為了持續(xù)降低CO2排放，應(yīng)對內(nèi)燃機的每個部件進行充分優(yōu)化，為此需要采用現(xiàn)代模擬工具和高精度的測量技術(shù)。德國KS Kolben Schmidt公司在開發(fā)Lite KS-5活塞系統(tǒng)時已充分應(yīng)用了此類整體系統(tǒng)方式。

1 系統(tǒng)方式

為了進一步研究內(nèi)燃機降低CO2排放的潛力，須重點考察內(nèi)燃機系統(tǒng)部件之間的相互關(guān)系，其包括采用不同制造工藝（壓鑄、低壓鑄造、砂型鑄造和硬模鑄造）的鑄件，例如使用可實現(xiàn)輕量化的氣缸體曲軸箱、氣缸蓋、主軸承框架、結(jié)構(gòu)件以及變速箱構(gòu)件，此外優(yōu)化氣缸體曲軸箱的功能表面以降低CO2排放也是1項可行的方法。除此之外，必須使用有著較大承載能力而摩擦和磨損較低的連桿軸瓦和曲軸軸瓦，而采用通過電化學方法離析的電鍍鍍層，采用電物理方法而獲得的噴涂涂層也都能確保最佳的磨合特性和長期耐久運行過程。

此外，現(xiàn)代先進設(shè)計方案如缸內(nèi)直噴式汽油機或可變氣門機構(gòu)等需要配備電動節(jié)氣門或電動調(diào)節(jié)閥，而二次空氣系統(tǒng)、廢氣再循環(huán)（EGR）和廢氣放氣閥都屬于這一類，由此可有效降低有害物排放和燃油耗。未來高增壓和壓縮比較高的汽油機設(shè)計方案能有效節(jié)省燃油，但是會相應(yīng)增大爆燃傾向，而外部冷卻的EGR能有效控制燃燒過程，從而進一步改善燃油耗。另外，在發(fā)動機的整個轉(zhuǎn)速和負荷范圍內(nèi)，全可變的機油泵和機油閥能獲得恒定不變的機油壓力和自動調(diào)節(jié)的機油流量，由此能減少功率消耗，并有效節(jié)省燃油。例如，按需關(guān)閉活塞機油冷卻噴嘴就能減少對機油的需求量，而且還能縮短發(fā)動機的暖機階段，起到節(jié)油和降低有害物排放并延長機油泵使用壽命的效果。機油泵集成限壓功能可節(jié)約用于分開式安全閥的寶貴空間。此外，汽油機的供氣過程總是伴隨著損失，因為在部分負荷范圍內(nèi)應(yīng)調(diào)小節(jié)氣門開度，而此時可變氣門機構(gòu)能通過按需調(diào)節(jié)氣門開啟持續(xù)時間并對進氣流量實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)，從而使減少該過程的損失。目前，現(xiàn)代配氣系統(tǒng)始終采用滾動接觸，在減少機械損失的同時實現(xiàn)了較高的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性。

此外，在過去數(shù)年間，萊茵金屬汽車集團（Rheinmetall Automotive Gruppe）與日本理研（Riken）公司的合作過程取得了顯著成效。為此，KS （Kolben Schmidt）公司也與理研公司開展了共同合作，在內(nèi)燃機的疲勞強度、熱負荷和機械負荷以及減少漏氣等領(lǐng)域取得了一定突破，而且還成功地降低了活塞系統(tǒng)的摩擦，從而改善了燃油耗。

2 活塞系統(tǒng)能為降低排放作出重要貢獻

在對Lite KS-4活塞進行設(shè)計時，除了實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化之外，對摩擦也進行了重點優(yōu)化，而且與同類產(chǎn)品相比，其在降低摩擦方面具有明顯的優(yōu)勢，并已通過相關(guān)測量過程所證實。與量產(chǎn)活塞系統(tǒng)相比，其在降低CO2排放方面具有一定優(yōu)勢，可將總排放量降低約1.4%。這種摩擦優(yōu)化過程不僅為OEM公司旗下車型降低CO2排放作出了貢獻，而且還可相應(yīng)降低燃油耗。Kolben Schmidt公司在將全球生產(chǎn)廠家成功地轉(zhuǎn)化成工業(yè)化方案后，已經(jīng)歷了15次量產(chǎn)開發(fā)，與此相關(guān)的活塞產(chǎn)量已達到6 420萬個，Lite KS-4活塞的批量生產(chǎn)將從2020年開始。

3 對全球汽車市場的挑戰(zhàn)

目前的轎車保有量數(shù)據(jù)已證實，大多數(shù)用戶依然更青睞傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車，其中超過60%的車型仍配備了汽油機。該事實同樣證明，目前汽車對活塞依然有著較大需求。在該方面，如須降低車輛的CO2排放限值，就要求發(fā)動機制造商進一步優(yōu)化動力總成系統(tǒng)，從而能滿足與此相關(guān)的法規(guī)規(guī)定。此外，還要考慮到地域和文化的特殊性，例如燃油品質(zhì)、開展稅收優(yōu)惠的小排量發(fā)動機以及升功率超過120 kW的高性能發(fā)動機。對于所有方面都需要提出相應(yīng)的解決方案，以便解決其面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。此外，輕微的漏氣現(xiàn)象、較低的噪聲水平和較小的摩擦損失都涵蓋在內(nèi)。

4 LiteKS-5活塞方案

日本和德國的研究人員已對新一代活塞進行了合作開發(fā)，由此可充分利用兩國的資源和技術(shù)能力。在共同尋找技術(shù)優(yōu)化方案期間，研究人員從不同的視角和行為方式對活塞進行設(shè)計，使得采取的技術(shù)方案可適用于多種汽油機。全新的設(shè)計方案以成功應(yīng)用于現(xiàn)代汽油機的Lite KS-4活塞方案為基礎(chǔ)，因其CO2排放限值得以進一步降低，研究人員在Lite KS-5活塞設(shè)計過程中將重點放在降低活塞裙部摩擦上，并通過優(yōu)化活塞裙部剛度就能實現(xiàn)該目標（圖1）。為此，通過不同的壁厚曲線可將活塞裙部分成2個功能區(qū)，一部分裙部被設(shè)計得較為堅固以承受側(cè)壓力，另一部分裙部則能產(chǎn)生輕微的彈性變形減少作用力的疊加。


圖1 Lite KS-5和Lite KS-4活塞在裙部范圍的差異

此外，在對滑動間隙進行設(shè)計時，研究人員考慮到了活塞的熱變形和機械變形，并重新確定了滑動間隙，以便使活塞裙部能更均勻地貼合在氣缸套工作表面上。通過上述措施，活塞裙部的滑動損失已降低了20%以上。為了進一步降低摩擦功率，研究人員在合作項目中，為活塞環(huán)選用了能有效降低摩擦的方案，并采用了如類金剛石石墨（DLC）等抗磨損涂層。除了降低CO2排放之外，研究人員還考慮到了如機油耗、漏氣和使用壽命等方面的性能影響。作為開發(fā)過程中的重要因素，該款活塞應(yīng)沿用源于上一代產(chǎn)品輕量化結(jié)構(gòu)。在新設(shè)計方案中，研究人員將框形壁厚改為2.7 mm。雖然壁厚有所減小，研究人員通過對結(jié)構(gòu)剛度的優(yōu)化，仍使其具有較高的可靠性（圖2），因此Lite KS-5設(shè)計方案能用于現(xiàn)代汽油機的整個功率譜?；钊h(huán)槽鑲?cè)屠鋮s通道及其組合可作為輔助技術(shù)并集成在系列設(shè)計方案中，以便能為不同的應(yīng)用情況提供有效和可靠的解決方案。


圖2 Lite KS-5活塞安全系數(shù)的模擬以證實其疲勞強度

5 摩擦特性的模擬

Lite KS-5設(shè)計方案的摩擦特性主要是在對全球統(tǒng)一的輕型車試驗程序（WLTP）行駛循環(huán)至關(guān)重要的部分負荷工況范圍內(nèi)進行模擬。這種全新的設(shè)計方案已應(yīng)用至3缸1.0 L汽油機，并且能證實Lite KS-4活塞相對于同類量產(chǎn)活塞在降低摩擦方面的優(yōu)勢，同時研究人員對改型方案進行了動態(tài)特性模擬，后續(xù)又介紹了其在浮動氣缸套中的效果。不僅如此，在應(yīng)用浮動氣缸套的情況下，研究人員針對裝配間隙為35 μm和60 μm的摩擦特性分別進行了試驗研究，并與上一代Lite KS-4方案進行了比較。對所模擬的負荷范圍進行仔細觀察，就能清楚地看到，在所有4個行程中活塞裙部的摩擦都有所降低。此外，模擬還表明最佳的活塞裙部設(shè)計使其在整個工作循環(huán)中所產(chǎn)生的側(cè)壓力都有所降低。圖3示出了在正壓力側(cè)方向和負壓力側(cè)方向上各自承受的側(cè)壓力。為了進一步降低活塞裙部的摩擦，須保持盡可能小的側(cè)壓力，這在Lite KS-5活塞設(shè)計方案中是通過對裙部的結(jié)構(gòu)調(diào)整而實現(xiàn)的。


圖3 Lite KS-5活塞設(shè)計方案在模擬側(cè)壓力方面的優(yōu)勢

在摩擦功率曲線中可以清楚地看到，不同的側(cè)壓力對摩擦特性會起到怎樣的效果（圖4）。經(jīng)摩擦優(yōu)化的活塞設(shè)計方案首先在工作行程（360～540°CA）中與基準設(shè)計方案Lite KS-4的區(qū)別較為明顯，因此根據(jù)運行工況點的不同，在裝配間隙較小時摩擦最多能降低24%，而在裝配間隙較大時摩擦也能降低18%。除了更明顯地降低摩擦的基本目標之外，Lite KS-5活塞的噪聲水平還應(yīng)與上一代設(shè)計方案相近，在同時進行的活塞噪聲模擬中，已證實其在對活塞噪聲具有重要意義的運行工況點上并無顯著的差異（圖5）。



圖4 LiteKS-5和Lite KS-4活塞設(shè)計方案模擬摩擦功率的比較


圖5 Lite KS-5和Lite KS-4活塞噪聲水平的比較

6 在浮動氣缸套發(fā)動機上的試驗

在采用浮動氣缸套的發(fā)動機上，研究人員對活塞35 μm和60 μm的裝配間隙進行了測試。為了能對2種活塞設(shè)計方案進行比對及評價，保持試驗過程中的邊界條件恒定不變有著重要意義，并由外部調(diào)節(jié)設(shè)備使冷卻液和發(fā)動機機油的溫度和壓力保持不變。

為了確?；诮y(tǒng)計學的可靠性要求，每次測量都由100個工作循環(huán)取平均值。為了確?？杀容^性，通過測量得到的摩擦參數(shù)計算平均摩擦壓力，并對2種活塞設(shè)計方案進行對比，對于2種裝配間隙方案而言，Lite KS-5活塞都展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。圖6清楚地表明，在所有測量的運行工況點上其摩擦都比Lite KS-4活塞更低，在裝配Lite KS-5活塞后的平均摩擦壓力可降低13%～21%。

7 在行駛循環(huán)中的模擬

圖6所示的平均摩擦壓力參數(shù)清楚地表明，活塞上所采取的措施在所有考察的運行工況點上都可有效降低摩擦，而最令發(fā)動機制造商關(guān)注的是由此降低的燃油耗和CO2排放。借助于行駛循環(huán)模擬考察C級轎車，已查明Lite KS-5活塞在WLPT行駛循環(huán)中的CO2排放比量產(chǎn)方案降低了1.0%（圖7），再通過對活塞環(huán)組的附加優(yōu)化，降低的CO2排放約可達到1.5%～1.9%。


圖6 Lite KS-5和Lite KS-4活塞平均摩擦壓力的比較


圖7 LiteKS-5和Lite KS-4活塞與量產(chǎn)活塞WLPT行駛循環(huán)CO2排放的比較

8 結(jié)論和展望

研究人員針對Lite KS活塞的設(shè)計方案經(jīng)歷了數(shù)次調(diào)整，第5代設(shè)計方案的重點是進一步降低摩擦（圖8）。改善活塞摩擦不僅要在模擬計算中開展，而且還要在實際運轉(zhuǎn)的發(fā)動機上通過浮動氣缸套而予以證實。



圖8 從開始生產(chǎn)（SOP）起各代Lite KS在重量和摩擦方面的優(yōu)勢

該優(yōu)化方案在WLTP試驗循環(huán)中減少的CO2排放可達1.0%，通過使用最新一代的活塞環(huán)還能獲得附加的節(jié)油效果。摩擦方面優(yōu)勢可通過采用不同的裝配間隙，并在所有的試驗運行工況點上得以顯示，同時其不會對噪聲特性產(chǎn)生不良的影響。采用全新的設(shè)計方案還能獲得較好的輕量化效果。在第5代Lite KS活塞設(shè)計方案成功開發(fā)后，其將于2023年開始批量生產(chǎn)。