高速柴油機用TopWeld鋼活塞

【德】 D.Gabriel T.Hettich

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高速柴油機用TopWeld鋼活塞

【德】 D.Gabriel T.Hettich

燃油經濟性法規要求進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度、堅固性和耐久性。所有這些好處都能在比鋁活塞更小的壓縮高度下得以實現。因此，盡管材料密度有所增加，活塞質量可以減小。鑒于鋼活塞與鋁活塞一樣，需要對燃燒室凹坑和環槽區域進行冷卻，馬勒公司采用1種創新的金屬連接技術——激光焊接來形成冷卻通道。TopWeld?理念能提供較好的設計靈活性，這是其他任何焊接工藝所無法匹敵的。這種設計靈活性對于復雜的燃燒室幾何形狀尤為有利，而現代柴油機采用復雜的燃燒室結構是滿足燃油經濟性和排放要求的必須手段。

鋼活塞 激光焊接 柴油機

0 前言

鋼活塞用于大型車市場(排量在11～16L的大型柴油機)已有幾十年的歷史。在該市場中，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。活塞制造商們積累了在這些極端條件下使用鋼活塞的經驗[1]。

高速柴油機市場主要由小排量發動機(轎車用途)占據。這一市場的份額已在歐洲得到快速增長。柴油價格、燃油經濟性及稅收激勵使得柴油機選項對客戶更具吸引力[2-3]。根據歐洲法規要求，原始設備制造商(OEM)需要滿足嚴格的車隊CO2排放要求為:到2015年為130g/km；到2020年為95g/km。使用柴油機是制造商為滿足這些要求而采取的主要策略之一。

預計近期高速柴油機的峰值氣缸壓力不會超過20MPa[4-5]。采用鋁材料可以達到約20萬mile的常規耐久性要求。針對鋼材料的市場驅動力僅取決于鋼活塞對燃油經濟性的預期改善。

1 高速柴油機市場

為客戶帶來的上述好處(柴油價格、由于熱效率提高帶來的燃油經濟性改善，以及稅收激勵)使柴油機在歐洲的市場份額占到50%～70%(圖1)。這與美國市場形成了強烈的對比，在美國，由于邊界條件不同，高速柴油機的市場份額可忽略不計[6]。

盡管如此，美國與歐洲的燃油經濟性法規則遵循相同的趨勢。因此，高速柴油機在美國市場或許會越來越具有吸引力。

北美是在重型車用途領域較早采用全鋼活塞的市場。直至2000年，大多數大型發動機都采用鉸接式活塞(鋁活塞裙和鋼活塞頂)[7]。當工業過渡至采用全鋼活塞(鋼活塞裙)時，車隊平均燃油經濟性改善了約2%。僅僅改變了活塞類型，而所有其他發動機條件仍保持不變。這表明了鋼活塞在降低燃油耗方面的巨大價值。

2 燃油經濟性改善

圖2所示為1臺典型的高速柴油機采用鋼活塞與鋁活塞時燃油經濟性改善情況的比較。燃油經濟性的改善是通過降低摩擦和提高熱效率而得以實現的。

2.1 摩擦降低

假設這兩種活塞的冷態安裝間隙完全相同，由于鋁材料熱膨脹系數的原因，活塞在工作溫度下會以過盈配合方式運行(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，不會出現活塞擦傷問題。但是，活塞裙部會存在相當大的張力，會導致摩擦增大。

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。因為不存在過盈配合，活塞摩擦大大減小。由于鋼活塞的剛性結構導致其彎曲幅度很小，因此，在發動機特性圖的運轉范圍內活塞裙部與氣缸套的接觸狀況是確定的。

鋼活塞與鋁發動機機體的組合會面臨挑戰。由于熱膨脹系數不同，在熱負荷下，鋁機體膨脹要比活塞的膨脹來得大，因而會導致間隙增大。在設計階段必須考慮這個問題，以確保系統的噪聲-振動-平順性(NVH)特性在可接受范圍內。

高速柴油機通常在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大的壓縮高度(圖4)。在PCP工況下，壓縮高度較低的鋁活塞會導致其燃燒室邊緣產生無法承受的極高應力。而鋼活塞能夠承受遠高于20MPa的峰值氣缸壓力。因此，在考慮鋼材料特性時，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度來改變曲柄機構的運動特性(圖4)，其結果能使活塞側向力和活塞間隙減小，從而對降低摩擦起到積極的作用(圖5)。在高負荷條件下，摩擦降低的情況最為顯著，而在低負荷時，摩擦大致相同。

2.2 熱效率改善

圖6為1臺典型高速柴油機分別采用鋁活塞和鋼活塞時機械能、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度的溫度范圍內工作，同時，所散失的熱量無法利用，且不能轉化成有用的機械能。而鋼活塞在能量分布上更偏向機械能，因此，能提高熱效率。總之，根據發動機的運轉工況而定，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在要求極為嚴苛的發動機市場上使用了數十年。通常，活塞本體由鍛鋁制成，而包含冷卻通道和鑲圈的環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，就能將高強度活塞裙與帶冷卻和耐磨環槽的活塞頂組合成一體(圖8)。實例表明，電子束焊接活塞在市場上是極為成功的，且能滿足質量和耐久性的要求。

3 TopWeld?理念(激光焊接)

3.1 活塞質量

無論選擇鋁活塞還是鋼活塞，需要考慮的重要參數之一是活塞質量。活塞壓縮高度是優化活塞質量時需要考慮的關鍵因素。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量與鋼活塞的一樣是無法實現的。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(直徑和長度)可以明顯減小。除非氣缸體高度可調，連桿長度較長將會使振蕩質量有少量增加。總之，可以通過鋼活塞結構來減小振蕩質量(圖9)。

3.2 激光焊接技術

目前，量產鋼活塞廣泛采用的連接技術是摩擦焊接，但是，由于焊接過程中施加的負載會導致工件變形，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。而高速柴油機活塞的冷卻通道通常極窄小，不允許在冷卻通道內留有阻礙機油流動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量值(CEV)高而很難焊接(42CrMo4：CEV0.78；38MnVS6：CEV0.61)。激光焊接試驗顯示，盡管碳當量高，其焊接質量達到了令人驚訝的優良結果。抗拉試驗結果證實，激光焊接零部件的材料強度與摩擦焊接零部件的相當。這些極具前景的初步試驗觸成了針對鋼活塞激光焊接的開發研究項目。

3.3 TopWeld?設計理念

由于燃燒室邊緣溫度較高一直是現代高速柴油機面臨的一項挑戰，因此，技術人員考慮設置1個燃燒室邊緣防護鋃嵌件。為了設置鋃嵌件，在冷卻通道頂端布置了1條縱向焊縫，在燃燒室內部布置了1條傾斜焊縫。這種設計能采用耐熱材料來實現對燃燒室的強化(圖12)。

TopWeld?設計的另一有利特點是可以在焊接前就輕易地將縮口燃燒室幾何形狀和相應的冷卻通道加工成型。圖13所示為縮口燃燒室活塞的1個極端實例。采用傳統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構(圖14)，而摩擦焊接不適用于非同心結構。對于摩擦焊接來說，燃燒室與冷卻通道和活塞外徑同心是絕對必須的。

3.4 TopWeld?的焊接質量

激光焊接具有非常卓越的焊接質量(圖15)，焊接過程連續，即使在碳當量值不理想的條件下焊接也是如此。它已被應用于幾種類型發動機零部件及大量汽車組件的大規模批量生產。根據激光行業的發展情況，近期用它來批量生產鋼活塞是不成問題的。

3.5 焊接堅固性驗證

在液壓脈沖器試驗臺上對TopWeld?活塞進行了活塞頂壓力為35MPa的無故障試驗。考慮到高速柴油機在最高壓力20MPa條件下工作，因此，TopWeld?活塞的工作邊界相當安全。

3.6 發動機驗證

TopWeld?活塞已經在全負荷試驗條件下進行了幾千h的發動機耐久性試驗驗證。到目前為止，在大型發動機應用的基礎上已積累了大量耐久性方面的經驗。而且，技術人員還在幾臺高速柴油機上成功完成了試驗。目前正在為大量高速柴油機生產試驗用的活塞樣品，并將與OEM合作對活塞樣品進行試驗。

4 結語

TopWeld?鋼活塞理念能在壓縮高度、縮口燃燒室幾何形狀、燃燒室邊緣耐熱材料等方面提供設計靈活性。激光焊接活塞允許采用狹窄的冷卻通道且不會阻礙機油流動。激光焊接可以制造出摩擦焊接無法實現的非同心燃燒室結構。激光焊接質量卓越，且已經開發出用于大規模量產的激光焊接工藝。鑒于對燃油經濟性改善的需求，高速柴油機市場出現了傾向于采用鋼活塞的趨勢。試驗結果表明，鋼活塞可同時實現摩擦降低和熱效率提高的目標。總的來說，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)