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

1進(jìn)一步提高效率成為焦點(diǎn)

由于內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力裝置占據(jù)統(tǒng)治地位，采取熱力學(xué)措施和機(jī)械措施進(jìn)一步提高其效率，對(duì)于滿足不同國(guó)際市場(chǎng)需求具有重要意義，而其中降低發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)摩擦損失是最有效的措施之一。除此之外，新的或高強(qiáng)度材料為高負(fù)荷的子系統(tǒng)在減輕質(zhì)量、提高效率和延長(zhǎng)使用壽命方面提供了新的設(shè)計(jì)潛力。柴油機(jī)因峰值壓力高而具有高強(qiáng)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(chē)柴油機(jī)上，除了鋁活塞之外還使用鋼活塞，而在轎車(chē)柴油機(jī)上至今尚未為量產(chǎn)開(kāi)發(fā)鋼活塞。

2活塞組件的高摩擦份額

通常，在發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦中，活塞組件的機(jī)械損失占據(jù)了最大的份額，因此近年來(lái)已成為優(yōu)化的重點(diǎn)。除了諸如改進(jìn)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(guò)精細(xì)、超精細(xì)珩磨或采用“Nanoslide”工藝的氣缸工作表面涂層取得了重大的進(jìn)展。在機(jī)械開(kāi)發(fā)、氣缸內(nèi)工作過(guò)程計(jì)算、Daimler研究中心等部門(mén)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(jī)（鋁活塞與灰鑄鐵氣缸套曲軸箱配對(duì)）的活塞裙部摩擦得到了明顯的降。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(kāi)發(fā)柴油機(jī)鋼活塞。

3活塞與氣缸體曲軸箱的材料配對(duì)

在與灰鑄鐵氣缸體曲軸箱配對(duì)的情況下，鋁活塞配缸間隙較大會(huì)導(dǎo)致冷起動(dòng)時(shí)出現(xiàn)敲缸現(xiàn)象，而傳統(tǒng)的冷起動(dòng)聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)通常又會(huì)導(dǎo)致熱機(jī)時(shí)的配缸間隙非常緊，從而對(duì)摩擦產(chǎn)生不利影響。對(duì)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(duì)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(duì)會(huì)產(chǎn)生各不相同的運(yùn)行間隙。圖1示出了各種材料配對(duì)實(shí)例的活塞間隙狀況。當(dāng)活塞從雙側(cè)導(dǎo)向變成單側(cè)導(dǎo)向時(shí)，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(dòng)力而發(fā)生較大的變形，并導(dǎo)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(duì)，在活塞與氣缸體曲軸箱材料配對(duì)比較中，它們能獲得最小的冷起動(dòng)配缸間隙和最大的熱機(jī)配缸間隙，特別是在活塞溫度高的情況下能對(duì)降低摩擦功率產(chǎn)生有利的影響。

4鋼活塞的結(jié)構(gòu)形式

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(jì)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(qiáng)度，這就彌補(bǔ)了其密度較大的缺點(diǎn)。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(guò)采用盡可能薄壁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及降低活塞高度和縮短活塞銷(xiāo)長(zhǎng)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(dòng)舒適性，鋼活塞必須達(dá)到鋁活塞那樣小的質(zhì)量公差，為此所開(kāi)發(fā)的鍛造工藝精度已達(dá)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(dǎo)熱率42 W/（m·K）相比，鋁的導(dǎo)熱率為236 W/（m·K），是鋼的5倍，這就導(dǎo)致在相同的燃燒溫度下鋼活塞的溫度更高。鋼活塞開(kāi)發(fā)的主要挑戰(zhàn)在于有針對(duì)性地散熱，特別是燃燒室唇口區(qū)域的散熱。如果達(dá)不到這樣的散熱效果，那么隨著表面生成氧化層，就會(huì)在機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷高的區(qū)域產(chǎn)生裂縫并會(huì)氧化發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油，在機(jī)油冷卻通道范圍內(nèi)形成機(jī)油積炭。機(jī)油冷卻通道的位置和形狀已經(jīng)過(guò)計(jì)算優(yōu)化，通過(guò)溫度敏感性的研究并用測(cè)量結(jié)果校準(zhǔn)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(guò)取消機(jī)油冷卻通道中的摩擦焊接凸緣能改善機(jī)油冷卻效果，從而明顯減少了機(jī)油積炭。通過(guò)活塞機(jī)油冷卻噴嘴幾何參數(shù)的附加優(yōu)化，在不提高機(jī)油泵功率，即采用與當(dāng)前量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)一樣的機(jī)油供應(yīng)量的前提下，成功地實(shí)現(xiàn)了V6柴油機(jī)鋼活塞的有效冷卻。

6鋼活塞應(yīng)用于基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)

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(lái)講，能為未來(lái)新一代柴油機(jī)減輕質(zhì)量和減小結(jié)構(gòu)空間開(kāi)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(chē)總體尺寸和被動(dòng)安全性（優(yōu)化行人保護(hù)性能）方面帶來(lái)好處。OM642-V6柴油機(jī)因鋼活塞集成在現(xiàn)有的基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)上而無(wú)需進(jìn)行改動(dòng)。

鋼活塞在鋁氣缸體曲軸箱中的熱機(jī)運(yùn)行間隙增大，以及活塞裙部剛度較大，會(huì)導(dǎo)致對(duì)氣缸壁面的機(jī)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(shí)的功能，以及噪聲舒適性方面的目標(biāo)沖突。為此，在與活塞制造商的密切合作中，運(yùn)用了最先進(jìn)的模擬計(jì)算方法，并提出了鋼活塞的優(yōu)化措施。為了能評(píng)估固體傳聲激勵(lì)，對(duì)氣缸壁的振動(dòng)速度進(jìn)行評(píng)定分析（圖3）。

OM642柴油機(jī)降低鋼活塞固體傳聲激勵(lì)的措施與活塞裙部廓線、裙部剛度、活塞銷(xiāo)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(cè)量在試驗(yàn)臺(tái)和汽車(chē)上進(jìn)行噪聲特性試驗(yàn)。圖3（b）作為實(shí)例示出了采用鋁活塞和鋼活塞的柴油機(jī)在汽車(chē)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行空氣傳聲測(cè)量結(jié)果的比較。鋼活塞的激勵(lì)頻譜在個(gè)別頻率范圍內(nèi)既有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)。由機(jī)械條件所決定的噪聲的差別在主觀感覺(jué)上幾乎無(wú)法確定。強(qiáng)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(duì)的摩擦優(yōu)勢(shì)

活塞摩擦通過(guò)模擬試驗(yàn)運(yùn)行來(lái)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(dòng)力學(xué)摩擦模型。在V6柴油機(jī)著火運(yùn)行時(shí)，鋁活塞主要是雙側(cè)導(dǎo)向，而使用鋼活塞時(shí)，因熱機(jī)間隙較大而發(fā)揮了活塞單側(cè)摩擦的優(yōu)勢(shì)。從圖4可以看到，在所示的2種運(yùn)行工況點(diǎn)上，鋼活塞裙部摩擦功率分布降低了35%和47%。當(dāng)然，由于測(cè)量技術(shù)上達(dá)不到所必需的活塞和氣缸壁面溫度，因而無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)的倒拖摩擦試驗(yàn)來(lái)證實(shí)這種摩擦功率方面的優(yōu)勢(shì)，為此必須借助于示功圖和轉(zhuǎn)矩測(cè)量進(jìn)行著火運(yùn)行特性曲線場(chǎng)試驗(yàn)。

8鋼活塞相對(duì)于鋁活塞的熱力學(xué)優(yōu)勢(shì)

圖5（a）中的差值特性曲線場(chǎng)示出了鋼活塞摩擦和熱力學(xué)方面綜合優(yōu)勢(shì)改善發(fā)動(dòng)機(jī)有效效率的狀況，而從圖5（b）中的差值特性曲線場(chǎng)，則可看出鋼活塞純粹熱力學(xué)方面明顯改善高壓指示壓力的效果。其中，熱力學(xué)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?yàn)殇摬牧系牡蛯?dǎo)熱率和高熱容量而積聚了熱量。

柴油機(jī)典型的不完全燃燒使得對(duì)曲軸所作的功減少。燃油應(yīng)該在點(diǎn)火上止點(diǎn)時(shí)盡可能完全燃燒，這樣能導(dǎo)致較高的等容度，對(duì)高壓過(guò)程會(huì)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(jìn)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(shí)工作過(guò)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(dǎo)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(dá)到較高的火焰溫度和較快的壓力升高。

鋼活塞時(shí)較高的氣體溫度大多導(dǎo)致與鋁活塞時(shí)相似的壁面熱損失，因?yàn)樗鸬臍怏w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(yùn)行工況點(diǎn)的不同，壁面熱損失甚至可能提高。由于工作過(guò)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(yùn)行和加熱階段期間，會(huì)使表面溫度提高。相對(duì)于上述所示的穩(wěn)態(tài)特性曲線場(chǎng)，這種較快的加熱特性在廢氣試驗(yàn)時(shí)會(huì)帶來(lái)其他方面的優(yōu)點(diǎn)。

9結(jié)論與展望

從2014年9月起，Dailmer公司在E350-BlueTEC轎車(chē)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(duì)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(dá)到了133 g/km，這相當(dāng)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(jī)的同時(shí)，與合作伙伴Renault公司一起，在2種上市銷(xiāo)售的4缸柴油機(jī)OM626和OM607上，還應(yīng)用了鋼活塞與灰鑄鐵氣缸體曲軸箱的配對(duì)組合。鋼活塞已發(fā)展成為Mercedes-Benz轎車(chē)柴油機(jī)的最新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因而也成為未來(lái)進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)升功率的技術(shù)基礎(chǔ)。