【《汽油机活塞轻量化发展研究国内外文献综述》4200字】

汽油机活塞轻量化发展研究国内外文献综述1.1汽油发动机发展现状内燃机发展日新月异，在各个领域都有应用。但作为汽车发动机仍有许多不足，如热效率不够高，石油资源逐渐枯竭使得燃料不足，汽车总量增加导致环境污染严重[5]。发动机发展初期，研究者们主要追求发动机动力性的提升。随着国际上确立汽车排放标准，上个世纪七八十年代，石油能源越来越短缺，汽油的价格也随之增长，引起了研究者们对燃油经济性重视，他们开始逐步探索新的代用燃料以取代汽油，如燃气天然气，甲醇等。九十年代，汽车进入大规模生产阶段，发动机排放物对环境造成污染问题也越来越突出，为了保护共同的环境，我国的排放标准也随即出台，无铅汽油，改善汽油喷射等大量改进工作也开始展开[6]。近些年，发动机的性能通过技术的改进继续得到提升，主要包括这几个方面：(1)新涂层的应用例如DLC涂层应用在活塞销，CLC在活塞第一环槽表面应用，活塞燃烧室喉喉口重熔技术，陶瓷纤维材料应用。(2)增压技术：双层水套以及两级增压加强冷却，汽油机增压技术发展迅速，平均有效压力已达到1.65MPa，升功率93MP/L。(3)燃烧方式采用多种方式，预混充量压缩燃烧电控喷射系统以及缸内直喷技术应用。(4)利于EGR，SCR等技术对发动机的排放进行控制。1.2活塞理论发展研究现状内燃机发展已经历了一个多世纪，最初对发动机的动力性能以及可靠性能比较重视，对发动机的经济性，舒适性并没有很高的要求。直到上世纪五十年代，随着能源枯竭以及人们对汽车舒适性提出要求。活塞不仅在竖直方向做往复运动，由于配缸间隙的存在，活塞也做横向运动和旋转运动，这是活塞的二阶运动[7]。看似微观但是对发动机的性能影响却不能忽略。A.Meier首次针对活塞敲击缸体做出了研究，此后Griffiths对二阶运动继续更加深入研究[8]，从此关于发动机活塞组件的二阶运动才开始被工程师们重视起来。在此后的二十年时间内，对活塞运动分析主要是通过建立活塞动力学方程来预测活塞的摆动及敲击，但这种方式并不很准确，与发动机实际试验敲击情况有一个提前的时间差，研究者们发现这是由于活塞与缸套间的油膜进行了缓冲[9]。至此之后，重新对动力学计算进行了修订，将活塞的润滑油膜考虑进来，这为后期对活塞磨损及敲击奠定了基础，但此时并没有将活塞以及缸套的变形考虑进来。Zhu.D等在流体润滑基础上建立了更加完善的二阶运动模型，活塞表面质量，活塞与缸套间的接触以及缸套的冷热变形都被考虑进来，得到研究者们的一致认可并广泛使用[10]。Kazuhironakashima等人发现对活塞销孔设置偏心量可以改善发动机的敲击[11]。2007年F.M.Meng等人研究出了油膜惯性力对活塞运动的影响，[12]。现状应用Pisdyn动力学分析软件对活塞磨损载荷，磨损区域形状以及敲击动能的分析已经和实际试验情况非常接近[13]，在生产中广泛应用节省开发周期。国内对于活塞二阶运动研究成果也很显著，。[14]1992年，夏建新、楼狄明研究了用实验方法确定活塞裙部型线[15]。刘琨等人考虑缸套和活塞表面质量，完善了二阶运动模型[16]李鸿飞利用倒拖法对活塞组件摩擦功损失进行了研究[17]。雷基林等人采用正交试验方法对摩擦功做出分析。柴镇江等人计算时将活塞弹性考虑在内，计算出活塞敲击变化规律[18]。山东大学的刘世英研究了活塞销孔应力与油膜厚度及摩擦系数的关系[19]。1998年马学军等人对活塞裙部变化以及活塞裙部横截面形状进行了研究，确定了活塞型线及椭圆选择方法。熊培友等在活塞动力学计算模型中综合考虑了活塞及缸套的冷热变形，安装变形，活塞与缸套的表面形貌，并在计算中加入了活塞润滑模型，从而使动力学计算模型与工程实际更加贴近[20]。依据计算模型不断修正，计算结果与实际试验情况也基本一致。1.3汽油机活塞轻量化发展现状活塞可以通过改变活塞材料来实现轻量化，活塞要求选用强度高，耐磨性好，摩擦系数和热膨胀系数低的材料[21]，下面概述活塞常用的几种材料并对其轻量化进行分析。铸铁是由铁，碳、硅组成的合金总称，铸铁材料的碳含量＞2%，用于活塞铸造的是片状石墨和球状石墨的铸铁，铸铁的高温性能好，线膨胀系数低，缺点是塑性差，组织不均匀，焊接性差，并且铸铁材料密度大，即使采用薄壁结构设计，重量也比铝活塞高出很多，限制了它汽油机活塞上的应用。在发动机爆压、功率不断增大的背景下，钢材料在活塞上应用比较广泛，钢中的含碳量＜2%，加热时可以转换为奥氏体，目前42CrMo4和38MnVS6比较常用于活塞的制造，对于高爆压、高功率以及高负荷的发动机，基本都能满足要求而且无法取代，钢活塞强度高，耐磨耐腐蚀，线膨胀系数低，现在在汽油机活塞上也开始应用，但钢活塞的缺点也非常明显，钢活塞密度大，加工难度大，薄壁部位热处理时变形大，刚度强，与发动机的其他零部件配合时，会使得别的零部件磨损严重，这些限制了钢活塞的发展。Al-Si合金是目前应用比较广泛的铝合金[22]，为了细化晶粒，会添加Ti、Zr等元素，铝材料的发展日新月异，铝的储量丰富，质量轻，其密度只有钢的三分之一，可以大大减少活塞运动中产生的往复惯性力，并且铝活塞对活塞销，连杆、缸体的破坏小，可以降低组件磨损量，并且铝活塞导热性好，耐腐蚀的特点。但缺点是在铸造的过程中，也容易产生缩松、气孔。世界知名的活塞制造商德国的Mahle、KS、美国的辉门公司以及国内的滨州渤海活塞有限公司等经过多年的实践和摸索也都开发形成了自己特有的铝合金材料体系。除了以上三种比较常用的材料，随着人们对新材料的不断开发与试验，一些具有优良性能的新型材料也开始应用到活塞制造过程中，德国MGG公司发明了碳材料，碳材料活塞强度高、耐磨性好，并且碳活塞成本也低于铝活塞。德国宝马公司研制出耐热镁合金，该材料常温及高温抗拉强度都高于铝合金，技术性能更加优越，缺点是活塞寿命还有待提高，导热率低，会使活塞头部产生高热。虽然以上材料还没有进入大规模使用阶段，相信在以后，会发挥出巨大的作用。活塞结构方面福特公司开发出了铝头塑料裙的全新活塞。BorgoNova公司为BMW轿车发动机开发了一种在裙部、销座及相应膨胀部位呈X形状的轻型活塞，可以极大的减轻活塞重量[23]，但并未进入批量生产状态。辉门公司开发出新型质量更轻的AdvancedElastoval活塞，使发动机获得更高的输出功率。上个世纪八十年代，丰田汽车首先应用铝基复合材料活塞，这种新型材料用以代替传统的普通铝活塞。活塞经氧化铝短纤维增强后，环槽的高温耐磨性得到提高，而且这种新型材料膨胀系数比普通铝活塞低8%~15%，可以改善发动机噪声。氧化铝短纤维局部增强铝活塞可靠性更高，可以减小活塞失效的风险。德国PeterGreiner发明了一种新型碳活塞技术[24]，比铝活塞质量减轻三分之一。国内活塞企业，如渤海活塞、江滨活塞也在活塞轻量化取得了不错的进展，新型铝合金不断研发，内腔采用随型设计，主次推力侧不对称设计，短裙设计等轻量化结构越来越多的应用到实际生产中，相比于5年前的汽油机活塞重量可以减轻20g左右，并且实现批产状态。对于轻量化设计，除了产品设计外，更重要的是活塞铸造工艺水平的提升。铸件的质量需要引起关注。铸造可以采用新型低压铸造机，活塞在气压下成型，加压铸造可以减少活塞冷隔、缩松的风险并采用先进CMR快冷技术细化活塞金相。活塞加工精度直接影响活塞的性能以及与各个零部件之间的配合，尤其是轻量化设计活塞，需要高精度的加工方式来保证。例如，在加工过程中充分考虑温度对于加工件的影响，在恒温的环境中操作。在机加工过程中，要不断优化装夹方式和选用合适的夹紧力使加工件在生产过程中产生比较小的变形量。例如图1.3所示。轻量化活塞销孔比压相对较大，提高活塞销孔圆柱度，减少销孔振纹，可以使活塞销孔与活塞销更好地配合，防止销孔开裂和异常磨损。活塞加工完成后，需要对其进行表面处理，现在常用的减摩擦涂层比较多，为了提高活塞裙部的耐磨性和活塞运行初期抗拉缸能力，在传统石墨涂层基础上开发的不同的新涂层。YS03就是性能比较优异的一种新型涂层，耐磨性能与传统石墨相比，大幅度提高。图1.3提高活塞销孔加工精度参考文献胡颂韩.整体式驱动车桥的轻量化设计与试验研究[D].长沙：湖南大学，2013.张婕姝.基于轻量化技术的汽车设计[D].沈阳：沈阳航空航天大学，2016.潘志刚.某船用低速柴油机活塞性能研究[D].镇江：江苏科技大学，2015.彭禹.基于虚拟样机技术的发动机子系统设计方法研究[D].杭州：浙江大学，2007.SHMansouri，VWWong.EffectsofPistonParamentersonPistonSecondaryMotionandSkirt-LinerFriction[J].ProceedingoftheInsitutionofMechanicalEngineering，2005，219(6)：435-449.葛超峰，杨满盈，李庭勇.汽油机活塞技术的现状与展望[J].内燃机与动力装置，2018，35(05)：92-98.康清影.R175型单缸柴油机机体轻量化设计[D].镇江：江苏大学，2015.李明海，徐小林，张铁臣.内燃机结构[M].中国水利水电出版社，2010.胡珺辉.中美汽车轻量化技术对比分析与中方策略研究[D].武汉：华中科技大学，2019.朱呈祥，杨日炯.重油活塞发动机的燃烧关键技术分析[J].小型内燃机与车辆技术，2018，250(02)：91-96.胡振，乔信起，王渠东，等.发动机活塞轻量化的研究进展[J].小型内燃机与摩托车，2013.徐通.高强度铝硅合金活塞材料的研究[D].合肥：合肥工业大学，2020.陈长江，王渠东，尹冬弟，等.内燃机活塞材料的研究进展[J].材料导报，2009，23(15)：62-65.何龙军.汽车典型零部件轻量化设计[D].福州：福州大学，2014.MAHLEGmbH(Ed.).Pistonsandenginetesting[J].2012.LeanderPillmann.AluminumAlloysforPiston[S].WK-600.2011.Federal-mogul.PistonTechnologyforLightVehicleDieselEngines[C].2006，3.王海林，蔡兴旺.汽车构造与原理[M].机械工业出版社，2013.石小明，刘维娟，姜殿昌.高负荷发动机活塞的开发[J].内燃机与动力装置，2020，037(002)：42-48.周革华.浅谈发动机轻量化趋势于活塞环的影响[J].内燃机与配件，2013，000(008)：39-41.石小明.高强化柴油机锻钢活塞设计[D].济南：山东大学，2017.张伟.内燃机活塞加工精度影响因素的研究[D].西安：西安理工大学，2017.刘涛.高强化柴油机喉口重熔活塞设计与试验研究[D].济南：山东大学，2019.陈家瑞.汽车构造[M].机械工业出版社，2009.刘世英.内燃机活塞机械疲劳损伤与可靠性研究[D].济南：山东大学，2007.孟栋栋，赵旭东，刘涛.某国V排放轻型柴油机活塞设计研究[J].内燃机与动力装置，2016(004)：19-23.戴军.内燃机的活塞设计[J].科技信息，2009(033)：114-114.胡成永.热机载荷对活塞应力与变形影响规律研究[D].北京：北京理工大学，2015.苌转，赵云磊.496ZQ柴油机活塞热负荷研究及评价[J].内燃机，2018(3).袁兆成.内燃机设计.第2版[M].机械工业出版社，2012.张翼，谢俊，张钦修，等.某型号内燃机活塞结构拓扑优化及实验验证[J].铸造技术，2018，039(012)：2646-2650，2655.田小青，张萍，高光波，等.汽油机活塞可靠性研究[J].内燃机与动力装置，2012