柴油机活塞材料的选择理念

Federal Mogul公司针对升功率93kW的3．0L高增压柴油机用新型铝活塞的研究表明,铝活塞具有广阔的前景,不过,最高燃烧压力超过22MPa及升功率大于100kW的轿车柴油机必须使用钢活塞,在极其苛刻的条件下,钢活塞的热管理得到高度的关注。介绍了开发铝活塞和钢活塞的不同理念。     

轿车柴油机用的钢活塞

现代柴油机仍一如既往地要求降低排放和提高功率。然而,在降低燃油耗和废气排放的同时,要达到较高的升功率势必要求燃烧与不断提高的爆发压力具有良好的匹配。而目前常见的轿车柴油机铝活塞承受功率的能力已达到极限。因此,发动机零部件供应商正致力于研发能够承受更高机械负荷和热负荷的钢活塞。     

轿车柴油机用钢活塞

近几十年来,铝活塞已被成功应用于轿车柴油机。然而,不断升高的热负荷和机械负荷使得钢用作活塞材料更具吸引力。为满足负载能力和性能日益增长的需求,KS Kolbenschmidt公司为轿车柴油机开发了钢活塞。     

在着火运转的柴油机上测量摩擦功率——活塞裙部几何形状的影响

Mahle公司在着火运转的柴油机上进行大量的摩擦试验。介绍并定量揭示影响轿车柴油机活塞裙部摩擦的各种措施。活塞形状对摩擦的影响是由不同的活塞裙部廓线显现出来的，例如降低活塞裙部的刚度能证实活塞结构的适合程度对摩擦性能的影响。此外，还介绍缩小活塞裙部工作表面积对发动机运行特性曲线场摩擦性能的影响。     

MAHLE公司的Ferrocomp活塞的现场试验

自2 0 0 0年4月以来,MAHLE公司的Ferrocomp活塞(即钢/钢组合活塞)通过了定型试验后,目前正在现场成功地运行。该活塞的主要特点是锻钢头与锻钢裙组合。活塞头与裙由1、2或4根螺栓连接,活塞直径由2 0 0至4 80mm不等。这种现代设计的活塞的主要优点为:能承受特别高的峰值气缸压力(>2 5 0巴,1巴=10 5Pa) ;由于采用全部机加工冷却通道,因此有极高的冷却效率;头和裙之间的接触面磨损很少;而且最重要的是,在遭受意外的恶劣运行条件(诸如,滑动面卡死、冷却故障或发生喷油故障)时,能提供非常高的安全裕度。文中将提供在遭受恶劣运行条件后的活塞实例,对这些活塞进行了详细检查,没发现裂纹和其它形式的缺陷。尽管现场反映相当好,MAHLE公司并没固步自封,开发工作仍在向前推进。通过进行发动机之外的试验,进一步寻求磨损率的降低,对活塞定期进行现场铁检,为进一步以三维有限元计算指导设计打下知识基础,包括对活塞和活塞销(由MAULESueko活塞销制造厂提供)的磨损和变形进行详细的测量和分析以及文件资料积累等。对经历了10 0 0 0多工作小时的现场各种活塞的考查显示出这种新型活塞设计的优势。     

车用发动机活塞及销组件中涂层的成本效率评价

就活塞销上涂覆性价比好的磨合润滑剂问题，对取消车用发动机活塞连杆组件中连杆铜套的可行性进行了研究。典型的车用发动机活塞都带有活塞销的销孔和销座。连杆上也同样有一个销孔，高硬度的钢制活塞销穿过这些孔连接活塞和连杆。一般来说，在连杆销孔内紧压一个铜套。铜套的作用是在润滑较差的情况下提供一个与活塞销偶合的接触面，以降低摩擦、磨损及刮伤等。然而，衬套增加了连杆质量[1.2]（在保持连杆小头厚度不变的情况下，去掉衬套的连杆小头外径较小，因而较轻），同时增加了活塞组件的制造成本和工艺，而活塞组件的强度并没有提高。在活塞销与活塞销孔，以及活塞销与连杆衬套的接触表面间磨损或刮伤是一种常见的失效形式，在发动机起动时尤为严重。以前的试验已证实，固体薄膜润滑剂可以预防刮伤和磨损，但是，通常都比不上带衬套连杆的成本效率。用Falex公司的试验装置对6种不同的润滑剂进行了试验，试验按照美国材料试验标准（ASTMG77）在环块试验机上进行。试验监控了摩擦系数、负荷、温度、表面特性、刮痕宽度及磨损材料的体积。根据试验结果，针对2种涂层在16台发动机上进行了无连杆衬套的台架试验和现场试验。     

内燃机车柴油机动力系统关键零部件

1柴油机活塞柴油机活塞、活塞环和气缸套是柴油机的心脏。活塞从制造方法而青，有锻造与铸造之分；从材料与种类而言，主要有铝活塞、钢活塞、整体球铁活塞和钢顶铁裙、钢顶铝裙组合式活塞等。衡量活塞的制造水平，一般有几个方面：     

钢顶铁裙活塞销座与活塞销咬合的原因分析和防止措施

东风４机车用钢顶铁裙活塞在柴油机作出厂试验时突然发生几台份的活塞销与销座孔拉伤甚至咬死的现象。为了分析原因，解决问题，有关人员做了大量的现场调查和理论分析，以及生产和组装时的跟踪调查。根据调查和分析，阐述了发生活塞销座与销咬合的机理及原因，并提出了改进建议。     

活塞组降低摩擦的潜力及其裙部涂层的影响

降低发动机的内部摩擦是发动机开发的重要目标之一。Mahle公司开发出一种整机摩擦功率试验台，作为重要的开发工具，其不仅能在外源增压倒拖运转情况下，而且能在着火运转的发动机上，对所有对摩擦功率有影响的发动机零部件进行参数试验，确定出活塞组各个结构参数降低摩擦的潜力，并借助于试验设计程序为每种试验方案绘制了摩擦功率特性曲线场。同时，为了查明活塞裙部涂层对降低摩擦和磨损的作用和潜力，对3种不同涂层材料进行了摩擦和磨损试验，然后对各项参数对降低摩擦功率的效果进行排序。它可为发动机试图达到更合理的结构设计提供参考。     

柴油机钢活塞的摩擦特性

据预测,卡车柴油机功率的提高会进一步增加铸铁活塞和钢活塞的需求量,因而对活塞的润滑状态进行了研究。采用浮动衬套法对铸铁活塞和钢活塞的摩擦特性进行了测量分析,为了便于比较,也给出了传统铝活塞的摩擦特性。为了分析活塞的摩擦特性及研究中的新发现,对活塞的二阶运动也进行了测量分析。研究结果表明,铸铁活塞在压缩上止点为边界润滑状态,其原因可能是活塞与气缸套间隙过大导致活塞倾斜角度过大,钢活塞由于裙部机油润滑充分,在上止点及下止点处于流体润滑状态。     

230钢顶铝裙组合活塞的研制

介绍了２３０钢顶铝裙组合活塞的结构特点，活塞顶，活塞裙，连接螺栓，螺套以及活塞销的试制工艺；并对各零件的加工要点作了详细说明。     

内燃机活塞表面处理技术的开发

对内燃机活塞实施表面强化处理可提高活塞早期性能，简化活塞的接触状态调试、磨合等试运转过程，提高活塞的耐热胶着性、耐磨损性，以及发动机输出功率。介绍了本田技术研究所在活塞裙部形成具有吸附、保持润滑油作用的覆膜的新方法，阐述了在覆膜材料设计方面所作的精心考虑，如配合粒子及其配合量的选定、树脂的选定等。经试验之后，开发出一种全新的活塞表面强化处理工艺，并验证实施该表面处理工艺的活塞可获得良好的经济性和技术效益。     

活塞的表面处理工艺

对车用发动机来说,降低二氧化碳排放和改善燃油经济性是重要的课题。鉴于发动机活塞要求减轻质量和降低摩擦,介绍了用于活塞第1道环环槽和活塞裙部的表面处理工艺,这些技术有利于活塞的轻量化和降低摩擦。     

钢顶铁裙活塞销座孔偏磨原因分析及工艺改进

分析了钢顶铁裙活塞发生活塞销座偏磨裂损导致缸套打坏的原因，改变了组装工艺，提高了组装精度，防止了事故的发生。     

钢顶铝裙活塞裙部破损惯性质量问题分析及改进

配装钢顶铝裙活塞的东风４Ｃ，Ｄ型机车柴油机，当机车走行２０万ｋｍ左右时，相继发生由于活塞裙部破损引起的机破事故，已形成惯性质量问题。本文分析了裙部破损原因，并叙述了从结构，材料，加工工艺等方面对该活塞进行改进的原因。     

内燃机活塞的摩擦分析

研究分析类金刚石碳涂层对活塞销及裙部的减摩效果。采用浮动缸套法和弹性流体润滑仿真方法分析活塞裙部摩擦。试验结果表明，类金刚石碳涂层减小了活塞销对缸套的摩擦，并且在发动机低转速和活塞销偏置较大的条件下效果尤为明显，尤其减小了上止点和下止点附近的摩擦。弹性流体润滑仿真证实，类金刚石碳涂层活塞销能够影响活塞的运动，减小活塞裙部与缸套之间的接触压力。     

带过渡丝网的钢顶耐热铝活塞研究

对活塞钢顶重新进行了设计,在钢顶与铝基体之间加入过渡丝网,利用真空扩散焊使钢顶与过渡丝网连接在一起,并通过液压变形的方式使其成形为活塞燃烧室及顶面所要求的形状,该钢顶铝活塞采用挤压铸造工艺来制备.对钢顶与铝基体的结合强度进行了理论分析和计算,对结合部位组织进行了观察,结果表明,利用该方法制得的活塞其钢顶与铝基体之间可以实现很好的机械结合和冶金结合.     

低噪声活塞——降低活塞销的拍击噪声

相比全浮式活塞销结构,半浮式活塞销具有成本上的优势,但存在活塞销拍击噪声的问题。针对这一问题,分析活塞销发生噪声的机制,同时,开发了一种优化的半浮式活塞销结构。通过测量活塞与活塞销的动态,并与全新的发动机润滑油动态可视化技术（光纤光缆连接法）相结合,分析了活塞销的噪声发生机制。采用光纤光缆连接法,不仅可实现发动机润滑油的可视化研究,还能在实际的发动机运行条件下,利用粒子跟踪测速技术,测量润滑油的流量矢量。上述研究结果与众多的活塞参数研究相结合,有助于通过计算机辅助工程优化活塞形状。本次研究的结果是,经优化的半浮式活塞销结构具有与全浮式活塞销结构相同甚至更低的噪声水平。     

铝活塞上的类金刚石涂层可增加发动机的功率

据比利时贝卡尔特公司报道，具有类金刚石涂层的铝活塞能提高发动机的功率。在摩托车发动机上对涂覆类金刚石涂层的铝活塞进行试验，并和标准的铝活塞作了比较。功率测试仪的结果显示在低转速时功率至少提高了1％，     

16V240ZJ柴油机钢顶铁裙活塞的研制

钢顶铁裙活塞是目前柴油机领域的最新结构设计，其连接螺孔布置得均匀合理；活塞顶采用了不带避阀穴的浅ω形燃烧室；活塞裙部为中凸椭圆柱面，连接组件由柔性螺柱、弹性套和螺母所组成，保证了连接的可靠。在该活塞的研制中，进行了有限元计算分析，燃烧室优化选型，温度场测试、扭振计算分析、单缸机性能试验和多缸机多项台架试验等。装有该活塞的１６Ｖ２４０ＺＪＥ型样机顺利地通过了ＵＩＣ １０ｈ、ＯＲＥ３６０ｈ以及６０００