高性能燃燒室合金對(duì)燃油效率的影響

TRICKER A. EGGER D. KRUS S. BREDDA

內(nèi)燃機(jī)已有120多年的發(fā)展歷史，是1項(xiàng)非常成熟的技術(shù)成果。通過(guò)設(shè)計(jì)、工藝和材料性能的改進(jìn)，內(nèi)燃機(jī)的功率密度和制動(dòng)熱效率顯著提高。隨著計(jì)算機(jī)仿真能力的巨大進(jìn)步，針對(duì)這2個(gè)領(lǐng)域的探索和開(kāi)發(fā)得以大幅提升。目前，材料技術(shù)已成為內(nèi)燃機(jī)效率進(jìn)一步提高的關(guān)鍵?？偨Y(jié)了為活塞、活塞環(huán)、連桿和襯套應(yīng)用開(kāi)發(fā)的一系列替代材料的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。選擇福特Ecoboost 2.3 L RS發(fā)動(dòng)機(jī)作為基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)，利用這些材料的改進(jìn)特性，對(duì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)件進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)?；钊⒒钊N(xiāo)、活塞環(huán)、連桿和襯套在往復(fù)質(zhì)量、機(jī)械效率和狹縫容積方面都有了改善?；谝幌盗蟹€(wěn)態(tài)基準(zhǔn)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了1個(gè)測(cè)功機(jī)試驗(yàn)測(cè)試程序，對(duì)經(jīng)過(guò)一系列改進(jìn)后的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的凈效率進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)將基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)和改裝后的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行比較，用于進(jìn)行將來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試。燃燒室組件;活塞;連桿;襯套;燃油效率;合金材料

0 前言

眾所周知，作為動(dòng)力裝置未來(lái)開(kāi)發(fā)的一部分，內(nèi)燃機(jī)燃油效率必須大大提高，以降低總CO2當(dāng)量（CO2e）的排放，補(bǔ)充并增強(qiáng)電氣化帶來(lái)的收益。在歐盟內(nèi)部，2019/631法規(guī)規(guī)定了新型乘用車(chē)和輕型商用車(chē)的CO2排放性能標(biāo)準(zhǔn)[1]。該法規(guī)設(shè)定了到2025年減排15%和到2030年減排37.5%的排放目標(biāo)（基于2021年起點(diǎn)）。對(duì)于CO2排放量在0～50 g/km之間的零排放和低排放車(chē)輛（ZLEV）也有激勵(lì)措施。如果整車(chē)制造商（OEM）要在車(chē)隊(duì)平均排放基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，則需要對(duì)整個(gè)動(dòng)力裝置選項(xiàng)進(jìn)行重大改變，包括進(jìn)一步提高內(nèi)燃機(jī)效率。

內(nèi)燃機(jī)的材料構(gòu)造對(duì)汽車(chē)工程師和設(shè)計(jì)師具有諸多有利因素，可以幫助其應(yīng)對(duì)當(dāng)前和未來(lái)的挑戰(zhàn)，以提高性能和燃油效率，并減少排放。為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的比制動(dòng)性能和效率，進(jìn)而顯著減少排放，新型材料的機(jī)械和物理性能得到改善，為發(fā)揮顯著的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)提供關(guān)鍵作用。

為了提高燃燒效率，未來(lái)內(nèi)燃機(jī)將開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)放在熱管理及縮小尺寸（或“減小排量”）上[2]。鑒于可用于發(fā)動(dòng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)、仿真和制造技術(shù)的高度發(fā)展，材料特性現(xiàn)已成為提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能和效率的主要限制因素。特別是在燃燒室內(nèi)及燃燒室周?chē)瑐鹘y(tǒng)上用于批量生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的材料缺乏在滿足排放標(biāo)準(zhǔn)日益增長(zhǎng)的內(nèi)燃機(jī)高溫和高壓工作條件下可靠運(yùn)行所需的性能指標(biāo)。當(dāng)前，批量生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)采用包括鑄鐵、鋼、鋁合金和銅合金在內(nèi)的傳統(tǒng)材料。本文考慮了在發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、活塞環(huán)和連桿這3個(gè)主要往復(fù)運(yùn)動(dòng)件中使用先進(jìn)材料構(gòu)造的優(yōu)勢(shì)。這些零部件通常由鋁或鋼制成。本文概述了這3個(gè)零部件的替代材料選項(xiàng)，并展示了如何通過(guò)設(shè)計(jì)更輕且機(jī)械特性更好的零件來(lái)進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)改進(jìn)。

研究人員選擇福特Ecoboost 2.3 L RS發(fā)動(dòng)機(jī)作為基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)，根據(jù)新材料的特性指標(biāo)，對(duì)活塞、活塞環(huán)和連桿進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。本文不單獨(dú)分析氣門(mén)座、氣門(mén)導(dǎo)管或氣缸套材料，但會(huì)對(duì)這些材料進(jìn)行評(píng)估。本文還將介紹在福特2.3 L基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)（Ford EcoBoost 2.3 L RS）和采用全新零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)的同一發(fā)動(dòng)機(jī)（MTRN發(fā)動(dòng)機(jī)）上所進(jìn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)和性能測(cè)試。

1 基礎(chǔ)材料

表1概括介紹了重新設(shè)計(jì)這些零部件所選擇的材料。本文將從各種零部件設(shè)計(jì)的角度出發(fā)概述采用這些材料特性獲得的效益。

1.1 增強(qiáng)型鋁金屬基復(fù)合材料

2124A/SiC/25p屬于顆粒增強(qiáng)鋁金屬基復(fù)合材料（MMC），其中添加了體積分?jǐn)?shù)為25%的碳化硅陶瓷。最新的材料參數(shù)可以在參考文獻(xiàn)[3]中找到。MMC已被用于許多高性能材料應(yīng)用中，并且為降低制造成本而進(jìn)行的工作已使該材料可用于公路汽車(chē)領(lǐng)域[4]。這種材料的機(jī)械和物理性能對(duì)于改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，進(jìn)而改善燃燒效率、質(zhì)量和摩擦力等具有巨大潛力。表2列出了2124/SiC/25p材料的典型性能。

如圖1所示，MMC在高溫下具有出色的抗疲勞強(qiáng)度，與標(biāo)準(zhǔn)2618鋁合金相比，在溫度150～400 ℃范圍內(nèi)的抗疲勞強(qiáng)度提高約1倍。MMC較高的抗疲勞特性可以使原部件減小截面厚度，以達(dá)到減輕活塞質(zhì)量的目標(biāo)。

與鋁合金或過(guò)共晶Al-Si合金相比，MMC通過(guò)添加硬質(zhì)SiC陶瓷顆?？娠@著提高其高溫耐磨性。結(jié)合疲勞特性的改善，可使活塞環(huán)槽進(jìn)一步靠近活塞頂，縮減狹縫容積，進(jìn)而減少未燃燒燃油量。MMC的熱膨脹系數(shù)為16×10-6/℃，低于標(biāo)準(zhǔn)鋁合金，且略低于某些過(guò)共晶Al-Si合金，比標(biāo)準(zhǔn)Al-Si合金（例如2618）低得多。降低熱膨脹系數(shù)可使活塞在起動(dòng)時(shí)與缸套更緊密地配合，從而最大程度地減少了冷起動(dòng)工況期間的漏氣和機(jī)油進(jìn)入。

將這種陶瓷添加到鋁基體中可以使材料的比模量增加到39 GPa/（g·cm-3）。這比所有整體一致的金屬合金（例如鋼、鋁和鈦合金）高50%，也比過(guò)共晶Al-Si合金的高，后者的典型比模量為32 GPa/（g·cm-3）。

如表3所示，這種材料的導(dǎo)熱系數(shù)保持在約150 W/（m·K）的水平，可與其他整體一致的鋁合金相媲美，略高于Al-Si合金（約120 W/（m·K））。這是因?yàn)镾iC的導(dǎo)熱系數(shù)比Si的高。同時(shí)，顆粒增強(qiáng)鋁MMC的導(dǎo)熱系數(shù)較高，也可用于活塞的制造。

1.2 硅化鎳增強(qiáng)銅合金

Cu-7Ni-Si-Cr合金是1種硅化鎳增強(qiáng)銅合金[5]，可應(yīng)用于氣門(mén)導(dǎo)管、氣門(mén)座、活塞環(huán)、氣缸套和滑動(dòng)軸承。表4列出了Cu-Ni-Si-Cr合金的典型機(jī)械性能和物理性能。

與現(xiàn)有材料相比，這種合金具有更高的導(dǎo)熱系數(shù)和更低的摩擦系數(shù)。圖2示出了與可用于活塞頂環(huán)的標(biāo)準(zhǔn)鉻鋼合金相比，Cu-Ni-Si-Cr合金的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系。Cu-Ni-Si-Cr合金的導(dǎo)熱系數(shù)是鋼的4倍，并且比本研究中用于活塞的2124/SiC/25p合金還要高，尤其是在較高的工作溫度下[6]。這樣可以實(shí)現(xiàn)從活塞到缸套，以及從氣門(mén)頭到氣門(mén)座的出色傳熱，從而更好地冷卻高溫氣缸零部件，為優(yōu)化燃燒條件提供了更大的工作范圍，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的排放和動(dòng)力性能。

1.3 旋節(jié)硬化Cu-Ni-Sn合金

Cu-15Ni-8Sn合金是1種旋節(jié)硬化青銅合金[7]，通常應(yīng)用于航空和航天工業(yè)。表5列出了Cu-15Ni-8Sn合金典型的機(jī)械性能和物理性能。在本研究中，研究人員將Cu-Ni-Sn合金用作軸承合金，其耐磨性和低摩擦力使其成為連桿小頭襯套材料的理想選擇。

2 重新設(shè)計(jì)在功率性能和CO2排放方面的優(yōu)勢(shì)

內(nèi)燃機(jī)中有幾種應(yīng)用方案適合于用工程材料來(lái)替代現(xiàn)有材料。這些方案包括燃燒室“熱”區(qū)內(nèi)的許多零部件：活塞、活塞頂環(huán)、連桿、氣門(mén)座、氣門(mén)導(dǎo)管和氣缸套。本文考慮了活塞和活塞銷(xiāo)、連桿和活塞環(huán)的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，將進(jìn)一步考慮氣門(mén)座和導(dǎo)管及缸套材料的應(yīng)用。

2.1 活塞/活塞銷(xiāo)

福特Ecoboost 2.3 L RS發(fā)動(dòng)機(jī)中現(xiàn)有的活塞外形如圖3和圖4所示?；?124/SiC/25p材料的機(jī)械性能和物理性能，研究人員對(duì)活塞進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了一些改進(jìn)。

原活塞在環(huán)槽上鑲有1個(gè)鋼制鑲?cè)?，以減少環(huán)槽磨損，并在發(fā)生低速早燃（LSPI）時(shí)使活塞更加堅(jiān)固（圖3）。當(dāng)活塞采用2124/SiC/25p材料時(shí)，設(shè)計(jì)人員取消了這種鋼制鑲?cè)Φ脑O(shè)計(jì)。由于活塞的高溫耐磨性和抗疲勞性得到改善，采用2124/SiC/25p材料直接減輕了活塞的質(zhì)量。由于這種材料的活塞抗疲勞性提高，因此還可以將環(huán)槽沿著活塞向上移至接近活塞頂。在此活塞中，環(huán)槽向上移動(dòng)了1.67 mm，狹縫容積減少582%。預(yù)計(jì)未燃燒燃油將大量減少[8]。

去除鋼環(huán)鑲?cè)€將改善從活塞至缸套的傳熱性能，因?yàn)?124/SiC/25p MMC材料的導(dǎo)熱系數(shù)比鋼環(huán)鑲?cè)Ω?，?shí)際上2124/SiC/25p材料的導(dǎo)熱系數(shù)比鑄造鋁活塞的導(dǎo)熱系數(shù)還高。這將使活塞溫度降低，并有望降低爆燃現(xiàn)象出現(xiàn)的幾率，從而在較高負(fù)荷下實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化的燃燒定相，或者在低負(fù)荷下通過(guò)提高壓縮比，實(shí)現(xiàn)更為高效的性能。

2124/SiC/25p材料的抗疲勞性可縮短活塞銷(xiāo)，從而使活塞銷(xiāo)與銷(xiāo)孔中活塞之間的接觸面積更小。采用2124/SiC/25p材料設(shè)計(jì)的活塞的活塞銷(xiāo)長(zhǎng)度減小了9.10 mm，活塞銷(xiāo)直徑減小了0.50 mm。活塞銷(xiāo)的總質(zhì)量減輕了19.4 g?；鶞?zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞銷(xiāo)材料是鍛鋼，而MTRN發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的活塞銷(xiāo)是含3%MoCrV的鍛鋼。

基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)采用鑄造鋁合金活塞，而MTRN發(fā)動(dòng)機(jī)活塞所采用的制造方法是凈成形鍛造活塞頂，以最大程度地降低加工成本。2124/SiC/25p材料可改善疲勞性能，可使活塞的總截面減小。但是，由于無(wú)法鍛造出鑄件中常見(jiàn)的懸垂特征，因此截面減小量受到限制。盡管如此，活塞體積減少了26.6%，這使活塞質(zhì)量比當(dāng)前生產(chǎn)型活塞減輕了76.5 g。

這些特性還允許將活塞銷(xiāo)孔進(jìn)一步向活塞上方移動(dòng)，從而減小壓縮高度并延長(zhǎng)連桿長(zhǎng)度。較長(zhǎng)的連桿通過(guò)減少活塞在氣缸孔徑方向上的側(cè)向負(fù)荷來(lái)減少摩擦。在MTRN活塞中，壓縮高度降低了4.95 mm。在這種設(shè)計(jì)中，盡管連桿的高度盡可能高，但在理論上沒(méi)有進(jìn)一步減小活塞頂厚度的可能性，因此無(wú)法進(jìn)一步改善壓縮高度。為了與基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果相比較，MTRN發(fā)動(dòng)機(jī)活塞頂?shù)脑O(shè)計(jì)保持不變，以保持相同的壓縮比。表6總結(jié)了MTRN活塞的改進(jìn)措施。

2.2 連桿

現(xiàn)有的連桿采用標(biāo)準(zhǔn)的汽車(chē)等級(jí)燒結(jié)鋼制造。重新設(shè)計(jì)的活塞采用2124/SiC/25p材料制造。這種材料的等級(jí)與新活塞材料的相同。

2124/SiC/25p材料的絕對(duì)剛度相對(duì)低于鋼（205 GPa），但是由于鋁合金的密度低于鋼，因此新材料的比剛度明顯更高。MMC的絕對(duì)剛度與標(biāo)準(zhǔn)鈦合金相同，但密度比鈦合金小35%。最終的連桿設(shè)計(jì)比現(xiàn)有的鋼制連桿輕41%。圖5示出了現(xiàn)有連桿和采用2124/SiC/25p材料制成的MTRN發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的外形對(duì)比。

隨著壓縮高度的變化，連桿延長(zhǎng)了4.95 mm。此外，連桿小頭襯套采用Cu-Ni-Sn合金制成，與現(xiàn)有的汽車(chē)軸承解決方案相比具有顯著的耐磨性。雖然該方案不會(huì)減輕任何質(zhì)量，但為將來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試提供了一定程度的連桿強(qiáng)度，且不會(huì)增加摩擦力。

應(yīng)當(dāng)指出，由于活塞材料和Cu-Ni-Sn連桿小頭襯套磨損性能的改善，連桿被設(shè)計(jì)成由活塞引導(dǎo)而不是由曲柄引導(dǎo)。預(yù)期這一改進(jìn)將降低在較高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的摩擦損失。

表7顯示了MTRN發(fā)動(dòng)機(jī)連桿相對(duì)于原機(jī)型連桿的優(yōu)勢(shì)。除了更輕的組件外，由于連桿較長(zhǎng)，作用在連桿上的二階力也會(huì)變得更低。

2.3 壓縮環(huán)

內(nèi)燃機(jī)中的活塞環(huán)具有3個(gè)主要功能：（1）密封燃燒室，以最大程度地減少曲軸箱的氣體損失;（2）從活塞到氣缸壁的傳熱;（3）通過(guò)將機(jī)油從氣缸壁刮回到油底殼來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)油耗。

頂環(huán)主要與前2個(gè)功能相關(guān)聯(lián)?，F(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)中的壓縮環(huán)通常由鉻鋼或球墨鑄鐵/鋼制成。這些材料具有良好的耐磨性。但是，它們的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較低，特別是與鋁合金相比。將熱量從活塞傳遞到氣缸壁是頂環(huán)的另外1個(gè)主要功能，但自頂環(huán)被引入現(xiàn)代四行程發(fā)動(dòng)機(jī)以來(lái)，頂環(huán)結(jié)構(gòu)的變化相對(duì)較小。

Bredda所做的研究[9]表明，通過(guò)采用更高導(dǎo)熱系數(shù)的頂環(huán)，例如將活塞環(huán)材料由鐵改為Cu-Ni-Si-Cr材料，可將活塞平均溫度降低20 ℃，見(jiàn)圖6。這對(duì)提高活塞工作溫度和降低爆燃極限，以及改變點(diǎn)火正時(shí)以提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率都具有重大影響。

降低壓縮環(huán)周?chē)幕钊敎囟仁?種替代方法。該方法可以使頂環(huán)槽進(jìn)一步沿著活塞向上移動(dòng)?；钊麥囟雀咄ǔ?huì)導(dǎo)致環(huán)槽磨損，這是包括鋼環(huán)鑲?cè)驅(qū)嚎s環(huán)槽定位在活塞上較低位置的主要原因。

這種活塞環(huán)的設(shè)計(jì)適合于現(xiàn)有的活塞，以及MTRN發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞。

3 MTRN發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試

內(nèi)燃機(jī)中往復(fù)運(yùn)動(dòng)件的重新設(shè)計(jì)將對(duì)有效燃油消耗率（BSFC）和發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率產(chǎn)生可觀的影響。其效益主要有：（1）往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量較輕;（2）通過(guò)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)降低摩擦;（3）平均軸承負(fù)荷較低;（4）縫隙容積減小;（5）活塞工作溫度較低;（6）二階力較低。

該效益將通過(guò)考斯沃斯公司在英國(guó)北安普敦市進(jìn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試來(lái)進(jìn)行衡量。這些發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試將包括對(duì)未經(jīng)修改的福特Ecoboost 2.3 L RS發(fā)動(dòng)機(jī)和采用上述重新設(shè)計(jì)活塞、活塞銷(xiāo)、活塞環(huán)和連桿的MTRN發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行基準(zhǔn)對(duì)比測(cè)試。

該發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試將考慮所有標(biāo)準(zhǔn)的可測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)指標(biāo)，例如功率、轉(zhuǎn)速、扭矩等。發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試將對(duì)應(yīng)圖7所示發(fā)動(dòng)機(jī)特性圖上的參照點(diǎn)。這些參照點(diǎn)是行業(yè)內(nèi)和整車(chē)廠的標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)，以及全球統(tǒng)一的輕型車(chē)輛測(cè)試程序（WLTP）行駛循環(huán)中具有代表性的“高滯留”工作點(diǎn)和全負(fù)荷基準(zhǔn)點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試還將考慮一些中負(fù)荷、中轉(zhuǎn)速的基準(zhǔn)點(diǎn)，以更好地測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)效率，并對(duì)低于指定燃油消耗率的發(fā)動(dòng)機(jī)工作范圍進(jìn)行比較。根據(jù)車(chē)輛質(zhì)量和變速比的選擇，該度量標(biāo)準(zhǔn)直接表明了應(yīng)用的靈活性，以便發(fā)動(dòng)機(jī)可以在更寬廣的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)節(jié)油運(yùn)行。

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