汽油機(jī)活塞技術(shù)的現(xiàn)狀與展望

葛超峰，楊滿盈，李庭勇

(華域科爾本施密特活塞有限公司，上海 201814)

全球變暖和環(huán)境污染問(wèn)題越來(lái)越引起人們的重視。隨著汽車保有量逐年增加，許多國(guó)家都制定了嚴(yán)苛的內(nèi)燃機(jī)排放法規(guī)[1-2]，我國(guó)2020年也將實(shí)施國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)[3]。我國(guó)2017年純電動(dòng)乘用車銷售46.8萬(wàn)輛，占2017年乘用車銷量的約1.89%[4]。2018年1～6月共銷售純電動(dòng)乘用車257 265輛[5]，占乘用車總銷量的2.18%[6]。國(guó)家發(fā)改委預(yù)測(cè)2020年全國(guó)電動(dòng)汽車保有量超過(guò)500萬(wàn)輛，其中新能源乘用車430萬(wàn)輛[7]。雖然新能源汽車銷量增長(zhǎng)較快，但占比較小，現(xiàn)階段研究?jī)?nèi)燃機(jī)的節(jié)能、減排依然意義重大。

根據(jù)某公司最近3年的活塞開(kāi)發(fā)新項(xiàng)目數(shù)據(jù)來(lái)分析，各大主機(jī)廠依然在投入大量資源研發(fā)新型內(nèi)燃機(jī)，汽油機(jī)將向小型化，缸內(nèi)直噴，增壓，高效節(jié)能技術(shù)(直噴壓燃、變壓縮比)，燃料多樣化等方向發(fā)展[1,2,8-10]，即汽油機(jī)將達(dá)到更高的升功率、燃燒壓力和溫度等。升功率是一個(gè)內(nèi)燃機(jī)對(duì)比的重要指標(biāo)。如圖1示，根據(jù)某公司已批產(chǎn)項(xiàng)目的對(duì)標(biāo)可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率逐年升高，但受技術(shù)限制，自然吸氣汽油機(jī)的升功率沒(méi)有明顯的增加，升功率大多處于45～60 kW/L，新開(kāi)發(fā)的自然吸氣內(nèi)燃機(jī)主要聚焦在提高整體熱效率以降低燃油耗；2013年后批產(chǎn)的內(nèi)燃機(jī)幾乎全部為增壓內(nèi)燃機(jī)，且增壓內(nèi)燃機(jī)升功率逐年增高，2015年后的機(jī)型升功率基本上在90 kW/L以上，甚至達(dá)到120 kW/L。汽油機(jī)的發(fā)展也對(duì)配套零部件提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。

圖1 汽油機(jī)升功率發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)

活塞是內(nèi)燃機(jī)將燃油化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的關(guān)鍵部件，工作在高溫、高壓、高摩擦磨損、高慣性力的環(huán)境下，活塞的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、耐高溫、耐磨損、熱膨脹等性能必須滿足內(nèi)燃機(jī)需求。汽油機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)對(duì)活塞技術(shù)提出了更高的要求和挑戰(zhàn)，活塞不僅要適應(yīng)多樣燃料，承受更高的溫度和燃燒壓力，同時(shí)還需要降低自重和摩擦功消耗以改善燃油耗。

1 汽油機(jī)活塞發(fā)展展望

1.1 適用多種燃料活塞

新能源汽車不僅有電動(dòng)車，還包括氫燃料電池、醇醚燃料、天然氣、生物質(zhì)能源等[2,10]。

甲醇和乙醇燃料技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，部分國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。我國(guó)山西省晉中市甲醇汽車試驗(yàn)單車行駛里程已突破20萬(wàn)km，常規(guī)排放降低40%～70%，燃料成本降低40%[10]，PM2.5可減少72%～83%[2]。我國(guó)富煤貧油，目前石油對(duì)外依存度已經(jīng)超過(guò)60%，其中內(nèi)燃機(jī)消耗了2/3石油[2]。現(xiàn)在煤基甲醇技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始工業(yè)化應(yīng)用，特別是可以用不適合直接燃燒的劣質(zhì)煤來(lái)生產(chǎn)甲醇，相對(duì)于煤的直接燃燒和其他煤化工產(chǎn)品，甲醇作為替代燃料更環(huán)保、經(jīng)濟(jì)，符合我國(guó)的現(xiàn)實(shí)和國(guó)家能源安全戰(zhàn)略[2]。

乙醇汽油在美國(guó)、巴西的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用已經(jīng)有多年歷史。2013年美國(guó)生產(chǎn)和消耗了3 990萬(wàn)t乙醇燃料，占世界產(chǎn)量的56.8%，巴西占世界總產(chǎn)量的26.8%[11]。隨著技術(shù)的進(jìn)步，燃料乙醇的制作原料趨向多元化，成本也將進(jìn)一步降低。目前我國(guó)已經(jīng)出臺(tái)規(guī)定[12]：2020年全國(guó)范圍內(nèi)將基本實(shí)現(xiàn)車用乙醇汽油全覆蓋，到2025年，力爭(zhēng)纖維素乙醇實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，先進(jìn)生物液體燃料技術(shù)、裝備和產(chǎn)業(yè)整體達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，形成更加完善的市場(chǎng)化運(yùn)行機(jī)制。燃料乙醇是經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的可再生能源，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前應(yīng)用的乙醇汽油多為E10，即加入體積分?jǐn)?shù)10%的乙醇，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的影響比較小，汽油機(jī)可以直接使用[2]，但是20%以上的乙醇汽油就需要對(duì)內(nèi)燃機(jī)及相關(guān)部件的設(shè)計(jì)、材料等進(jìn)行改進(jìn)[13]。

天然氣內(nèi)燃機(jī)相比于汽油機(jī)不僅使用成本低，且可大幅降低NOx、CO、CO2的排放[14]。目前國(guó)內(nèi)汽油/天然氣兩用燃料乘用車主要是由汽油機(jī)直接改裝而成，但這在一定程度上影響內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性，國(guó)外主機(jī)廠普遍重視天然氣作為燃料在乘用車上的應(yīng)用，其兩用燃料內(nèi)燃機(jī)以主機(jī)廠開(kāi)發(fā)為主，改善了在燃油內(nèi)燃機(jī)上直接使用天然氣會(huì)導(dǎo)致功率下降的問(wèn)題[14]。

未來(lái)內(nèi)燃機(jī)的燃料會(huì)越來(lái)越多樣化,內(nèi)燃機(jī)需要自動(dòng)探測(cè)燃料類型并調(diào)整運(yùn)行參數(shù)以適應(yīng)不同的燃料，活塞供應(yīng)商需要研究各種燃料燃燒特性及其對(duì)活塞溫度、摩擦磨損、疲勞強(qiáng)度、腐蝕等的影響，有針對(duì)性地研發(fā)可同時(shí)適應(yīng)多種燃料的內(nèi)燃機(jī)活塞。

1.2 活塞材料

目前國(guó)內(nèi)外活塞的材料除鋁硅合金外，還有鑄鐵、鋁基復(fù)合材料、陶瓷等。鑄鐵密度大，強(qiáng)度高，鑄鐵活塞一般沖壓成型后再進(jìn)行機(jī)加工，制造難度大且成本高，主要用在高功率柴油機(jī)上。汽油機(jī)的活塞頭部形狀一般較為復(fù)雜，不易加工，同時(shí)汽油機(jī)轉(zhuǎn)速普遍較高，為克服高轉(zhuǎn)速引起的高慣性力的問(wèn)題，對(duì)活塞輕量化要求高，所以鑄鐵活塞還沒(méi)有在汽油機(jī)上批量應(yīng)用。鋁硅合金具備密度低、強(qiáng)度較高、導(dǎo)熱性好、耐磨性能優(yōu)良、鑄造性能好、易機(jī)加工、成本低等眾多優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于汽油機(jī)和低功率柴油機(jī)活塞。

汽油機(jī)工作中燃油混合氣劇烈燃燒，產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)庵苯幼饔迷诨钊^部，隨著汽油機(jī)升功率的提高，活塞頭部承受的溫度和壓力也相應(yīng)提高。目前增壓汽油機(jī)設(shè)計(jì)爆壓基本上在11 MPa以上，甚至達(dá)到14 MPa，活塞頭部溫度基本上超過(guò)300 ℃，甚至達(dá)到350 ℃?；钊^部和銷孔上半部主要承受燃燒壓力產(chǎn)生的壓應(yīng)力，特別是在低轉(zhuǎn)速高功率情況下，頭部和銷孔是活塞失效的關(guān)鍵因素。在活塞受力變形過(guò)程中某些區(qū)域也會(huì)有拉應(yīng)力產(chǎn)生，特別是在高轉(zhuǎn)速下，銷孔軸線以下的銷座部分承受由慣性力引起的拉應(yīng)力，是高轉(zhuǎn)速下活塞失效的關(guān)鍵原因。鋁合金材料抗壓性能較好，但抗拉性能不足。銅、鈦、釩、鋯、鎂等微量元素含量和比例可顯著影響鋁合金的澆鑄性能、熱處理工藝、力學(xué)性能等。盡管市場(chǎng)上主要的活塞供應(yīng)商已普遍采用含微量元素鋁合金材料，但隨著汽油機(jī)的發(fā)展，活塞將承受更高的溫度和應(yīng)力，需要進(jìn)一步研究具有更好的高溫疲勞強(qiáng)度和抗拉、抗壓性能的鋁合金材料。

鑒于鋁合金抗拉強(qiáng)度不足，活塞用鋁基復(fù)合材料通常以鋁硅合金為基體，添加可以增強(qiáng)其抗拉性能的添加物，如纖維、短纖維、晶須、顆粒等[15-16]，鋁基復(fù)合材料相比鋁合金在熱膨脹系數(shù)、抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、耐磨性能、耐高度極限等方面有非常顯著的提高[16]。上海交通大學(xué)和兵器科學(xué)研究院研制的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料活塞已在汽車上進(jìn)行了論證，但由于顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料工藝非常復(fù)雜、制造成本高，所以迄今為止未見(jiàn)有批量應(yīng)用。

對(duì)汽油機(jī)活塞而言，鋁硅合金材料仍是今后一段時(shí)期的主流，但隨著內(nèi)燃機(jī)的縮缸強(qiáng)化，活塞承受的溫度和壓力也將更大，對(duì)鋁硅合金的性能也提出了挑戰(zhàn)，研究降低鋁基復(fù)合材料的成本具有重要意義。

1.3 輕量化設(shè)計(jì)

汽油機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)7 000 r/min，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的最大慣性力達(dá)到活塞自身質(zhì)量的2 000倍以上。內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程中必須克服慣性力做工，活塞慣性力不僅會(huì)引起燃油的額外消耗，威脅活塞自身的安全，還能引起汽油機(jī)異常振動(dòng)、產(chǎn)生對(duì)相關(guān)部件的不利負(fù)荷并造成軸承磨損等，因而活塞的輕量化至關(guān)重要。

活塞重量因子是統(tǒng)一衡量不同缸徑、不同設(shè)計(jì)活塞輕量化水平的重要參數(shù)：

以屠宰后成熟度好的萊蕪黑山羊腿肉為試驗(yàn)材料，羊肉購(gòu)自山東峰祥畜牧種業(yè)科技有限公司國(guó)家級(jí)萊蕪黑山羊保種場(chǎng)。

(1)

式中：K為質(zhì)量因子，其單位和密度相同；M為活塞質(zhì)量；D為活塞外徑。

圖2顯示了活塞重量因子隨批產(chǎn)時(shí)間的變化趨勢(shì)，從中可以看出，活塞重量因子隨批產(chǎn)時(shí)間緩慢減小。目前市場(chǎng)上，鋁合金無(wú)鑲?cè)钊亓恳蜃涌梢宰龅?.5以下，帶奧氏體鑄鐵鑲?cè)钊?.55以下。

圖2 活塞輕量化發(fā)展趨勢(shì)

目前汽油機(jī)活塞的主要供應(yīng)商德國(guó)KS集團(tuán)和Mahle集團(tuán)都已經(jīng)擁有成熟的輕量化設(shè)計(jì)平臺(tái)[17-18]，其輕量化設(shè)計(jì)如圖3、4所示，這些輕量化設(shè)計(jì)都在活塞窗口上部設(shè)計(jì)了減重槽，活塞裙部窄而短，但考慮到制造工藝的限值，從結(jié)構(gòu)上進(jìn)一步降低活塞重量已經(jīng)沒(méi)有太多的空間。

圖3 KS Lite K S 設(shè)計(jì)的活塞 圖4 Mahle EVOTEC設(shè)計(jì)的活塞

活塞80%以上的質(zhì)量集中在壓縮高區(qū)域(銷孔軸線以上部分)。減小壓縮高不僅可以顯著降低活塞質(zhì)量，使活塞更加緊湊，還可以直接降低內(nèi)燃機(jī)高度及質(zhì)量。對(duì)活塞來(lái)說(shuō)壓縮高必須足夠大以布置活塞環(huán)岸、環(huán)槽。目前應(yīng)用的四沖程汽油機(jī)活塞有3道環(huán)，環(huán)及環(huán)岸的布置限制了壓縮高的降低。隨著活塞環(huán)技術(shù)的進(jìn)步，降低環(huán)高和減小環(huán)數(shù)都會(huì)成為可能。目前市場(chǎng)批產(chǎn)項(xiàng)目上壓縮環(huán)、下壓縮環(huán)，油環(huán)環(huán)高基本為1.2、1.2、2.0 mm，但現(xiàn)階段大多開(kāi)發(fā)中的項(xiàng)目采用了1.0、1.0和1.5 mm的環(huán)高布置，這樣就使壓縮高降低0.9 mm?，F(xiàn)在也有在四沖程汽油機(jī)上采用兩道環(huán)設(shè)計(jì)，通過(guò)特殊的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以達(dá)到和3道環(huán)相同水平的性能，但限于制造成本較高，目前還沒(méi)有進(jìn)入批產(chǎn)階段。活塞壓縮高降低會(huì)導(dǎo)致活塞頭部安全性降低，所以在降低壓縮高時(shí)必須找到一個(gè)兼顧頭部安全、環(huán)岸環(huán)槽布置、質(zhì)量的平衡點(diǎn)。

現(xiàn)階段鋁合金活塞部分區(qū)域壁厚設(shè)計(jì)是基于鑄造工藝的限制，而不是活塞本身功能的需求。目前市場(chǎng)上批產(chǎn)應(yīng)用的活塞最小澆鑄壁厚約為3.0 mm。鑄造工藝的改進(jìn)可使壁厚進(jìn)一步降低從而降低活塞質(zhì)量，現(xiàn)已有活塞供應(yīng)商在批產(chǎn)中采用惰性氣體保護(hù)澆鑄、自動(dòng)澆鑄等工藝來(lái)保證小壁厚活塞的鑄造質(zhì)量，可使批產(chǎn)鑄造壁厚小于3.0 mm。汽油機(jī)活塞較小，現(xiàn)在采用的都是重力澆鑄。壓力鑄造可明顯改善鑄件的材料性能，并保證較小壁厚的鑄造質(zhì)量。隨著對(duì)活塞強(qiáng)度和輕量化要求越來(lái)越高，預(yù)計(jì)在部分高性能汽油機(jī)鋁合金活塞上將采用壓力鑄造。

1.4 降低摩擦功消耗

在低、中轉(zhuǎn)速區(qū)域,活塞系統(tǒng)的摩擦損失占汽油機(jī)總摩擦損失的20%左右,而在高轉(zhuǎn)速區(qū)域,這一比例還會(huì)增加，降低活塞系統(tǒng)的摩擦對(duì)降低燃油耗有直接的幫助[19]。降低活塞摩擦的方法主要有3個(gè)方面。

1)減小活塞裙部面積?；钊ぷ鬟^(guò)程中裙部直接和缸套接觸，發(fā)生摩擦，是活塞摩擦功的主要來(lái)源。減小活塞裙部面積，不僅可以降低摩擦功損耗，還可以進(jìn)一步降低活塞重量。這也是活塞結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要方向之一，但活塞裙部面積過(guò)小會(huì)導(dǎo)致活塞運(yùn)動(dòng)過(guò)程中導(dǎo)向不足，接觸壓力增加等問(wèn)題，從而會(huì)引起噪音和高磨損，甚至拉缸風(fēng)險(xiǎn)，需要匹配活塞外圓型線和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，找到一個(gè)最佳的平衡點(diǎn)。

2)耐磨且低摩擦系數(shù)的裙部涂層?；钊ぷ鞴こ讨腥共恐苯雍透滋讜?huì)發(fā)生摩擦，低摩擦系數(shù)且更耐磨的涂層可以直接降低活塞裙部消耗的摩擦功，并降低拉缸風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)在活塞使用的基本上都是石墨涂層混合粘結(jié)劑做成的涂層，更先進(jìn)的涂層是在此基礎(chǔ)上添加減磨、耐磨納米顆粒，但涂層的使用壽命還不足以覆蓋內(nèi)燃機(jī)整個(gè)生命周期，基本上磨合階段后波峰上的涂層會(huì)被磨損掉，圖5所示為某活塞250 h耐久試驗(yàn)后裙部，亮白色區(qū)域即為波峰涂層已經(jīng)被磨損掉。隨著主機(jī)廠對(duì)耐磨降摩的要求進(jìn)一步提高，對(duì)涂層也提出了更高的要求，不僅要求進(jìn)一步降摩擦、且耐磨損性能要達(dá)到可覆蓋內(nèi)燃機(jī)整個(gè)生命周期。目前在活塞環(huán)、銷上應(yīng)用的類金剛石鍍膜(diamond-like carbon，DLC)涂層具有更優(yōu)的耐磨性能和更低的摩擦系數(shù)，由于成本、工藝的原因還未見(jiàn)DLC涂層批量應(yīng)用于裙部涂層的案例，但隨著DLC成本的降低，預(yù)計(jì)DLC涂層將會(huì)在活塞裙部上應(yīng)用。

圖5 某活塞250 h耐久試驗(yàn)后裙部磨損狀況

1.5 一環(huán)槽保護(hù)

活塞第1環(huán)槽直接接觸燃燒氣體，承受著高溫高壓，同時(shí)和上壓縮環(huán)直接接觸，構(gòu)成一對(duì)摩擦副。目前上壓縮環(huán)基本上都采用鋼材料加表面涂層，硬度遠(yuǎn)大于鋁合金，由于高溫下鋁合金材料性能下降明顯，若第1環(huán)槽不采取保護(hù)措施，將有發(fā)生微焊、磨損過(guò)大過(guò)快而引起竄氣、機(jī)油耗過(guò)高、扭矩降低，壽命減少等問(wèn)題。

目前第1環(huán)槽保護(hù)主要有陽(yáng)極氧化和奧氏體鑄鐵鑲?cè)夹g(shù)，都已經(jīng)廣泛應(yīng)用，技術(shù)成熟。對(duì)于一般內(nèi)燃機(jī)陽(yáng)極氧化已經(jīng)足夠。若第1環(huán)槽溫度超過(guò)270 ℃，陽(yáng)極氧化失效風(fēng)險(xiǎn)會(huì)顯著增加，不能滿足需求。第1環(huán)槽奧氏體鑄鐵鑲?cè)ΡＷo(hù)可顯著提高第1環(huán)槽抗高溫和耐磨性能，環(huán)槽壽命可提高3～10倍[20]。另外，增壓內(nèi)燃機(jī)存在爆震風(fēng)險(xiǎn)，超級(jí)爆震壓力可超過(guò)20 MPa，爆震壓力通過(guò)上壓縮環(huán)直接傳遞到第2環(huán)岸，因此活塞第2環(huán)岸斷裂是爆震時(shí)活塞的主要失效模式。由于奧氏體鑄鐵鑲?cè)?qiáng)度遠(yuǎn)大于鋁合金，因此還可顯著提高第2環(huán)岸強(qiáng)度，提高活塞壽命。新開(kāi)發(fā)的增壓汽油機(jī)活塞90%為奧氏體鑄鐵鑲?cè)钊?/p>

奧氏體鑄鐵鑲?cè)γ芏葹? 400 kg/m3，是鋁合金密度的2.6倍，奧氏體鑄鐵鑲?cè)χ亓看笥?0 g，占活塞裸重的10%以上，且成本較高。現(xiàn)主機(jī)廠都在尋求耐高溫高壓性能顯著高于陽(yáng)極氧化且重量低于奧氏體鑄鐵鑲?cè)Φ牡?環(huán)槽保護(hù)技術(shù)或耐高溫高壓性能顯著高于陽(yáng)極氧化但成本顯著低于奧氏體鑄鐵鑲?cè)Φ牡?環(huán)槽保護(hù)技術(shù)。鋁基復(fù)合材料作為鑲?cè)?yīng)用在第1環(huán)槽不失為一種較好的解決方案，其耐高溫高壓性能不低于奧氏體鑄鐵卻可使鑲?cè)χ亓拷档?0%以上，但如何使鋁基復(fù)合材料和活塞鋁合金良好地結(jié)合并降低鋁基復(fù)合材料的成本需要進(jìn)一步研究和試驗(yàn)。

1.6 冷卻油道活塞

鋁材料在溫度超過(guò)300 ℃以上時(shí)性能會(huì)顯著降低，因此活塞必須考慮降低溫度或提高關(guān)鍵部位的耐高溫耐磨性能。若能降低活塞溫度，也能使活塞強(qiáng)度及耐磨性能顯著提高。目前在柴油機(jī)活塞和高端汽油機(jī)上冷卻油道活塞已經(jīng)成熟應(yīng)用?；钊麥囟葴y(cè)試證明冷卻油道可使活塞溫度整體降低40 ℃以上，從而顯著提高活塞材料強(qiáng)度。

冷卻油道是活塞澆鑄時(shí)將鹽芯澆鑄在毛坯里，然后用高壓水將鹽芯沖洗掉而成。隨著內(nèi)燃機(jī)縮缸強(qiáng)化，冷卻油道技術(shù)的應(yīng)用將越來(lái)越普遍，但小缸徑帶冷卻油道活塞也會(huì)對(duì)模具設(shè)計(jì)、熱工鑄造技術(shù)提出更高的要求。

1.7 銷孔銅套活塞

內(nèi)燃機(jī)燃燒壓力直接通過(guò)銷孔傳遞給銷子。銷孔的平均面壓是活塞設(shè)計(jì)時(shí)校核銷孔強(qiáng)度的重要指標(biāo)，現(xiàn)在大多增壓汽油機(jī)銷孔平均面壓都超過(guò)了90 MPa。若要降低銷孔面壓，只能增加銷子長(zhǎng)度或外徑，但銷子為鋼，材料密度約為鋁合金密度的3倍，這不僅顯著增加內(nèi)燃機(jī)的慣性質(zhì)量，而且銷子外徑的增加使得環(huán)岸布置困難和活塞頭部安全系數(shù)降低；銷子長(zhǎng)度的增加也會(huì)大大降低活塞輕型設(shè)計(jì)的減重效果。

目前銷孔銅套技術(shù)在柴油機(jī)鋁活塞上已經(jīng)成熟應(yīng)用，在高功率汽油機(jī)上應(yīng)用銅套也是可行的，但銅套成本較高，目前還沒(méi)有在汽油機(jī)活塞上批量應(yīng)用的案例。

1.8 非對(duì)稱外圓型線

隨著內(nèi)燃機(jī)縮缸強(qiáng)化，活塞將承受更高的溫度和更大的壓力?；钊叩臏囟纫馕吨蟮淖冃巍Ｅ涓组g隙也有增大的趨勢(shì)。這2者將顯著增大活塞的噪音和摩擦功消耗，這對(duì)活塞外圓型線的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。在活塞減重設(shè)計(jì)趨勢(shì)下，主副推力側(cè)裙部已是非對(duì)稱設(shè)計(jì)，這種情況下采用對(duì)稱型線設(shè)計(jì)已經(jīng)很難滿足要求。

為了改善活塞上止點(diǎn)換向時(shí)的噪音問(wèn)題，汽油機(jī)活塞銷孔都偏向主推力側(cè)0.3～1.0 mm。銷孔偏位過(guò)小，不能解決噪音問(wèn)題，但銷孔偏位增加會(huì)引起摩擦功消耗增加。非對(duì)稱裙部型線可解決銷孔偏位較小時(shí)的噪音問(wèn)題，從而兼顧了摩擦功和噪音風(fēng)險(xiǎn)。非對(duì)稱裙部型線的加工是通過(guò)加工程序來(lái)完成，不會(huì)引起成本的增加。新項(xiàng)目開(kāi)發(fā)種，非對(duì)稱外圓型線的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。

1.9 異形銷孔型線

異形銷孔型線包括豎向橢圓銷孔型線、橫向銷孔橢圓型線、上下非對(duì)稱型線。其中豎向橢圓銷孔型線可改善活塞頭部的安全但不利于銷孔的安全；橫向銷孔型線不利于活塞頭部安全，但可改善銷座安全；上下非對(duì)稱型線主要是為了改善高轉(zhuǎn)速下銷孔下半部安全，因?yàn)榕浜线B桿設(shè)計(jì)，銷孔下半部接觸面積小于銷孔上半部，高轉(zhuǎn)速下銷孔下半部受慣性力影響和銷子接觸，若接觸區(qū)域靠近內(nèi)邊緣會(huì)導(dǎo)致銷孔下半部安全問(wèn)題，采用上下非對(duì)稱銷孔型線可有效解決問(wèn)題。

隨著內(nèi)燃機(jī)縮缸強(qiáng)化，活塞承受的爆發(fā)壓力也隨之升高，必須平衡活塞頭部和銷孔的安全，但沒(méi)有措施可以同時(shí)提高銷孔和活塞頭部的安全。異形銷孔型線是平衡活塞銷孔和頭部安全的有效措施。內(nèi)燃機(jī)縮缸強(qiáng)化后，使得所有指標(biāo)都安全的活塞設(shè)計(jì)也越加困難，異形銷孔型線的使用會(huì)越來(lái)越多。目前異形銷孔型線加工是采用靠模加工，需要精度很高的模具，會(huì)略微增加制造成本。

1.10 先進(jìn)的制造方式

隨著對(duì)燃燒學(xué)的研究越來(lái)越深入和排放要求越來(lái)越高，為了達(dá)到理想的燃燒效果，活塞頂面也變的越來(lái)越復(fù)雜，批量生產(chǎn)時(shí)只能通過(guò)鑄造方式來(lái)完成，這對(duì)鑄造技術(shù)提出了很高的要求。

目前活塞鑄造基本上為重力鑄造，大多采用澆道在裙部，冒口在活塞頭部的澆鑄方式，但也有活塞供應(yīng)商可批量生產(chǎn)全澆鑄頂面活塞。未來(lái)對(duì)全澆濤頂面活塞的需求會(huì)越來(lái)越多，需要重新設(shè)計(jì)活塞模具及機(jī)加工方案，這不僅是對(duì)活塞澆鑄技術(shù)的新挑戰(zhàn)，也是對(duì)整個(gè)活塞加工技術(shù)的挑戰(zhàn)。

壓力鑄造不僅可提升活塞材料性能，還能改善澆鑄性能，澆鑄出更薄的活塞，從而降低活塞質(zhì)量。隨著三缸機(jī)應(yīng)用越來(lái)越多，其對(duì)活塞減重需求越來(lái)越嚴(yán)格，內(nèi)燃機(jī)縮缸強(qiáng)化對(duì)活塞材料性能要求也越來(lái)越高，低壓鑄造或高壓鑄造也將應(yīng)用在活塞上。

惰性氣體鑄造可顯著降低氧化夾雜、冷隔等廢品率，改善薄壁活塞澆鑄性能。目前在少量項(xiàng)目上已經(jīng)批量應(yīng)用，其應(yīng)用也將越來(lái)越廣泛。

2 結(jié)論

隨著內(nèi)燃機(jī)排放法規(guī)要求越來(lái)越嚴(yán)，內(nèi)燃機(jī)正向縮缸強(qiáng)化的方向發(fā)展。為了適應(yīng)縮缸強(qiáng)化內(nèi)燃機(jī)對(duì)活塞的要求，本文中從活塞材料、輕量化設(shè)計(jì)、裙部涂層、第1環(huán)槽保護(hù)、外圓型線設(shè)計(jì)、銷孔型線設(shè)計(jì)、制造等方面探討了汽油機(jī)活塞技術(shù)的下一步研究重點(diǎn)和發(fā)展方向。

鳴謝：感謝上海市嘉定區(qū)第七批引進(jìn)高層次創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)和急需緊缺人才資金對(duì)本課題的資助。