林風華，石小明，劉世英

1.濱州渤?；钊邢薰?，山東 濱州 256602； 2.山東省發(fā)動機活塞摩擦副重點實驗室，山東 濱州 256602

0 引言

節(jié)能減排、綠色制造、循環(huán)經(jīng)濟是內(nèi)燃機發(fā)展總體趨勢。高效、低碳、近零排放已成為內(nèi)燃機發(fā)展的方向。提高內(nèi)燃機熱效率、降低二氧化碳排放等同于降低油耗，是全球內(nèi)燃機技術發(fā)展的最大挑戰(zhàn)和首要目標。重型柴油機有效熱效率的短期目標是達到50%，中長期達到55%以上[1-2]。內(nèi)燃機產(chǎn)業(yè)需要發(fā)展高強化整機技術、高性能關鍵零部件技術、先進燃燒技術、低摩擦技術、低消耗功附件、輕量化以及余熱能利用等關鍵技術。活塞作為發(fā)動機的核心零部件，與上述7項技術中的6項息息相關。

根據(jù)《中國制造2025》的總體目標，我國內(nèi)燃機技術發(fā)展的總體目標是：到2025年自主創(chuàng)新和自主開發(fā)能力得到顯著提高，原始創(chuàng)新能力和創(chuàng)新技術實現(xiàn)領跑，關鍵技術和關鍵零部件實現(xiàn)突破，內(nèi)燃機熱效率和有害排放水平達到國際先進水平[3]。核心零部件活塞的開發(fā)及其國產(chǎn)化對于國家節(jié)能減排政策順利實施，保障國民經(jīng)濟持續(xù)健康發(fā)展和國防安全，建立我國安全、自主、可控的內(nèi)燃機工業(yè)生態(tài)至關重要。

十四五期間，活塞企業(yè)需進一步夯實關鍵零部件和配套部件技術基礎，提升發(fā)展創(chuàng)新能力，必須在國六及后國六時代為高性能發(fā)動機活塞制定清晰的技術路線和有效的解決措施。針對高強度、輕量化、高效率的需求，研發(fā)適應于未來發(fā)動機發(fā)展需求的核心零部件新技術，突破內(nèi)燃機升級換代的瓶頸。

1 活塞材料及加工強化措施

提高缸內(nèi)燃燒溫度和提升爆壓勢必提高發(fā)動機強化水平[4-5]。活塞承受交變的熱-機耦合應力，必須對活塞的材質(zhì)和加工工藝進行優(yōu)化，提高活塞可承受的應力極限，才能滿足高強化發(fā)動機的可靠性和耐久性需求[6-7]。

1.1 材料選擇

商用車發(fā)動機活塞材料以鋁合金和鋼質(zhì)材料為主[8-10]。在特定的工況負荷下，鋁合金材料承受的溫度極限可達到400 ℃，溫度過高，燃燒室喉口因高溫導致材料性能下降而產(chǎn)生疲勞開裂[11]，因此若進一步提升負荷，則需采用鋼質(zhì)材料。目前輕型商用車活塞材料仍然以鋁合金材料為主，而重型發(fā)動機活塞則逐步開始選擇使用鋼質(zhì)材料[12-13]。

鋁合金材料主要以共晶鋁硅合金為主，可以通過調(diào)整合金成分不斷改善和提高材料性能，特別是高溫疲勞性能。鋼活塞的主流材料為38MnVS6和42CrMo。鋁硅合金新材料研發(fā)主要通過調(diào)整材料成分并結(jié)合成型工藝，提高鑄件成型的金相等級，促使合金相彌散分布，提高活塞的高溫延展性，從而提高活塞高溫抗疲勞性能。鋼質(zhì)材料需要開發(fā)新的高溫抗氧化材料，材料的高溫抗氧化性越好，可承受的燃燒溫度越高。燃燒溫度高有利于提高發(fā)動機整機熱效率。某公司的活塞材料綜合性能與生產(chǎn)成本的關系如圖1所示。

圖1 活塞材料綜合性能與生產(chǎn)成本的關系

1.2 鋁合金強化技術

傳統(tǒng)鑄造鋁合金活塞為重力鑄造，模具冷卻方式為隨機冷卻。隨著發(fā)動機強化程度的提高，發(fā)動機最高爆發(fā)壓力越來越高，燃燒室喉口、銷孔常出現(xiàn)疲勞開裂失效。因此，在現(xiàn)有材料鑄件的基礎上，提升鑄件性能特別是高溫抗疲勞性能尤為關鍵，通過控制鑄件的冷卻速率，提升活塞金相致密性，增強材料本體強度，如馬勒Top Cast技術和國內(nèi)某公司開發(fā)的鋁硅合金活塞金相強化技術(combustion bow rim metallographic refining，CMR)。CMR主要解決了3個問題：1)利用隨型模具冷卻結(jié)構(gòu)和二次澆注工藝系統(tǒng)設計，突破了冷卻面積狹小的限制和一次澆注成型溫度梯度分布不均的弊端，奠定了活塞金相強化工藝技術的基礎；2)通過采用模糊理論控制單組內(nèi)循環(huán)冷卻參數(shù)，實現(xiàn)對模具溫度控制，解決活塞復雜型面順序凝固和金相細化的行業(yè)難題；3)開發(fā)了活塞澆注隨流細化加入系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)精煉細化的時效性和沉積性問題，實現(xiàn)了對α鋁基體的晶粒細化，提升了活塞性能。

為進一步提升燃燒室喉口抗疲勞性能，活塞生產(chǎn)企業(yè)還開發(fā)了重熔激冷再結(jié)晶技術，提高喉口的疲勞性能。采用該技術后，初晶硅長度可由60 μm減小為6 μm；活塞喉口熱疲勞性能可提高4.2倍，活塞熱疲勞壽命測試試驗結(jié)果如圖2所示。此外，在燃燒室喉口部位采用陶瓷材料，通過澆鑄方式成型。該技術利用陶瓷抗高溫性能優(yōu)良的特點，提高喉口部位的疲勞性能。經(jīng)試驗，燃燒室鑲陶瓷后，活塞可耐受400 ℃左右的高溫。

1.3 鋼活塞強化技術

重型商用柴油機負荷增加使得傳統(tǒng)鋁活塞已達到使用極限，越來越多的選擇用鋼活塞來替代鋁活塞。質(zhì)量大是鋼活塞面臨的首要問題，通過采用降低活塞壓縮高度、增大銷孔直徑、減小活塞銷長度等輕量化設計手段，可以使鋼活塞、活塞銷等摩擦副組件的質(zhì)量與鋁活塞相當。鋼活塞熱導率低于鋁活塞，一方面造成鋼活塞表面溫度高于鋁活塞；另一方面鋼活塞燃燒室內(nèi)燃燒溫度高于鋁活塞，有利于提高燃燒性能，提升燃燒效率和熱效率。鋼活塞配缸間隙小于鋁活塞，有利于降低發(fā)動機冷起動及低負荷工況下摩擦功損耗。因此，鋼活塞在發(fā)動機尤其是重型商用發(fā)動機上的應用越來越廣泛。

雖然采用鋼活塞具有一些優(yōu)勢，但隨著發(fā)動機負荷的進一步提高，尤其是發(fā)動機升功率和爆發(fā)壓力的進一步提高，鋼活塞燃燒室尤其是喉口部位會出現(xiàn)氧化現(xiàn)象。目前鋼活塞可承受的極限溫度為450～500 ℃，高于500 ℃鋼活塞氧化明顯，無法滿足發(fā)動機耐久性使用要求。解決鋼活塞頭部氧化通常采用的技術方案為：研究新型耐氧化鋼質(zhì)材料和頭部抗氧化涂層。某公司開發(fā)的新一代具有抗氧化涂層、1000 h耐久試驗的鋼活塞如圖3所示。由圖3可知：耐久試驗后活塞外觀正常，無氧化剝落現(xiàn)象。

圖3 具有抗氧化性能的鋼活塞

鋼活塞需要強化的另一個部位是活塞銷孔。隨著發(fā)動機負荷增加以及活塞組件輕量化設計要求，活塞銷孔接觸面積減小，接觸壓力增大，鋼活塞銷孔局部接觸壓力可超過130 MPa。鋼-鋼摩擦副的配合導致鋼活塞銷孔極易發(fā)生咬合，盡管可以采用活塞銷孔鑲嵌襯套的方法解決，但襯套費用高，活塞成本增加。由于鋼活塞本體硬度高，銷孔目前普遍采用鏜削加工方式，在加工過程中銷孔表面易留下尖銳刀痕，影響活塞銷孔承載能力和可靠性，因此必須采用超精加工技術和新的磷化工藝。某公司成功開發(fā)銷孔表面改性強化技術，強化后粗糙度可達到Ra0.2。利用該技術進行表面形變強化，可降低鏜削加工留下的尖銳刀痕產(chǎn)生的應力集中及缺口效應，同時對表面切削加工形成的材料撕裂進行修復，有效地提高銷孔表面承載能力，普通加工和超精細加工的銷孔表面分別如圖4、5所示。

圖4 普通鏜削加工銷孔表面 圖5 超精加工銷孔表面

負荷增加加劇了活塞環(huán)槽的磨損。為降低摩擦功，活塞環(huán)高度普遍較小，活塞環(huán)剛性較差，導致活塞環(huán)扭曲變形增大，活塞環(huán)在環(huán)槽內(nèi)的二階運動不平穩(wěn)，環(huán)槽局部出現(xiàn)磨損，活塞環(huán)槽需進行二次硬化。

2 效率提升設計技術

2.1 輕量化設計

減小活塞壓縮高度是活塞輕量化設計的一個發(fā)展方向。活塞中心線以上的質(zhì)量占活塞總質(zhì)量的75%以上，減小壓縮高度可顯著減小活塞質(zhì)量。降低壓縮高度不僅可有效降低發(fā)動機缸內(nèi)組件質(zhì)量，減小往復慣性力，而且還有利于降低缸體高度，減小整機尺寸與質(zhì)量，實現(xiàn)發(fā)動機小型化和輕量化設計。在整機高度不變的情況下，減小活塞的壓縮高度后，允許連桿長度相應增加，減小工作循環(huán)內(nèi)連桿偏轉(zhuǎn)角度，減小活塞裙部與氣缸接觸面的側(cè)向壓力，降低缸內(nèi)組件摩擦損耗，有利于提高整機熱效率，降低燃油消耗[14]。采用低壓縮高度設計后，活塞頭部空間減小，活塞銷孔與頂面距離減小，活塞冷卻油腔布置困難；活塞各部位溫度升高，應力-應變增大，銷孔承載能力降低，容易發(fā)生銷孔咬合與拉缸等失效；活塞整體高度減小，活塞裙部支撐面相對較小，活塞偏擺嚴重，加劇活塞摩擦磨損?；钊p量化設計的發(fā)展趨勢是協(xié)調(diào)處理好活塞結(jié)構(gòu)布局，在降低活塞壓縮高度及輕量化的基礎上，綜合考慮活塞及其與活塞銷、活塞環(huán)、缸套的配合，保證活塞各部位應力、應變、溫度的合理分布，對活塞結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化和型線優(yōu)化，保證活塞二階運動平穩(wěn)，降低摩擦功。目前新設計的活塞壓縮高度可減小為缸徑的50%以下。

活塞結(jié)構(gòu)創(chuàng)新還需考慮活塞及模具制造成型的可行性，加強活塞成型工藝的研究，如3D打印技術等新成型方法在活塞制造中的應用。

2.2 匹配性

提高發(fā)動機熱效率是一項系統(tǒng)工程，應使發(fā)動機各零部件性能實現(xiàn)最優(yōu)匹配，提高活塞熱效率應做好以下工作。

1)活塞及其組件的輕量化及低摩擦磨損設計。尤其是減小活塞環(huán)高度、降低活塞環(huán)組彈力以及應用新型涂層，缸內(nèi)組件的匹配性優(yōu)化設計，配合低黏度機油的使用，有望使摩擦功降低30%以上。

2)發(fā)動機近零排放及熱管理。對活塞燃燒室部位進行超精加工，配合發(fā)動機先進燃燒技術保證燃料充分燃燒，活塞頂面可采用熱障涂層技術，減少內(nèi)燃機熱損失，提升燃料利用率，降低燃油消耗，圖6為帶有頂面隔熱涂層的鋼活塞。

圖6 頂面隔熱涂層鋼活塞

3)全時域工況冷卻控制。為保證活塞具有足夠的強度及各部位溫度控制在合理的限值內(nèi)，要求活塞具有良好的冷卻效率。隨著熱負荷增加，活塞冷卻油腔對機油流量的需求也會增加，導致機油泵機械損失增加，加速機油老化。目前冷卻機油的噴油量主要取決于額定功率和最大扭矩的需求量，但在發(fā)動機實際運行過程中，發(fā)動機工況的變化具有不確定性，活塞溫度變化頻繁，如果機油噴油量不隨負荷變化，會導致活塞與缸套之間的工作間隙不斷變化，無法保證活塞與缸套之間處在最佳潤滑狀態(tài)。隨著電子噴油泵的普及，未來有望對冷卻噴嘴的噴油量進行實時控制，冷卻機油的需求將隨負荷的變化實時進行調(diào)整，研究全時域工況下活塞整體的冷卻能力，有助于使活塞等缸內(nèi)組件始終運行在最佳間隙范圍，減小摩擦損失及機油泵機械損失，提高發(fā)動機熱效率。

3 結(jié)語

1)活塞本體以及特殊部位強化措施，是未來高強化活塞的技術解決措施和發(fā)展方向，通過對活塞進行強化，活塞可承受爆發(fā)壓力有望達到30 MPa。

2)目前鋁合金強化措施主要是如何提高材料高溫熱機疲勞性能；今后鋁合金強化技術路線將圍繞高溫合金材料研發(fā)、金相組織的致密性和均勻性分布控制、缺陷的控制，結(jié)合局部強化技術和成型工藝的優(yōu)化改進開展工作。

3)提高內(nèi)燃機熱效率，是全球內(nèi)燃機技術發(fā)展的最大挑戰(zhàn)和首要目標，商用車發(fā)動機熱效率有望提高到55%。通過采取輕量化設計、降低壓縮高度設計、降低活塞摩擦磨損設計、頭部隔熱涂層的應用以及活塞冷卻的精細化管理，可為發(fā)動機熱效率提升做出貢獻，也是未來商用車發(fā)動機活塞的發(fā)展趨勢。