汽油機活塞技術的現狀與展望

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)

全球變暖和環境污染問題越來越引起人們的重視。隨著汽車保有量逐年增加，許多國家都制定了嚴苛的內燃機排放法規[1-2]，我國2020年也將實施國六排放標準[3]。我國2017年純電動乘用車銷售46.8萬輛，占2017年乘用車銷量的約1.89%[4]。2018年1～6月共銷售純電動乘用車257 265輛[5]，占乘用車總銷量的2.18%[6]。國家發改委預測2020年全國電動汽車保有量超過500萬輛，其中新能源乘用車430萬輛[7]。雖然新能源汽車銷量增長較快，但占比較小，現階段研究內燃機的節能、減排依然意義重大。

根據某公司最近3年的活塞開發新項目數據來分析，各大主機廠依然在投入大量資源研發新型內燃機，汽油機將向小型化，缸內直噴，增壓，高效節能技術(直噴壓燃、變壓縮比)，燃料多樣化等方向發展[1,2,8-10]，即汽油機將達到更高的升功率、燃燒壓力和溫度等。升功率是一個內燃機對比的重要指標。如圖1示，根據某公司已批產項目的對標可以看出，發動機的升功率逐年升高，但受技術限制，自然吸氣汽油機的升功率沒有明顯的增加，升功率大多處于45～60 kW/L，新開發的自然吸氣內燃機主要聚焦在提高整體熱效率以降低燃油耗；2013年后批產的內燃機幾乎全部為增壓內燃機，且增壓內燃機升功率逐年增高，2015年后的機型升功率基本上在90 kW/L以上，甚至達到120 kW/L。汽油機的發展也對配套零部件提出了更高的要求和挑戰。

圖1 汽油機升功率發展趨勢預測

活塞是內燃機將燃油化學能轉化為機械能的關鍵部件，工作在高溫、高壓、高摩擦磨損、高慣性力的環境下，活塞的結構強度、疲勞強度、耐高溫、耐磨損、熱膨脹等性能必須滿足內燃機需求。汽油機的發展趨勢對活塞技術提出了更高的要求和挑戰，活塞不僅要適應多樣燃料，承受更高的溫度和燃燒壓力，同時還需要降低自重和摩擦功消耗以改善燃油耗。

1 汽油機活塞發展展望

1.1 適用多種燃料活塞

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

甲醇和乙醇燃料技術已經相當成熟，部分國家和地區已經實現了商業化應用。我國山西省晉中市甲醇汽車試驗單車行駛里程已突破20萬km，常規排放降低40%～70%，燃料成本降低40%[10]，PM2.5可減少72%～83%[2]。我國富煤貧油，目前石油對外依存度已經超過60%，其中內燃機消耗了2/3石油[2]。現在煤基甲醇技術已經開始工業化應用，特別是可以用不適合直接燃燒的劣質煤來生產甲醇，相對于煤的直接燃燒和其他煤化工產品，甲醇作為替代燃料更環保、經濟，符合我國的現實和國家能源安全戰略[2]。

乙醇汽油在美國、巴西的大規模商業化應用已經有多年歷史。2013年美國生產和消耗了3 990萬t乙醇燃料，占世界產量的56.8%，巴西占世界總產量的26.8%[11]。隨著技術的進步，燃料乙醇的制作原料趨向多元化，成本也將進一步降低。目前我國已經出臺規定[12]：2020年全國范圍內將基本實現車用乙醇汽油全覆蓋，到2025年，力爭纖維素乙醇實現規模化生產，先進生物液體燃料技術、裝備和產業整體達到國際領先水平，形成更加完善的市場化運行機制。燃料乙醇是經過驗證的可再生能源，具有廣闊的應用前景。目前應用的乙醇汽油多為E10，即加入體積分數10%的乙醇，對動力系統的影響比較小，汽油機可以直接使用[2]，但是20%以上的乙醇汽油就需要對內燃機及相關部件的設計、材料等進行改進[13]。

天然氣內燃機相比于汽油機不僅使用成本低，且可大幅降低NOx、CO、CO2的排放[14]。目前國內汽油/天然氣兩用燃料乘用車主要是由汽油機直接改裝而成，但這在一定程度上影響內燃機的動力性，國外主機廠普遍重視天然氣作為燃料在乘用車上的應用，其兩用燃料內燃機以主機廠開發為主，改善了在燃油內燃機上直接使用天然氣會導致功率下降的問題[14]。

未來內燃機的燃料會越來越多樣化,內燃機需要自動探測燃料類型并調整運行參數以適應不同的燃料，活塞供應商需要研究各種燃料燃燒特性及其對活塞溫度、摩擦磨損、疲勞強度、腐蝕等的影響，有針對性地研發可同時適應多種燃料的內燃機活塞。

1.2 活塞材料

目前國內外活塞的材料除鋁硅合金外，還有鑄鐵、鋁基復合材料、陶瓷等。鑄鐵密度大，強度高，鑄鐵活塞一般沖壓成型后再進行機加工，制造難度大且成本高，主要用在高功率柴油機上。汽油機的活塞頭部形狀一般較為復雜，不易加工，同時汽油機轉速普遍較高，為克服高轉速引起的高慣性力的問題，對活塞輕量化要求高，所以鑄鐵活塞還沒有在汽油機上批量應用。鋁硅合金具備密度低、強度較高、導熱性好、耐磨性能優良、鑄造性能好、易機加工、成本低等眾多優點，已廣泛應用于汽油機和低功率柴油機活塞。

汽油機工作中燃油混合氣劇烈燃燒，產生的高溫高壓燃氣直接作用在活塞頭部，隨著汽油機升功率的提高，活塞頭部承受的溫度和壓力也相應提高。目前增壓汽油機設計爆壓基本上在11 MPa以上，甚至達到14 MPa，活塞頭部溫度基本上超過300 ℃，甚至達到350 ℃。活塞頭部和銷孔上半部主要承受燃燒壓力產生的壓應力，特別是在低轉速高功率情況下，頭部和銷孔是活塞失效的關鍵因素。在活塞受力變形過程中某些區域也會有拉應力產生，特別是在高轉速下，銷孔軸線以下的銷座部分承受由慣性力引起的拉應力，是高轉速下活塞失效的關鍵原因。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、力學性能等。盡管市場上主要的活塞供應商已普遍采用含微量元素鋁合金材料，但隨著汽油機的發展，活塞將承受更高的溫度和應力，需要進一步研究具有更好的高溫疲勞強度和抗拉、抗壓性能的鋁合金材料。

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

對汽油機活塞而言，鋁硅合金材料仍是今后一段時期的主流，但隨著內燃機的縮缸強化，活塞承受的溫度和壓力也將更大，對鋁硅合金的性能也提出了挑戰，研究降低鋁基復合材料的成本具有重要意義。

1.3 輕量化設計

汽油機轉速達7 000 r/min，活塞往復運動產生的最大慣性力達到活塞自身質量的2 000倍以上。內燃機工作過程中必須克服慣性力做工，活塞慣性力不僅會引起燃油的額外消耗，威脅活塞自身的安全，還能引起汽油機異常振動、產生對相關部件的不利負荷并造成軸承磨損等，因而活塞的輕量化至關重要。

活塞重量因子是統一衡量不同缸徑、不同設計活塞輕量化水平的重要參數：

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(1)

式中：K為質量因子，其單位和密度相同；M為活塞質量；D為活塞外徑。

圖2顯示了活塞重量因子隨批產時間的變化趨勢，從中可以看出，活塞重量因子隨批產時間緩慢減小。目前市場上，鋁合金無鑲圈活塞重量因子可以做到0.5以下，帶奧氏體鑄鐵鑲圈活塞在0.55以下。

圖2 活塞輕量化發展趨勢

目前汽油機活塞的主要供應商德國KS集團和Mahle集團都已經擁有成熟的輕量化設計平臺[17-18]，其輕量化設計如圖3、4所示，這些輕量化設計都在活塞窗口上部設計了減重槽，活塞裙部窄而短，但考慮到制造工藝的限值，從結構上進一步降低活塞重量已經沒有太多的空間。

圖3 KS Lite K S 設計的活塞 圖4 Mahle EVOTEC設計的活塞

活塞80%以上的質量集中在壓縮高區域(銷孔軸線以上部分)。減小壓縮高不僅可以顯著降低活塞質量，使活塞更加緊湊，還可以直接降低內燃機高度及質量。對活塞來說壓縮高必須足夠大以布置活塞環岸、環槽。目前應用的四沖程汽油機活塞有3道環，環及環岸的布置限制了壓縮高的降低。隨著活塞環技術的進步，降低環高和減小環數都會成為可能。目前市場批產項目上壓縮環、下壓縮環，油環環高基本為1.2、1.2、2.0 mm，但現階段大多開發中的項目采用了1.0、1.0和1.5 mm的環高布置，這樣就使壓縮高降低0.9 mm。現在也有在四沖程汽油機上采用兩道環設計，通過特殊的設計結構可以達到和3道環相同水平的性能，但限于制造成本較高，目前還沒有進入批產階段。活塞壓縮高降低會導致活塞頭部安全性降低，所以在降低壓縮高時必須找到一個兼顧頭部安全、環岸環槽布置、質量的平衡點。

現階段鋁合金活塞部分區域壁厚設計是基于鑄造工藝的限制，而不是活塞本身功能的需求。目前市場上批產應用的活塞最小澆鑄壁厚約為3.0 mm。鑄造工藝的改進可使壁厚進一步降低從而降低活塞質量，現已有活塞供應商在批產中采用惰性氣體保護澆鑄、自動澆鑄等工藝來保證小壁厚活塞的鑄造質量，可使批產鑄造壁厚小于3.0 mm。汽油機活塞較小，現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量。隨著對活塞強度和輕量化要求越來越高，預計在部分高性能汽油機鋁合金活塞上將采用壓力鑄造。

1.4 降低摩擦功消耗

在低、中轉速區域,活塞系統的摩擦損失占汽油機總摩擦損失的20%左右,而在高轉速區域,這一比例還會增加，降低活塞系統的摩擦對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個方面。

1)減小活塞裙部面積。活塞工作過程中裙部直接和缸套接觸，發生摩擦，是活塞摩擦功的主要來源。減小活塞裙部面積，不僅可以降低摩擦功損耗，還可以進一步降低活塞重量。這也是活塞結構優化的主要方向之一，但活塞裙部面積過小會導致活塞運動過程中導向不足，接觸壓力增加等問題，從而會引起噪音和高磨損，甚至拉缸風險，需要匹配活塞外圓型線和結構設計，找到一個最佳的平衡點。

2)耐磨且低摩擦系數的裙部涂層。活塞工作工程中裙部直接和缸套會發生摩擦，低摩擦系數且更耐磨的涂層可以直接降低活塞裙部消耗的摩擦功，并降低拉缸風險。現在活塞使用的基本上都是石墨涂層混合粘結劑做成的涂層，更先進的涂層是在此基礎上添加減磨、耐磨納米顆粒，但涂層的使用壽命還不足以覆蓋內燃機整個生命周期，基本上磨合階段后波峰上的涂層會被磨損掉，圖5所示為某活塞250 h耐久試驗后裙部，亮白色區域即為波峰涂層已經被磨損掉。隨著主機廠對耐磨降摩的要求進一步提高，對涂層也提出了更高的要求，不僅要求進一步降摩擦、且耐磨損性能要達到可覆蓋內燃機整個生命周期。目前在活塞環、銷上應用的類金剛石鍍膜(diamond-like carbon，DLC)涂層具有更優的耐磨性能和更低的摩擦系數，由于成本、工藝的原因還未見DLC涂層批量應用于裙部涂層的案例，但隨著DLC成本的降低，預計DLC涂層將會在活塞裙部上應用。

圖5 某活塞250 h耐久試驗后裙部磨損狀況

1.5 一環槽保護

活塞第1環槽直接接觸燃燒氣體，承受著高溫高壓，同時和上壓縮環直接接觸，構成一對摩擦副。目前上壓縮環基本上都采用鋼材料加表面涂層，硬度遠大于鋁合金，由于高溫下鋁合金材料性能下降明顯，若第1環槽不采取保護措施，將有發生微焊、磨損過大過快而引起竄氣、機油耗過高、扭矩降低，壽命減少等問題。

目前第1環槽保護主要有陽極氧化和奧氏體鑄鐵鑲圈技術，都已經廣泛應用，技術成熟。對于一般內燃機陽極氧化已經足夠。若第1環槽溫度超過270 ℃，陽極氧化失效風險會顯著增加，不能滿足需求。第1環槽奧氏體鑄鐵鑲圈保護可顯著提高第1環槽抗高溫和耐磨性能，環槽壽命可提高3～10倍[20]。另外，增壓內燃機存在爆震風險，超級爆震壓力可超過20 MPa，爆震壓力通過上壓縮環直接傳遞到第2環岸，因此活塞第2環岸斷裂是爆震時活塞的主要失效模式。由于奧氏體鑄鐵鑲圈強度遠大于鋁合金，因此還可顯著提高第2環岸強度，提高活塞壽命。新開發的增壓汽油機活塞90%為奧氏體鑄鐵鑲圈活塞。

奧氏體鑄鐵鑲圈密度為7 400 kg/m3，是鋁合金密度的2.6倍，奧氏體鑄鐵鑲圈重量大于20 g，占活塞裸重的10%以上，且成本較高。現主機廠都在尋求耐高溫高壓性能顯著高于陽極氧化且重量低于奧氏體鑄鐵鑲圈的第1環槽保護技術或耐高溫高壓性能顯著高于陽極氧化但成本顯著低于奧氏體鑄鐵鑲圈的第1環槽保護技術。鋁基復合材料作為鑲圈應用在第1環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圈重量降低50%以上，但如何使鋁基復合材料和活塞鋁合金良好地結合并降低鋁基復合材料的成本需要進一步研究和試驗。

1.6 冷卻油道活塞

鋁材料在溫度超過300 ℃以上時性能會顯著降低，因此活塞必須考慮降低溫度或提高關鍵部位的耐高溫耐磨性能。若能降低活塞溫度，也能使活塞強度及耐磨性能顯著提高。目前在柴油機活塞和高端汽油機上冷卻油道活塞已經成熟應用。活塞溫度測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度。

冷卻油道是活塞澆鑄時將鹽芯澆鑄在毛坯里，然后用高壓水將鹽芯沖洗掉而成。隨著內燃機縮缸強化，冷卻油道技術的應用將越來越普遍，但小缸徑帶冷卻油道活塞也會對模具設計、熱工鑄造技術提出更高的要求。

1.7 銷孔銅套活塞

內燃機燃燒壓力直接通過銷孔傳遞給銷子。銷孔的平均面壓是活塞設計時校核銷孔強度的重要指標，現在大多增壓汽油機銷孔平均面壓都超過了90 MPa。若要降低銷孔面壓，只能增加銷子長度或外徑，但銷子為鋼，材料密度約為鋁合金密度的3倍，這不僅顯著增加內燃機的慣性質量，而且銷子外徑的增加使得環岸布置困難和活塞頭部安全系數降低；銷子長度的增加也會大大降低活塞輕型設計的減重效果。

目前銷孔銅套技術在柴油機鋁活塞上已經成熟應用，在高功率汽油機上應用銅套也是可行的，但銅套成本較高，目前還沒有在汽油機活塞上批量應用的案例。

1.8 非對稱外圓型線

隨著內燃機縮缸強化，活塞將承受更高的溫度和更大的壓力。活塞更高的溫度意味著更大的變形。配缸間隙也有增大的趨勢。這2者將顯著增大活塞的噪音和摩擦功消耗，這對活塞外圓型線的設計提出了更高的要求。在活塞減重設計趨勢下，主副推力側裙部已是非對稱設計，這種情況下采用對稱型線設計已經很難滿足要求。

為了改善活塞上止點換向時的噪音問題，汽油機活塞銷孔都偏向主推力側0.3～1.0 mm。銷孔偏位過小，不能解決噪音問題，但銷孔偏位增加會引起摩擦功消耗增加。非對稱裙部型線可解決銷孔偏位較小時的噪音問題，從而兼顧了摩擦功和噪音風險。非對稱裙部型線的加工是通過加工程序來完成，不會引起成本的增加。新項目開發種，非對稱外圓型線的應用將越來越廣泛。

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；上下非對稱型線主要是為了改善高轉速下銷孔下半部安全，因為配合連桿設計，銷孔下半部接觸面積小于銷孔上半部，高轉速下銷孔下半部受慣性力影響和銷子接觸，若接觸區域靠近內邊緣會導致銷孔下半部安全問題，采用上下非對稱銷孔型線可有效解決問題。

隨著內燃機縮缸強化，活塞承受的爆發壓力也隨之升高，必須平衡活塞頭部和銷孔的安全，但沒有措施可以同時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。內燃機縮缸強化后，使得所有指標都安全的活塞設計也越加困難，異形銷孔型線的使用會越來越多。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，會略微增加制造成本。

1.10 先進的制造方式

隨著對燃燒學的研究越來越深入和排放要求越來越高，為了達到理想的燃燒效果，活塞頂面也變的越來越復雜，批量生產時只能通過鑄造方式來完成，這對鑄造技術提出了很高的要求。

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，但也有活塞供應商可批量生產全澆鑄頂面活塞。未來對全澆濤頂面活塞的需求會越來越多，需要重新設計活塞模具及機加工方案，這不僅是對活塞澆鑄技術的新挑戰，也是對整個活塞加工技術的挑戰。

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，從而降低活塞質量。隨著三缸機應用越來越多，其對活塞減重需求越來越嚴格，內燃機縮缸強化對活塞材料性能要求也越來越高，低壓鑄造或高壓鑄造也將應用在活塞上。

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。目前在少量項目上已經批量應用，其應用也將越來越廣泛。

2 結論

隨著內燃機排放法規要求越來越嚴，內燃機正向縮缸強化的方向發展。為了適應縮缸強化內燃機對活塞的要求，本文中從活塞材料、輕量化設計、裙部涂層、第1環槽保護、外圓型線設計、銷孔型線設計、制造等方面探討了汽油機活塞技術的下一步研究重點和發展方向。

鳴謝：感謝上海市嘉定區第七批引進高層次創新創業和急需緊缺人才資金對本課題的資助。