的存在，可以使燃燒室的溫度更高，讓高性能的發(fā)動(dòng)機(jī)成為可能。由于冷卻油道位置非常高，接近活塞喉口區(qū)域，從而保證該區(qū)域的溫度低于材料的限值，很好地解決了發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)不斷提高燃燒室溫度的挑戰(zhàn)。

第三，雙摩擦焊技術(shù)可以增加活塞裙部的長(zhǎng)度。相對(duì)較長(zhǎng)的裙部能夠提高活塞在運(yùn)動(dòng)過程中的穩(wěn)定性，減少二階運(yùn)動(dòng)的影響。由此，可以防止發(fā)動(dòng)機(jī)缸套表面產(chǎn)生穴蝕，這也是重型發(fā)動(dòng)機(jī)上比較常見的失效種類。另外，輝門對(duì)活塞裙部進(jìn)行了涂層等表面處理，還可以降低活塞的運(yùn)動(dòng)過程中的摩擦損失，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

第四，Monosteel?鋼活塞有4道環(huán)槽。通?？吹降幕钊挥?道活塞環(huán)槽，即2道氣環(huán)、1道油環(huán)，而Monosteel?鋼活塞具有第4道環(huán)槽。這個(gè)相對(duì)較大的第4環(huán)槽并不用于安裝活塞環(huán)，它的存在能夠降低鋼活塞重量，有利于控制發(fā)動(dòng)機(jī)的漏氣量和機(jī)油損耗。鋼活塞的第4環(huán)槽是輝門公司的專利技術(shù)。

Norbert Schneider認(rèn)為，中國(guó)的國(guó)Ⅴ和國(guó)Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)，其實(shí)跟歐Ⅴ和歐Ⅵ排放法規(guī)非常接近。從專業(yè)角度來說，經(jīng)過了歐洲和北美市場(chǎng)長(zhǎng)期、廣泛的驗(yàn)證，輝門的Monosteel?鋼活塞同樣會(huì)非常適合于中國(guó)市場(chǎng)。

“2016年，Monosteel?鋼活塞將開始在國(guó)內(nèi)商用車上正式批量應(yīng)用。目前，輝門公司和中國(guó)主機(jī)廠正在進(jìn)行開發(fā)的鋼活塞項(xiàng)目多達(dá)8個(gè)，在項(xiàng)目開發(fā)階段，Monosteel?鋼活塞由北美工廠提供樣品件。”Norbert Schneider表示，“與此同時(shí)，輝門動(dòng)力總成正在加緊中國(guó)本地生產(chǎn)準(zhǔn)備，預(yù)計(jì)2017年，輝門公司青島工廠將批量生產(chǎn)Monosteel?鋼活塞，以滿足中國(guó)用戶需求。”