中重型柴油机活塞设计技术

中重型发动机活塞设计
摘要:探讨活塞疲劳开裂及试验研究，结合活塞的材料等介绍活塞的发展趋势及结构特点、性能及试验等。

关键词:活塞类型；液态模锻；纤维强化；内冷通道；试验
1概述
中、重型发动机普遍采用增压技术，强化程度大，爆发压力高，对作为发动机“心脏”的活塞，提出了越来越高的要求。

在过去的十几年中，平均有效压力在设计上持续升高，在最近的十年中将可能达到30bar。

这直接导致了气缸组件最大缸压和热负荷的增加。

在追求低燃油耗的情况下，缸压200bar的发动机已较为普遍。

活塞主要采用铝－硅共晶合金材料，面对日益苛刻的发动机负荷，其适用区域构成了一定的限制。

活塞主要作用是将能源转化为负荷输出。

由于热负荷过大而引起的活塞烧顶、开裂、拉缸、变形和异常磨损等热损坏时有发生。

另外，由于热负荷不均匀所引起的热变形、热应力以及对材料的热强度、摩擦副冷却等的影响也大大的限制了重型发动机的发展，成为重型车发展的一大障碍。

在设计开发过程中，有必要找出活塞的失效模式并针对这些失效模式作出分析，找出改进的方法，提高活塞的使用寿命、可靠性，促进内燃机的发展和完善。

2活塞主要失效模式
活塞三个主要易受破坏区域：
（1）顶部－由于承受较高负荷产生裂纹及及燃料有关的作用引起的腐蚀。

（2）销座－由于高温下活塞材料表面承受较高的交变燃烧压力作用而引起裂纹。

（3）环槽－由于位置较高的一环槽设计承受较高负荷限制了传统的镍基环槽加强作用的应用。

针对以上活塞主要失效模式，一般从三个方向解决：
（1）铝合金性能进一步提高
（2）材料选用锻铁或钢
（3）改进活塞结构设计
3活塞类型及材料的研究
为了更好的适应中速柴油机的要求，活塞专业厂家在活塞结构类型及材料研究方面已开展了大量的工作。

3.1铝基体内冷通道活塞
铝合金活塞带内冷通道技术从20世纪60年代后期成为主要的产品，并且发展成能
够满足在发动机额定工况下平均有效压力为20bar 或5MW/m 2使用条件下的要求。

这种活塞主要应用在缸径300mm 以下，以馏出燃料和天然气为燃料的发动机中。

试验证明，以重油为燃料的发动机使用中受到较多限制和可变因素，需要强化第一、二环槽，同时要减少运动间隙来控制二阶运动。

铝合金活塞及其它型号的活塞相比，其主要好处是重量较低并且价格低廉。

3.2两体活塞（传统类型）
传统的两体活塞由钢顶和锻造铝合金底部连接而成，
如图1所示。

该结构活塞及铝合金活塞相比，具有能够承
受更大负荷（热负荷和机械负荷）的能力，并且在使用重
油时能够更加有效地抵制研磨沉积物的形成。

该结构已用
于活塞直径大于300mm 的发动机活塞，直径小于200mm 的
发动机活塞也已逐步采用。

该结构活塞主要缺点是重量高，成本昂贵，尤其是锻
铝部分受到强度的限制。

3.3铰接式活塞（整体冷却腔）
铰接式活塞由两部分组成，如图2所示。

这两部分结构通过活塞销连接起来。

活塞头部承受机械负荷和热负荷，把轴向气体压力传递给活塞销作为动力输出。

活塞裙部则担当滑动轴承的任务及缸套接触，传递由连杆倾斜引起的较小的侧向荷载，基本不受顶部热负荷的影响。

活塞头部由于具有较大的转动自由度，设计时可采取减少环岸间隙方案，同时能保证顶环岸及气缸套的间隙。

活塞裙部由铝合金制成，在考虑到重量和强度两方面情况下,这是一种比较令人满意的设计选择。

铰接式活塞及铸铝活塞比较具有如下优势：
（1）平均有效压力及最大爆发压力许用值提高30%。

（2）燃油消耗率平均降低3-4%，即6-10g/kWh 。

（3）全负荷时，供给相同喷油量可增大扭矩值3-5%。

（4）漏气量、机油耗、噪音和摩擦大幅度降低。

（5）第一环温度减少30-60℃。

（6）不增加NOx 排放，而HC 可减少50%。

3.4高强度锻
造活塞（整体冷却腔） 目前国外已开发了锻造成型铝铜合金（2000系列），这种
合金的机械强度比当前应用的铝合金要高，可广泛的应用于挤压棒成型活塞。

主要缺点是热膨胀系数较高，但在适度的运行温度内是允许的。

T&N 公司研究中心对以下三种材料进行了一系列疲劳试验，确定材料的尺寸范围和运行温度内的疲劳特性：
● 共晶铝硅合金（AE131）；样本是从直径为275mm 的锻造活塞中抽取。

● 精炼铝铜合金（2014A ）；样本是从纵向和横向直径都是255mm 的挤压棒中抽取。

图1 两体活塞 图2铰接式活塞
精炼铝铜合金（2618A）；样本是从纵向和横向直径都是230mm的挤压棒中抽取。

试验表明在不考虑挤压棒方向性的情况下2000系列合金具有一定的优越性，耐久性在108循环时超过传统合金30％,详见表1。

3.5液态模锻活塞
液态模锻采用了较高的压力（约100MPa），使金属在硬模中熔化。

在金属的冷却阶段主要及硬模接触而提高了金属的冷却速度，更重要的是气体和收缩孔受到高压力作用使金属得到了一个非常合理的结构。

另外液态模锻技术的全面性在于其对材料的影响，它可使金属材料产生的疲劳强度在广度和范围上要远远高于重力浇注。

试验证明，液态模锻活塞的密度有了极大的提高，对活塞销座和平台区域的设计起到了重要作用。

重型车活塞的温度超过300℃，在这种温度下导致的合金柔软性要比显微缩松更加重要。

液态模锻铸造的活塞提高了这些区域结构上的强度提高。

3.6铸铁活塞
铸铁材料具有较低的热膨胀系数，头部和裙部可达到较小的配缸间隙，能显著提高发动机在噪声、机油耗、漏气量、排放和燃油耗的性能指标。

同时，铸铁材料能够承受功率的不断提高和热负荷、缸压的相对增长。

但对浇铸条件和工艺有严格的要求，以减少缩松等临界断面上缺陷的出现，还要采用先进的探伤仪进行探伤分析，达到对制造过程的监控。

3.7陶瓷纤维强化活塞
液态模锻技术在铝合金活塞铸造中已成功应用。

陶瓷纤维强化的工作现在主要针对活塞的顶部区域，而金属纤维则主要用来提高环槽/环的抗磨损表面。

通过系统研究，在各种提高铝合金活塞高温强度的纤维中，最经济的就是陶瓷氧化铝纤维。

陶瓷氧化铝纤维有一个很重要的特点是在金属流入硬模和挤压前可迅速插到硬模中，形成填料粘结物具有可控的密度并且具有良好的铸造可操作性。

制造时位置必须精确，不能够漂浮，金属完全渗透才能坚固，用铝浇注时不能破坏纤维结构，应具有良好的渗透性、获得无孔或间隙的技术来获得满意的加固功能。

试验证明，添加10－20％的纤维在活塞温度超过250℃的部位可获得显著的强化效果。

大功率活塞顶部温度几乎可超过350℃，强化效果尤为显著。

考虑到陶瓷纤维成本，确定纤维的容积和加强区域面积的同时须予以关注。

合成物的机加工性较弱，应选择活塞较合适的部位，同时在铸造时就能够一次完成，省去机加工，这样可获得更合理全面的性能。

4活塞结构设计
根据活塞失效模式，活塞结构设计已开展了针对性工作。

4.1活塞燃烧室开裂
发动机在工作过程中，活塞受到热负荷和机械负荷的双重作用。

活塞顶部的开裂通常是由于热负荷和机械负荷的循环应力作用在被高温削弱的活塞部位，尤其在大功率发动机的瞬时载荷作用下更为严重。

另外，缩口燃烧室和一环的位置也有影响，缩口燃烧室结构的凹－凸边缘和一环位置都是裂纹变大的潜在因素。

为了避免活塞顶部疲劳开裂，目前采取的主要措施是活塞燃烧室边缘（气门坑）圆滑过渡及顶部阳极氧化处理。

缩口边倒弧过大会降低发动机性能。

处理后的阳极氧化层及活塞基体材料结合区域产生的拉伸应力及由热负荷引起的燃烧室边缘产生的压缩应力相抵消。

试验证明，活塞顶部经阳极氧化处理后，热裂性比较低。

阳极氧化层厚度一般为90微米左右时较好。

顶部强化氧化铝纤维为活塞裂纹和腐蚀提供了一个积极的解决办法。

强化的范围以活塞设计和工作条件而定。

该措施对整个活塞表面的保护有积极的作用。

4.2活塞机油冷却
活塞顶部、环槽、销座区域和内腔表面(受到曲轴箱内空气和润滑油的热负荷作用)在工作时应保证在一定的温度极限内。

内冷通道基本上是一个开式环路，因此冷却油喷入内冷通道会失去压力，达到一个准平衡流动，在惯性力作用下流出活塞。

油流的运动状态在往复运动的工况下应形成振荡，以便达到更高的传热效率。

4.2.1传递给冷却油的热量
活塞传递给冷却油的热量可以通过软件循环模拟和FE技术得出或者通过初步的计算凭经验得出。

主要的方法是建立在一个假设之上，即进入活塞的热量及冷却油带走的
热量成正比（C
1），比例C
1
及发动机类型（如中速发动机）和活塞顶部材料（顶部温度
影响）有关。

对不同类型活塞来讲，进入活塞顶部的热量传递给冷却油的比例C
2
或多或少, 不是
非常固定，但传输给冷却油的热量Q
O
能够通过如下表达式确定：
Q O = C
1
* C
2
* BSFC* LCV * P
BSFC=制动比油耗 (brake specific fuel consumption) LCV＝燃油低热值 (lower calorific value of the fuel)
P＝制动输出功率/缸 (brake output/cylinder)
中速发动机系数可参见表2，其中Cp和ρ分别代表机油比热和密度。

4.2.2冷却油流动
实际上,活塞可以看作是一个简单的热交换器， Q
及离开冷却腔的机油升高的热量
O
可等同起来。

因此设计的机油流速可以通过流出机油升高的温度来对应。

机油流速通常用L/kWh表示，流出机油的温度增加值可据需要确定，AE公司认为流出的机油温度增加30℃较合适。

两体式活塞和内冷通道活塞的机油流量和温度升高的相互关系如图3所示。

活塞顶部处内冷通道结构由于具有很大的表面积，而且及活塞顶部表面很接近，能对活塞提供有效的冷却。

活塞顶部温度一般可降低30℃以上。

4.3活塞销座结构
在推动发动机的燃油经济性和高功率输出中，气缸压力有明显的上升趋势，导致销座载荷的上升，同时销座还要承受较高的热负荷，提高销座强度成为一个关键因素。

目前常采用的高活塞环结构会对较深的缩口燃烧室产生不均衡的气体压力，从而增加活塞顶部的拉伸载荷，对销座产生更严重的影响。

在铝合金活塞中主要有两种方法来提高活塞销座强度：
4.3.1结构设计中控制载荷分布，减小最大应力，例如：
a)增加支撑的面积；
b)采用偏移或椭圆形销孔；
c)采用异型销孔或销。

4.3.2提高材料强度，例如：
a)销孔表面压光；
b)销孔内加高强度衬套；
c)机油冷却降温；
d)强度高的基础材料。

由于液态模锻材料没有显微缩松，提高了材料的疲劳强度，试验表明液态模锻可使销座部分的承载能力提高15％。

纤维强化材料在高温下的材料强度有明显的提高。

值得注意的是，活塞销孔的异型结构可能恶化了燃烧室喉口的开裂。

5活塞主要试验
为确保发动机活塞的可靠使用性能，一般进行如下试验：
曲轴箱漏气量试验、活塞热拉缸试验、活塞冷拉缸试验、热怠速试验、活塞温度场试验、超速试验、热冲击试验、耐久试验等。

某公司冷、热拉缸试验要求如下：
试验描述：研究发动机在工作状态下活塞及活塞环抗拉缸的安全性
测试数据：在发动机试验台架上高频记录（如1Hz）标准数据，如漏气量、曲轴箱压力
实验准备：最小配合间隙下进行（取决于发动机试验和开发阶段），至少缸套和活塞、活塞环是新的。

活塞冷拉缸试验
结果/目标：活塞主推力侧、副推力侧的接触痕迹评估应是安全的或可测量的。

试验目的：实验后活塞表面无拉伤；
活塞裙部及缸套接触痕迹一致；
活塞环无拉伤、受热痕迹或卡滞
6总结
活塞作为发动机的关键零部件，在行业研究领域已开展了极其细微的研究工作，包括针对经济性、排放法规等研究领域。

液态模锻现已应用在重型柴油机活塞上，在铝合金材料上还有非常大的发展空间，尤其及纤维强化技术的有机结合，可发挥更巨大的作用。

另外，铸铁活塞和钢活塞的开发随着铸造技术的提高，它的发展将是另一片天空。

相信随着科学技术和试验条件不断改进，活塞系统将会进一步推动发动机的持续发展。