TRICKER A. EGGER D. KRUS S. BREDDA

內(nèi)燃機已有120多年的發(fā)展歷史，是1項非常成熟的技術成果。通過設計、工藝和材料性能的改進，內(nèi)燃機的功率密度和制動熱效率顯著提高。隨著計算機仿真能力的巨大進步，針對這2個領域的探索和開發(fā)得以大幅提升。目前，材料技術已成為內(nèi)燃機效率進一步提高的關鍵?？偨Y了為活塞、活塞環(huán)、連桿和襯套應用開發(fā)的一系列替代材料的設計優(yōu)勢。選擇福特Ecoboost 2.3 L RS發(fā)動機作為基準發(fā)動機，利用這些材料的改進特性，對往復運動件進行了重新設計?；钊⒒钊N、活塞環(huán)、連桿和襯套在往復質量、機械效率和狹縫容積方面都有了改善?；谝幌盗蟹€(wěn)態(tài)基準點，設計了1個測功機試驗測試程序，對經(jīng)過一系列改進后的發(fā)動機運行的凈效率進行評估。通過將基準發(fā)動機和改裝后的發(fā)動機進行比較，用于進行將來的發(fā)動機測試。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，作為動力裝置未來開發(fā)的一部分，內(nèi)燃機燃油效率必須大大提高，以降低總CO2當量（CO2e）的排放，補充并增強電氣化帶來的收益。在歐盟內(nèi)部，2019/631法規(guī)規(guī)定了新型乘用車和輕型商用車的CO2排放性能標準[1]。該法規(guī)設定了到2025年減排15%和到2030年減排37.5%的排放目標（基于2021年起點）。對于CO2排放量在0～50 g/km之間的零排放和低排放車輛（ZLEV）也有激勵措施。如果整車制造商（OEM）要在車隊平均排放基礎上實現(xiàn)這些目標，則需要對整個動力裝置選項進行重大改變，包括進一步提高內(nèi)燃機效率。

內(nèi)燃機的材料構造對汽車工程師和設計師具有諸多有利因素，可以幫助其應對當前和未來的挑戰(zhàn)，以提高性能和燃油效率，并減少排放。為了提高發(fā)動機的比制動性能和效率，進而顯著減少排放，新型材料的機械和物理性能得到改善，為發(fā)揮顯著的設計優(yōu)勢提供關鍵作用。

為了提高燃燒效率，未來內(nèi)燃機將開發(fā)的重點放在熱管理及縮小尺寸（或“減小排量”）上[2]。鑒于可用于發(fā)動機零部件設計、仿真和制造技術的高度發(fā)展，材料特性現(xiàn)已成為提高發(fā)動機性能和效率的主要限制因素。特別是在燃燒室內(nèi)及燃燒室周圍，傳統(tǒng)上用于批量生產(chǎn)發(fā)動機的材料缺乏在滿足排放標準日益增長的內(nèi)燃機高溫和高壓工作條件下可靠運行所需的性能指標。當前，批量生產(chǎn)的發(fā)動機采用包括鑄鐵、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)動機活塞、活塞環(huán)和連桿這3個主要往復運動件中使用先進材料構造的優(yōu)勢。這些零部件通常由鋁或鋼制成。本文概述了這3個零部件的替代材料選項，并展示了如何通過設計更輕且機械特性更好的零件來進行內(nèi)燃機改進。

研究人員選擇福特Ecoboost 2.3 L RS發(fā)動機作為基準發(fā)動機，根據(jù)新材料的特性指標，對活塞、活塞環(huán)和連桿進行了重新設計。本文不單獨分析氣門座、氣門導管或氣缸套材料，但會對這些材料進行評估。本文還將介紹在福特2.3 L基準發(fā)動機（Ford EcoBoost 2.3 L RS）和采用全新零部件進行設計的同一發(fā)動機（MTRN發(fā)動機）上所進行的發(fā)動機臺架試驗和性能測試。

1 基礎材料

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

1.1 增強型鋁金屬基復合材料

2124A/SiC/25p屬于顆粒增強鋁金屬基復合材料（MMC），其中添加了體積分數(shù)為25%的碳化硅陶瓷。最新的材料參數(shù)可以在參考文獻[3]中找到。MMC已被用于許多高性能材料應用中，并且為降低制造成本而進行的工作已使該材料可用于公路汽車領域[4]。這種材料的機械和物理性能對于改進發(fā)動機設計，進而改善燃燒效率、質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度，與標準2618鋁合金相比，在溫度150～400 ℃范圍內(nèi)的抗疲勞強度提高約1倍。MMC較高的抗疲勞特性可以使原部件減小截面厚度，以達到減輕活塞質量的目標。

與鋁合金或過共晶Al-Si合金相比，MMC通過添加硬質SiC陶瓷顆粒可顯著提高其高溫耐磨性。結合疲勞特性的改善，可使活塞環(huán)槽進一步靠近活塞頂，縮減狹縫容積，進而減少未燃燒燃油量。MMC的熱膨脹系數(shù)為16×10-6/℃，低于標準鋁合金，且略低于某些過共晶Al-Si合金，比標準Al-Si合金（例如2618）低得多。降低熱膨脹系數(shù)可使活塞在起動時與缸套更緊密地配合，從而最大程度地減少了冷起動工況期間的漏氣和機油進入。

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））。這是因為SiC的導熱系數(shù)比Si的高。同時，顆粒增強鋁MMC的導熱系數(shù)較高，也可用于活塞的制造。

1.2 硅化鎳增強銅合金

Cu-7Ni-Si-Cr合金是1種硅化鎳增強銅合金[5]，可應用于氣門導管、氣門座、活塞環(huán)、氣缸套和滑動軸承。表4列出了Cu-Ni-Si-Cr合金的典型機械性能和物理性能。

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)的標準鉻鋼合金相比，Cu-Ni-Si-Cr合金的導熱系數(shù)與溫度的關系。Cu-Ni-Si-Cr合金的導熱系數(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]。這樣可以實現(xiàn)從活塞到缸套，以及從氣門頭到氣門座的出色傳熱，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，以實現(xiàn)優(yōu)異的排放和動力性能。

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]，通常應用于航空和航天工業(yè)。表5列出了Cu-15Ni-8Sn合金典型的機械性能和物理性能。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 重新設計在功率性能和CO2排放方面的優(yōu)勢

內(nèi)燃機中有幾種應用方案適合于用工程材料來替代現(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、氣門座、氣門導管和氣缸套。本文考慮了活塞和活塞銷、連桿和活塞環(huán)的設計注意事項，將進一步考慮氣門座和導管及缸套材料的應用。

2.1 活塞/活塞銷

福特Ecoboost 2.3 L RS發(fā)動機中現(xiàn)有的活塞外形如圖3和圖4所示。基于2124/SiC/25p材料的機械性能和物理性能，研究人員對活塞進行了重新設計，并進行了一些改進。

原活塞在環(huán)槽上鑲有1個鋼制鑲圈，以減少環(huán)槽磨損，并在發(fā)生低速早燃（LSPI）時使活塞更加堅固（圖3）。當活塞采用2124/SiC/25p材料時，設計人員取消了這種鋼制鑲圈的設計。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)槽向上移動了1.67 mm，狹縫容積減少582%。預計未燃燒燃油將大量減少[8]。

去除鋼環(huán)鑲圈還將改善從活塞至缸套的傳熱性能，因為2124/SiC/25p MMC材料的導熱系數(shù)比鋼環(huán)鑲圈高，實際上2124/SiC/25p材料的導熱系數(shù)比鑄造鋁活塞的導熱系數(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，從而在較高負荷下實現(xiàn)更優(yōu)化的燃燒定相，或者在低負荷下通過提高壓縮比，實現(xiàn)更為高效的性能。

2124/SiC/25p材料的抗疲勞性可縮短活塞銷，從而使活塞銷與銷孔中活塞之間的接觸面積更小。采用2124/SiC/25p材料設計的活塞的活塞銷長度減小了9.10 mm，活塞銷直徑減小了0.50 mm?；钊N的總質量減輕了19.4 g。基準發(fā)動機的活塞銷材料是鍛鋼，而MTRN發(fā)動機設計的活塞銷是含3%MoCrV的鍛鋼。

基準發(fā)動機采用鑄造鋁合金活塞，而MTRN發(fā)動機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，由于無法鍛造出鑄件中常見的懸垂特征，因此截面減小量受到限制。盡管如此，活塞體積減少了26.6%，這使活塞質量比當前生產(chǎn)型活塞減輕了76.5 g。

這些特性還允許將活塞銷孔進一步向活塞上方移動，從而減小壓縮高度并延長連桿長度。較長的連桿通過減少活塞在氣缸孔徑方向上的側向負荷來減少摩擦。在MTRN活塞中，壓縮高度降低了4.95 mm。在這種設計中，盡管連桿的高度盡可能高，但在理論上沒有進一步減小活塞頂厚度的可能性，因此無法進一步改善壓縮高度。為了與基準發(fā)動機試驗測試結果相比較，MTRN發(fā)動機活塞頂?shù)脑O計保持不變，以保持相同的壓縮比。表6總結了MTRN活塞的改進措施。

2.2 連桿

現(xiàn)有的連桿采用標準的汽車等級燒結鋼制造。重新設計的活塞采用2124/SiC/25p材料制造。這種材料的等級與新活塞材料的相同。

2124/SiC/25p材料的絕對剛度相對低于鋼（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的絕對剛度與標準鈦合金相同，但密度比鈦合金小35%。最終的連桿設計比現(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)動機連桿的外形對比。

隨著壓縮高度的變化，連桿延長了4.95 mm。此外，連桿小頭襯套采用Cu-Ni-Sn合金制成，與現(xiàn)有的汽車軸承解決方案相比具有顯著的耐磨性。雖然該方案不會減輕任何質量，但為將來的發(fā)動機測試提供了一定程度的連桿強度，且不會增加摩擦力。

應當指出，由于活塞材料和Cu-Ni-Sn連桿小頭襯套磨損性能的改善，連桿被設計成由活塞引導而不是由曲柄引導。預期這一改進將降低在較高發(fā)動機轉速下的摩擦損失。

表7顯示了MTRN發(fā)動機連桿相對于原機型連桿的優(yōu)勢。除了更輕的組件外，由于連桿較長，作用在連桿上的二階力也會變得更低。

2.3 壓縮環(huán)

內(nèi)燃機中的活塞環(huán)具有3個主要功能：（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）通過將機油從氣缸壁刮回到油底殼來調節(jié)機油耗。

頂環(huán)主要與前2個功能相關聯(lián)?，F(xiàn)代內(nèi)燃機中的壓縮環(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，它們的導熱系數(shù)相對較低，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個主要功能，但自頂環(huán)被引入現(xiàn)代四行程發(fā)動機以來，頂環(huán)結構的變化相對較小。

Bredda所做的研究[9]表明，通過采用更高導熱系數(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 ℃，見圖6。這對提高活塞工作溫度和降低爆燃極限，以及改變點火正時以提高發(fā)動機燃燒效率都具有重大影響。

降低壓縮環(huán)周圍的活塞頂溫度是1種替代方法。該方法可以使頂環(huán)槽進一步沿著活塞向上移動。活塞溫度高通常會導致環(huán)槽磨損，這是包括鋼環(huán)鑲圈或將壓縮環(huán)槽定位在活塞上較低位置的主要原因。

這種活塞環(huán)的設計適合于現(xiàn)有的活塞，以及MTRN發(fā)動機的活塞。

3 MTRN發(fā)動機測試

內(nèi)燃機中往復運動件的重新設計將對有效燃油消耗率（BSFC）和發(fā)動機燃燒效率產(chǎn)生可觀的影響。其效益主要有：（1）往復運動質量較輕;（2）通過動力傳動系統(tǒng)降低摩擦;（3）平均軸承負荷較低;（4）縫隙容積減小;（5）活塞工作溫度較低;（6）二階力較低。

該效益將通過考斯沃斯公司在英國北安普敦市進行的發(fā)動機測試來進行衡量。這些發(fā)動機測試將包括對未經(jīng)修改的福特Ecoboost 2.3 L RS發(fā)動機和采用上述重新設計活塞、活塞銷、活塞環(huán)和連桿的MTRN發(fā)動機進行基準對比測試。

該發(fā)動機測試將考慮所有標準的可測量發(fā)動機指標，例如功率、轉速、扭矩等。發(fā)動機測試將對應圖7所示發(fā)動機特性圖上的參照點。這些參照點是行業(yè)內(nèi)和整車廠的標準基準點，以及全球統(tǒng)一的輕型車輛測試程序（WLTP）行駛循環(huán)中具有代表性的“高滯留”工作點和全負荷基準點。發(fā)動機測試還將考慮一些中負荷、中轉速的基準點，以更好地測試發(fā)動機效率，并對低于指定燃油消耗率的發(fā)動機工作范圍進行比較。根據(jù)車輛質量和變速比的選擇，該度量標準直接表明了應用的靈活性，以便發(fā)動機可以在更寬廣的范圍內(nèi)實現(xiàn)節(jié)油運行。

[1][OL]. https：//eur-lex.europa.eu/legal-content/ EN/TXT/？uri=CELEX%3A32019R0631.

[2]WEINOWSKI R， SEHR A， WEDOWSKI S， et al. Future downsizing of S.I. engines-potentials and limits of 2- and 3- cylinder concepts[C]. 30th Vienna Motor Symposium， 2009， Vienna， Austria.

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