Mercedes-Benz車用柴油機鋼活塞

【德】 J.SchommersV.Lagemann　J.Bhm　S.Binder

零部件

Mercedes-Benz車用柴油機鋼活塞

【德】 J.SchommersV.LagemannJ.BhmS.Binder

長期以來，鋼活塞一直用于載貨車用柴油機。2014年，Daimler公司作為最早的汽車制造商將鋼活塞應(yīng)用于轎車柴油機?，F(xiàn)在鋼活塞不僅用于Daimler公司OM626和OM607柴油機的傳統(tǒng)灰鑄鐵氣缸套曲軸箱，還首次用于OM642-V6柴油機全鋁氣缸體曲軸箱與“Nanoslide”氣缸工作表面涂層的組合。

鋼活塞鋁活塞降低摩擦柴油機

1　進一步提高效率成為關(guān)注的焦點

由于內(nèi)燃機動力裝置占據(jù)統(tǒng)治地位，采取熱力學措施和機械措施進一步提高其效率，對于滿足不同國際市場需求具有重要意義，而其中降低發(fā)動機機內(nèi)摩擦損失是最有效的措施之一［1-2］。除此之外，新的或高強度材料為高負荷的子系統(tǒng)在減輕質(zhì)量、提高效率和延長使用壽命方面提供了新的設(shè)計潛力。柴油機因峰值壓力高而具有高強度的活塞結(jié)構(gòu)型式，并具有較大的降低摩擦的潛力，其中1種替代方法就是應(yīng)用鋼活塞。在載貨車柴油機上［3］，除了鋁活塞之外還使用鋼活塞，而在轎車柴油機上至今尚未為量產(chǎn)開發(fā)鋼活塞。

2　活塞組件的高摩擦份額

通常，在發(fā)動機摩擦中，活塞組件的機械損失占據(jù)了最大的份額，因此近年來已成為優(yōu)化的重點。除了諸如改進活塞環(huán)幾何參數(shù)和減小活塞環(huán)預(yù)張力等傳統(tǒng)方法之外，在氣缸工作表面，通過精細、超精細珩磨或采用“Nanoslide”工藝的氣缸工作表面涂層取得了重大的進展。在機械開發(fā)、氣缸內(nèi)工作過程計算、Daimler研究中心等部門及活塞供應(yīng)商的密切合作下，所使用的鋁活塞的配合間隙和金相組織在與各自氣缸套的匹配中得到了優(yōu)化，例如2.1 L 4缸柴油機（鋁活塞與灰鑄鐵氣缸套曲軸箱配對）的活塞裙部摩擦得到了明顯的降低［4-6］。在上述措施顯示出重大潛力并能夠轉(zhuǎn)化成量產(chǎn)之后，Daimler公司將所取得的成果用于開發(fā)柴油機鋼活塞。

3　活塞與氣缸體曲軸箱的材料配對

在與灰鑄鐵氣缸體曲軸箱配對的情況下，鋁活塞配缸間隙較大會導致冷起動時出現(xiàn)敲缸現(xiàn)象，而傳統(tǒng)的冷起動聲學優(yōu)化設(shè)計通常又會導致熱機時的配缸間隙非常緊，從而對摩擦產(chǎn)生不利影響。對于優(yōu)化活塞的功能而言，由于溫度分布不均勻，以及材料配對各不相同，熱間隙起著決定性的作用。鋁活塞和鋼活塞與各種不同的氣缸體曲軸箱材料配對會產(chǎn)生各不相同的運行間隙。圖1示出了各種材料配對實例的活塞間隙狀況。當活塞從雙側(cè)導向變成單側(cè)導向時，就能獲得摩擦技術(shù)上優(yōu)化，防止活塞裙部因產(chǎn)生液壓動力而發(fā)生較大的變形，并導致混合摩擦成分增加。鋼活塞與鋁活塞相比膨脹系數(shù)小，因而特別適合于鋼活塞與鋁氣缸體曲軸箱配對，在活塞與氣缸體曲軸箱材料配對比較中，它們能獲得最小的冷起動配缸間隙和最大的熱機配缸間隙，特別是在活塞溫度高的情況下能對降低摩擦功率產(chǎn)生有利的影響。

4　鋼活塞的結(jié)構(gòu)型式

鋼活塞與鋁活塞的主要區(qū)別是氣缸壓縮高度不同。圖2示出了2種材料活塞設(shè)計方案的比較。其中鋼活塞采用42CrMo4合金鋼制成的整體式鍛件。與鋁相比，42CrMo4合金鋼具有非常高的高溫強度，這就彌補了其密度較大的缺點。42CrMo4合金鋼的密度為7.7 g/cm3，在相同體積下要比密度為2.8 g/cm3的鋁重1倍多。通過采用盡可能薄壁的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及降低活塞高度和縮短活塞銷長度等措施，鋼活塞的質(zhì)量幾乎與鋁活塞相同。為了獲得最佳的振動舒適性，鋼活塞必須達到鋁活塞那樣小的質(zhì)量公差，為此所開發(fā)的鍛造工藝精度已達到新的最高水平。

5　鋁活塞和鋼活塞的溫度狀況

與42CrMo4合金鋼導熱率42 W/（m·K）相比，鋁的導熱率為236 W/（m·K），是鋼的5倍，這就導致在相同的燃燒溫度下鋼活塞的溫度更高。鋼活塞開發(fā)的主要挑戰(zhàn)在于有針對性地散熱，特別是燃燒室唇口區(qū)域的散熱。如果達不到這樣的散熱效果，那么隨著表面生成氧化層，就會在機械負荷和熱負荷高的區(qū)域產(chǎn)生裂縫并會氧化發(fā)動機機油，在機油冷卻通道范圍內(nèi)形成機油積炭。機油冷卻通道的位置和形狀已經(jīng)過計算優(yōu)化，通過溫度敏感性的研究并用測量結(jié)果校準查明，在壁厚優(yōu)化的情況下溫度具有降低約70 K的潛力，而所示出的鋼活塞結(jié)構(gòu)型式的燃燒室凹坑形狀方案溫度具有降低約20 K的潛力。通過取消機油冷卻通道中的摩擦焊接凸緣能改善機油冷卻效果，從而明顯減少了機油積炭。通過活塞機油冷卻噴嘴幾何參數(shù)的附加優(yōu)化，在不提高機油泵功率，即采用與當前量產(chǎn)發(fā)動機一樣的機油供應(yīng)量的前提下，成功地實現(xiàn)了V6柴油機鋼活塞的有效冷卻。

6　鋼活塞應(yīng)用于基礎(chǔ)發(fā)動機

與鋁活塞相比，鋼活塞的結(jié)構(gòu)型式較小，因而從原理上來講，能為未來新一代柴油機減輕質(zhì)量和減小結(jié)構(gòu)空間開辟更大的潛力，其中降低氣缸體曲軸箱上體的高度，這樣就能在如汽車總體尺寸和被動安全性（優(yōu)化行人保護性能）方面帶來好處。OM642-V6柴油機因鋼活塞集成在現(xiàn)有的基礎(chǔ)發(fā)動機上而無需進行改動。

鋼活塞在鋁氣缸體曲軸箱中的熱機運行間隙增大，以及活塞裙部剛度較大，會導致對氣缸壁面的機械撞擊趨于增大，需要解決關(guān)于摩擦功率規(guī)范、冷熱天氣時的功能，以及噪聲舒適性方面的目標沖突。為此，在與活塞制造商的密切合作中，運用了最先進的模擬計算方法，并提出了鋼活塞的優(yōu)化措施。為了能評估固體傳聲激勵，對氣缸壁的振動速度進行評定分析（圖3）。

OM642柴油機降低鋼活塞固體傳聲激勵的措施與活塞裙部廓線、裙部剛度、活塞銷軸線的偏移量，以及氣缸體曲軸箱材料品質(zhì)有關(guān)。取消灰鑄鐵氣缸套使得氣缸工作表面在涂覆“Nanoslide”涂層前，借助于熱處理顯著地提高砂型鑄造材料AlSi8Cu3合金鋁的延展性。

此外，采用空氣傳聲和固體傳聲測量在試驗臺和汽車上進行噪聲特性試驗。圖3（b）作為實例示出了采用鋁活塞和鋼活塞的柴油機在汽車試驗臺上進行空氣傳聲測量結(jié)果的比較。鋼活塞的激勵頻譜在個別頻率范圍內(nèi)既有優(yōu)點也有缺點。由機械條件所決定的噪聲的差別在主觀感覺上幾乎無法確定。強烈和低沉響聲主要是由較迅速的燃燒轉(zhuǎn)化所產(chǎn)生。

7　鋼活塞與鋁氣缸體曲軸箱配對的摩擦優(yōu)勢

活塞摩擦通過模擬試驗運行來確定，這種模擬考慮了包括混合摩擦接觸在內(nèi)的彈性流體動力學摩擦模型。在V6柴油機著火運行時，鋁活塞主要是雙側(cè)導向，而使用鋼活塞時，因熱機間隙較大而發(fā)揮了活塞單側(cè)摩擦的優(yōu)勢。從圖4可以看到，在所示的2種運行工況點上，鋼活塞裙部摩擦功率分布降低了35%和47%。當然，由于測量技術(shù)上達不到所必需的活塞和氣缸壁面溫度，因而無法通過傳統(tǒng)的倒拖摩擦試驗來證實這種摩擦功率方面的優(yōu)勢，為此必須借助于示功圖和轉(zhuǎn)矩測量進行著火運行特性曲線場試驗。

8　鋼活塞相對于鋁活塞的熱力學優(yōu)勢

圖5（a）中的差值特性曲線場示出了鋼活塞摩擦和熱力學方面綜合優(yōu)勢改善發(fā)動機有效效率的狀況，而從圖5（b）中的差值特性曲線場，則可看出鋼活塞純粹熱力學方面明顯改善高壓指示壓力的效果。其中，熱力學方面的差異是鋼活塞的活塞頂表面溫度較高所產(chǎn)生的效果，因為鋼材料的低導熱率和高熱容量而積聚了熱量。

柴油機典型的不完全燃燒使得對曲軸所作的功減少。燃油應(yīng)該在點火上止點時盡可能完全燃燒，這樣能導致較高的等容度，對高壓過程會產(chǎn)生決定性的影響。在使用鋼活塞的情況下，燃油所含有的能量可更快地轉(zhuǎn)化，并縮短燃燒持續(xù)期。

高的活塞溫度更有利于燃油能量的快速轉(zhuǎn)化，使得充量在進氣和壓縮行程階段就被加熱，從而縮短了著火滯后期，因此使用鋼活塞時工作過程的溫度和壓力也更高。

較熱的活塞表面提高了溫度水平，這有利于噴嘴附近燃油的蒸發(fā)，導致較早地著火，而較高的燃燒早期階段的溫度水平又能提高反應(yīng)活性，從而能達到較高的火焰溫度和較快的壓力升高。

鋼活塞時較高的氣體溫度大多導致與鋁活塞時相似的壁面熱損失，因為所引起的氣體與壁面之間的溫度落差大致相同。雖然鋼活塞較熱，但是氣體也較熱，因而根據(jù)運行工況點的不同，壁面熱損失甚至可能提高。由于工作過程溫度和氣缸壓力均較高，傳熱系數(shù)的變化僅是次要的。鋼活塞較小的傳熱能力，在非穩(wěn)態(tài)運行和加熱階段期間，會使表面溫度提高。相對于上述所示的穩(wěn)態(tài)特性曲線場，這種較快的加熱特性在廢氣試驗時會帶來其他方面的優(yōu)點。

9　結(jié)論與展望

從2014年9月起，Dailmer公司在E350-BlueTEC轎車上應(yīng)用了鋼活塞，其中特別突出的是至今尚未應(yīng)用的鋼活塞與具有“Nanoslide”氣缸工作表面涂層的全鋁氣缸體曲軸箱的配對組合，再與其他降低燃油耗的措施相結(jié)合，新歐洲行駛循環(huán)的CO2排放量達到了133 g/km，這相當于燃油耗值為每百公里5.0 L。

Dailmer公司在使用鋁氣缸體曲軸箱的OM642-V6柴油機的同時，與合作伙伴Renault公司一起，在2種上市銷售的4缸柴油機OM626［7］和OM607上，還應(yīng)用了鋼活塞與灰鑄鐵氣缸體曲軸箱的配對組合。鋼活塞已發(fā)展成為Mercedes-Benz轎車柴油機的最新技術(shù)標準，因而也成為未來進一步提高發(fā)動機升功率的技術(shù)基礎(chǔ)［8］。

［1］Schommers J，Doll G，Weller R，u.a.Reibleistungsoptimierungbasis für dei zukunftsfhigkeit der verbrennungsmotoren［C］.33. Internationales Wiener Motorensymposium，2012.

［2］Scheib H，Hartweg M，Heyd M，u.a.Konsequente reibleistungsund verbrauchsreduktion am beispidl der neuen Merchdes-Benz V6-undV8-Ottomotoren［ C］.2.ATZlive-Fachtagung “Reibungsminimierung im Antriebsstrang”，Essli-ngen，2011.

［3］Kreso A，Behr T，Maier S，et al.Friction optimization heavy duty truckengines［C］.13.InternationalesStuttgarterSymposium，2013.

［4］Lagemann V，Bosler A，Mueller F，u.a.Optimierung der kolbenreibung durch konsequenten einsatz virtueller prüflufe in der motorenentwichlung［C］.3.ATZlive-Fachtagung“Reibungsminimierung im Antriebsstrang”，Esslingen，2013.

［5］Schommers J，Scheib H，Hartweg M，u.a.Reibungsminimie-rung bei verbrennungsmotoren［J］.MTZ，2013，74（7-8）.

［6］Lückert P，Busenthür D，Arndt S，u.a.The Mercedes-Benz OM 651 Four-Cylinder diesel engine for worldwide Use［C］.22. Aachener Kolloquium Fahrzeug-und Motorentechnik，2013.

［7］Andres C，Ebelsheiser O，Gdeche T，u.a.Vier gewinnt［J］. ATZextra“Die neue C-Klasse von Mercedes-Benz”，2014：48-55.

［8］Schommers J，Eder T，Behr T，u.a.Steel piston for diesel passenger car engines-efficient，sustainable and light［C］.23. Aachener Kollo-quium Fahrzeug-und Motorentechnik，2014.

范明強譯自MTZ，2015，76（6）

何丹妮編輯

2015-08-04）