高速柴油机用TopWeld钢活塞

【德】 D.Gabriel T.Hettich



高速柴油机用TopWeld钢活塞

【德】 D.Gabriel T.Hettich

燃油经济性法规要求进一步减小活塞的摩擦和提高热效率。将活塞材料由铝改成钢能在这两方面都得到改善。此外，钢材料的特性可提高活塞的强度、坚固性和耐久性。所有这些好处都能在比铝活塞更小的压缩高度下得以实现。因此，尽管材料密度有所增加，活塞质量可以减小。鉴于钢活塞与铝活塞一样，需要对燃烧室凹坑和环槽区域进行冷却，马勒公司采用1种创新的金属连接技术——激光焊接来形成冷却通道。TopWeld®理念能提供较好的设计灵活性，这是其他任何焊接工艺所无法匹敌的。这种设计灵活性对于复杂的燃烧室几何形状尤为有利，而现代柴油机采用复杂的燃烧室结构是满足燃油经济性和排放要求的必须手段。

钢活塞 激光焊接 柴油机

0 前言

钢活塞用于大型车市场(排量在11～16L的大型柴油机)已有几十年的历史。在该市场中，最高气缸压力接近25MPa，耐久性要求最少为100万mile*为了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定单位——编注。。铝材料在热负荷方面无法承受高气缸压力，且疲劳寿命也无法满足耐久性的要求。活塞制造商们积累了在这些极端条件下使用钢活塞的经验[1]。

高速柴油机市场主要由小排量发动机(轿车用途)占据。这一市场的份额已在欧洲得到快速增长。柴油价格、燃油经济性及税收激励使得柴油机选项对客户更具吸引力[2-3]。根据欧洲法规要求，原始设备制造商(OEM)需要满足严格的车队CO2排放要求为:到2015年为130g/km；到2020年为95g/km。使用柴油机是制造商为满足这些要求而采取的主要策略之一。

预计近期高速柴油机的峰值气缸压力不会超过20MPa[4-5]。采用铝材料可以达到约20万mile的常规耐久性要求。针对钢材料的市场驱动力仅取决于钢活塞对燃油经济性的预期改善。

1 高速柴油机市场

为客户带来的上述好处(柴油价格、由于热效率提高带来的燃油经济性改善，以及税收激励)使柴油机在欧洲的市场份额占到50%～70%(图1)。这与美国市场形成了强烈的对比，在美国，由于边界条件不同，高速柴油机的市场份额可忽略不计[6]。

尽管如此，美国与欧洲的燃油经济性法规则遵循相同的趋势。因此，高速柴油机在美国市场或许会越来越具有吸引力。

北美是在重型车用途领域较早采用全钢活塞的市场。直至2000年，大多数大型发动机都采用铰接式活塞(铝活塞裙和钢活塞顶)[7]。当工业过渡至采用全钢活塞(钢活塞裙)时，车队平均燃油经济性改善了约2%。仅仅改变了活塞类型，而所有其他发动机条件仍保持不变。这表明了钢活塞在降低燃油耗方面的巨大价值。

2 燃油经济性改善

图2所示为1台典型的高速柴油机采用钢活塞与铝活塞时燃油经济性改善情况的比较。燃油经济性的改善是通过降低摩擦和提高热效率而得以实现的。

2.1 摩擦降低

假设这两种活塞的冷态安装间隙完全相同，由于铝材料热膨胀系数的原因，活塞在工作温度下会以过盈配合方式运行(图3)。铝活塞裙具有一定的柔性，它能使作用在气缸套上的力最小化，因此，不会出现活塞擦伤问题。但是，活塞裙部会存在相当大的张力，会导致摩擦增大。

另一方面，钢活塞在工作温度下则不存在过盈配合问题，这样就能始终保持最小的间隙。因为不存在过盈配合，活塞摩擦大大减小。由于钢活塞的刚性结构导致其弯曲幅度很小，因此，在发动机特性图的运转范围内活塞裙部与气缸套的接触状况是确定的。

钢活塞与铝发动机机体的组合会面临挑战。由于热膨胀系数不同，在热负荷下，铝机体膨胀要比活塞的膨胀来得大，因而会导致间隙增大。在设计阶段必须考虑这个问题，以确保系统的噪声-振动-平顺性(NVH)特性在可接受范围内。

高速柴油机通常在20MPa峰值气缸压力(PCP)下工作。为了在高气缸压力下满足疲劳寿命要求，铝活塞必须具有相当大的压缩高度(图4)。在PCP工况下，压缩高度较低的铝活塞会导致其燃烧室边缘产生无法承受的极高应力。而钢活塞能够承受远高于20MPa的峰值气缸压力。因此，在考虑钢材料特性时，压缩高度并不受到限制。这样就有可能通过降低活塞压缩高度和增加连杆长度来改变曲柄机构的运动特性(图4)，其结果能使活塞侧向力和活塞间隙减小，从而对降低摩擦起到积极的作用(图5)。在高负荷条件下，摩擦降低的情况最为显著，而在低负荷时，摩擦大致相同。

2.2 热效率改善

图6为1台典型高速柴油机分别采用铝活塞和钢活塞时机械能、热能和摩擦损失的解析图。铝材料散热性良好，它有利于活塞在能够保持足够强度的温度范围内工作，同时，所散失的热量无法利用，且不能转化成有用的机械能。而钢活塞在能量分布上更偏向机械能，因此，能提高热效率。总之，根据发动机的运转工况而定，采用钢活塞，燃油消耗率最多可改善4.1%(图7)。

2.3 电子束焊接

与激光焊接活塞较为相近的是电子束焊接活塞。这种类型的活塞已经在要求极为严苛的发动机市场上使用了数十年。通常，活塞本体由锻铝制成，而包含冷却通道和镶圈的环带部分由铸钢材料制成。通过电子束焊接将两部分连接起来，就能将高强度活塞裙与带冷却和耐磨环槽的活塞顶组合成一体(图8)。实例表明，电子束焊接活塞在市场上是极为成功的，且能满足质量和耐久性的要求。

3 TopWeld®理念(激光焊接)

3.1 活塞质量

无论选择铝活塞还是钢活塞，需要考虑的重要参数之一是活塞质量。活塞压缩高度是优化活塞质量时需要考虑的关键因素。如前所述，铝活塞在压缩高度方面具有无法克服的局限。由于材料密度的差异，在相同压缩高度条件下要使铝活塞的质量与钢活塞的一样是无法实现的。正如前面所说，由于钢材料不存在压缩高度方面的限制，因此，可以通过降低压缩高度来大幅度减少质量。此外，钢活塞在活塞销处能够承受更高的单位载荷，活塞销的尺寸(直径和长度)可以明显减小。除非气缸体高度可调，连杆长度较长将会使振荡质量有少量增加。总之，可以通过钢活塞结构来减小振荡质量(图9)。

3.2 激光焊接技术

目前，量产钢活塞广泛采用的连接技术是摩擦焊接，但是，由于焊接过程中施加的负载会导致工件变形，因此摩擦焊接具有一定局限性。此外，摩擦焊接需要1条贯穿冷却通道的横向分割线(图10)，而纵向焊缝不可行。而高速柴油机活塞的冷却通道通常极窄小，不允许在冷却通道内留有阻碍机油流动和明显降低冷却效率的焊缝(图11)。

为了克服这些限制，研究了激光焊接。像42CrMo4或AFP钢、38MnVS6等可硬化钢因其碳当量值(CEV)高而很难焊接(42CrMo4：CEV0.78；38MnVS6：CEV0.61)。激光焊接试验显示，尽管碳当量高，其焊接质量达到了令人惊讶的优良结果。抗拉试验结果证实，激光焊接零部件的材料强度与摩擦焊接零部件的相当。这些极具前景的初步试验触成了针对钢活塞激光焊接的开发研究项目。

3.3 TopWeld®设计理念

由于燃烧室边缘温度较高一直是现代高速柴油机面临的一项挑战，因此，技术人员考虑设置1个燃烧室边缘防护锒嵌件。为了设置锒嵌件，在冷却通道顶端布置了1条纵向焊缝，在燃烧室内部布置了1条倾斜焊缝。这种设计能采用耐热材料来实现对燃烧室的强化(图12)。

TopWeld®设计的另一有利特点是可以在焊接前就轻易地将缩口燃烧室几何形状和相应的冷却通道加工成型。图13所示为缩口燃烧室活塞的1个极端实例。采用传统摩擦焊接几乎不可能制造出这种活塞。然而，利用激光焊接则能制造出非同心的燃烧室结构(图14)，而摩擦焊接不适用于非同心结构。对于摩擦焊接来说，燃烧室与冷却通道和活塞外径同心是绝对必须的。

3.4 TopWeld®的焊接质量

激光焊接具有非常卓越的焊接质量(图15)，焊接过程连续，即使在碳当量值不理想的条件下焊接也是如此。它已被应用于几种类型发动机零部件及大量汽车组件的大规模批量生产。根据激光行业的发展情况，近期用它来批量生产钢活塞是不成问题的。

3.5 焊接坚固性验证

在液压脉冲器试验台上对TopWeld®活塞进行了活塞顶压力为35MPa的无故障试验。考虑到高速柴油机在最高压力20MPa条件下工作，因此，TopWeld®活塞的工作边界相当安全。

3.6 发动机验证

TopWeld®活塞已经在全负荷试验条件下进行了几千h的发动机耐久性试验验证。到目前为止，在大型发动机应用的基础上已积累了大量耐久性方面的经验。而且，技术人员还在几台高速柴油机上成功完成了试验。目前正在为大量高速柴油机生产试验用的活塞样品，并将与OEM合作对活塞样品进行试验。

4 结语

TopWeld®钢活塞理念能在压缩高度、缩口燃烧室几何形状、燃烧室边缘耐热材料等方面提供设计灵活性。激光焊接活塞允许采用狭窄的冷却通道且不会阻碍机油流动。激光焊接可以制造出摩擦焊接无法实现的非同心燃烧室结构。激光焊接质量卓越，且已经开发出用于大规模量产的激光焊接工艺。鉴于对燃油经济性改善的需求，高速柴油机市场出现了倾向于采用钢活塞的趋势。试验结果表明，钢活塞可同时实现摩擦降低和热效率提高的目标。总的来说，燃油消耗率可下降2%～4%。

[1] Deuß T, Ehnis H, Freier R, u.a. Reibleistungsmessungen am

befeuerten dieselmotor - potenziale der kolbengruppe[J]. MTZ 2010, 71(5).

[2] Stitterich E, Geisselbrecht M, Künzel R. Influence of cooling channel design on piston temperature of HSD engines[C]. International Stuttgart Symposium, 2013.

[3] Schneider S, Ehnis H, Schreer K. Analyse von aluminium-und stahlkolben-vergleich von reibung, kolbentemperatur und verbrennung[C]. International Stuttgart Symposium, 2013.

[4] Schäfer B-H, Schneider V, Geisselbrecht M. Real-time kolbentemperaturmessungen mit einem auf telemetrie basiere-nden datenübertragungssystem-messtechnik-applikation und erste ergebnisse[C]. International Stuttgart Symposium, 2010.

[5] Baberg A, Freidhager M, Mergler H, u.a. Aspekte der kolbenmaterialwahl bei dieselmotoren[J]. MTZ 2012, 73(12).

[6] Pischinger S. Vorlesungsumdruck verbrennungsmotoren band I+II[C]. Technische Hochschule Aachen, 2001.

[7] Schreer K, Schneider Roth I, Ehnis H. Analysis of aluminum and steel pistons-comparison of friction, piston temperature and combustion[C]. ASME-ICEF 2013-19114.

孙丹红 译自 SAE Paper 2015-01-1723

朱炳全 校

虞 展 编辑

2015-06-02)