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发动机活塞的主要作用及结构名称 |
摘要：活塞是柴油机上最关键的零部件之一，它在高温高压下承受反复交变载荷，被称为柴油机的心脏。它的工作情况直接关系到高速柴油机提高燃油效率和使用耐久性的关键，同时直接影响到柴油机的排放性能。活塞的结构和所处的工作环境十分复杂，在工作状态下受到高压燃气压力、高速往复运动产生的惯性力、侧向压力和摩擦力等周期性载荷作用，产生机械应力和机械变形。高压气体燃烧产生的高温使活塞顶部乃至整个活塞温度高，且温度分布不均匀导致活塞产生热应力和热变形。热负荷和机械负荷耦合将导致活塞产生裂纹、活塞环胶结以及拉缸等。因此，活塞设计在柴油机的设计中十分关键。
一、活塞材质及特点
活塞的功用是承受燃气的压力，并经过连杆将力传给曲轴。活塞的工作条件十分恶劣，它是在高温、高压的燃气作用下，不断地做高速往复直线运动。由于受到周期性变化的燃气压力和往复惯性力的作用，活塞承受很大的机械负荷和热负荷，加之温度分布不均匀，就会引起热应力。因此，要求活塞必须有较轻的重量以及足够的强度与刚度。活塞在高温、高压、高速条件下工作，其润滑条件较差，活塞与气缸壁摩擦严重。为减小磨损，活塞表面必须耐磨。
1、活塞的制作材料
活塞是柴油机中一个重要的运动部件，材质应具备抗高温、高压、高强度、低热膨胀系数等特点。常用的活塞材质如图1所示。
（1）铝合金
铝合金是目前最常用的活塞材质之一，因其具有重量轻、强度高、热传导性能好以及加工性能好等优点，因此广泛应用于各种柴油机中，特别是汽车发动机中。常用的铝合金牌号有Y112、GY6、ZL109等。
（2）钢铁
钢铁活塞具有高强度、高温抗性能好等优点，适用于柴油机等高负荷发动机。常用的钢铁牌号有42CrMo和38CrMoAl等。
（3） 铸铁
铸铁活塞性价比较高，但是对于高性能发动机来说，其强度和使用寿命都存在一定的问题，因此一般不适用于高质量的柴油机。
2、活塞材料的特点
（1） 铝合金：
铝合金除了具备轻量、高强度、好的加工性能等优点外，其热传导性能也很好，不易受到热应力破裂的影响。但是，铝合金活塞的热膨胀系数大，容易引起活塞与气缸套之间的间隙变化。
（2）钢铁：
钢铁活塞强度高，耐用性好，适应性强，特别是在柴油机等高负荷发动机中表现尤为突出。
（3）铸铁：
铸铁活塞的生产制造成本低，但是硬度和强度比较低，而且容易变形，因此一般不适用于高质量的柴油机中。
总之，活塞的材料应根据不同的使用需求进行选择，在选择时要综合考虑各种因素，如质量、成本、使用环境等。此外，可采用活塞的金相强化制造方法，采用TIG焊接、等离子焊接、激光焊接的方式，对活塞所有的薄弱部位进行局部金相强化，提高该部位的性能，使得强化部位达到或超过增加陶瓷复合材料、铜套、铸铁耐磨环的作用，减少燃烧室喉口开裂失效、销孔开裂失效、环槽脱落失效等局部失效现象的发生。活塞金相强化工艺示意图如图2所示。
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图1 柴油机活塞材料结构示意图 |
图2 活塞材料金相组织强化工艺示意图 |
二、活塞结构
高速柴油机的活塞通常采用铸铝合金。随着柴油发动机的不断强化，采用锻铝合金或共晶铝硅合金的活塞日益增多，而高增压柴油机较多采用铸铁活塞，其目的在于提高柴油机的强度，减小热胀系数。活塞的基本构造如图3所示，它可分为顶部、环槽部（防漏部或头部）、活塞销座和裙部四部分。
1、顶部
顶部是构成燃烧室的一部分，其结构形状与发动机及燃烧室的形式有关。如图3所示为活塞顶部的几种不同结构形状。小型柴油机大多采用平顶活塞［图4（a）］，优点是制造简单，受热面积小。大多数柴油机的活塞顶部由于要形成特殊形状的燃烧室，其形状比较复杂，一般都制有各种各样的凹坑［图4（c）（d）］。凹坑是为了改善发动机的燃烧状况而设置的，使可燃混合气的形成更有利，燃烧过程更完善。有的柴油机为避免气门与活塞顶相碰撞，在顶部还制有浅的气门避碰凹坑［图4（d）]。
柴油机活塞所受的热负荷大（尤其是直接喷射式柴油机），往往会使活塞引起热疲劳，产生裂纹。因此，有的柴油机可从连杆小头上的喷油孔喷射机油，以冷却活塞顶内壁。也有的柴油机在机体里设有专门的喷油机构，也可起到同样的作用。活塞顶部因承受燃气压力，所以一般比较厚；有的活塞顶内部还制有加强筋。
2、环槽部
环槽部主要用于安装活塞环以防止燃油或燃气漏入曲轴箱，并将活塞吸收的热量经活塞环传给气缸壁，与此同时阻止润滑油窜入燃烧室。活塞头部加工有数道安装活塞环的环槽，上面2～3道用于安装气环，下面1～2道是油环槽。油环槽的底部钻有许多径向小孔，以便油环从气缸壁上刮下多余的润滑油从小孔流回曲轴箱。
有的柴油机在活塞顶到第一环槽之间，或者一直到以下几道环槽处，都开有细小的隔热沟槽，如图5所示。沟槽在活塞工作时，可形成一定的退让性，可以防止活塞与气缸壁的咬合，故这种活塞可适当减小活塞与气缸间的间隙。随着柴油机的不断强化，为了提高第一、二道环槽的耐磨性，有的柴油机在环槽部位上镶铸耐热和耐磨的奥氏体铸铁护槽圈。
3、活塞销座
销座用以安装活塞销，主要起传递气压力的作用，所在位置如图6所示。活塞销座与顶部之间往往还有加强筋，以增加刚度。销座孔内设有安装弹性卡环的环槽，活塞销卡环是用来防止活塞销在工作中发生轴向窜动，窜出活塞销座孔而打坏气缸体。
4、裙部
活塞头部最低一道油环槽以下的部分称为裙部。其作用主要是对活塞在气缸内的运动加以导向，此外它还承受侧压力。柴油机由于燃气压力高，侧压力大，所以裙部也比较长，以减小单位面积上的压力和磨损。
由于柴油机气缸压力很大，要求裙部具有足够大的承压面积，又要在任何情况下保持它与气缸壁有最佳的配合间隙（既不因间隙过大而使密封性变差和产生敲缸现象，又不因间隙过小而刮伤气缸壁，甚至发生咬缸现象）。故其活塞裙部通常不开切槽，只是将活塞轴向制成上小下大的圆锥形，并将裙部径向做成椭圆形。因此，柴油机活塞与气缸壁的装配间隙要比汽油机的大。为了保证柴油机压缩终了有足够的压力和温度，则要求其有更好的密封性，因此，柴油机应具有更多的密封环和刮油环。
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图3 柴油发电机活塞的基本构造 |
图4 柴油发电机活塞顶部形式 |
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图5 柴油发电机带护槽圈和隔热槽的活塞 |
图6 活塞销座结构图 |
三、活塞的工作条件和设计
1、活塞的工作条件
活塞分为头部、裙部和活塞销座三个部分，活塞是曲柄连杆机构的重要零件主要功用是承受燃烧气体压力和惯性力，并将燃烧气体压力通过活塞销传给连杆，推动曲轴旋转并输出动力。此外，活塞又是燃烧室的一个运动零件。
活塞是柴油机中工作条件最严酷的零件之一。作用于活塞上的气体压力和惯性力都是周期变化的，燃烧瞬时作用于活塞上的气体压力很高，如增压柴油机的最高燃烧压力可达14—16MPa。而且，在气体压力、往复惯性力和侧压力的共同作用下，可能引起活塞变形，活塞销座开裂，活塞侧部磨损等。由此可见，活塞应有足够的强度和刚度，而且质量要轻。
活塞顶部直接与高温燃气接触，活塞顶部的温度很高，各部的温差很大，柴油机活塞顶部常布置有凹坑状燃烧室，使顶部实际受热面积加大，热负荷更加严重。高温必然会引起活塞材料的强度下降，活塞的热膨胀量增加，破坏活塞与气缸壁的正常间隙。而且，柴油机活塞的销与销孔之间的润滑油膜厚度为0.5～15um，过高的温度会使润滑油结焦，由于冷热不均匀所产生的热应力容易使活塞顶部出现疲劳热裂现象。所以要求活塞应有足够的耐热性和良好的导热性，小的线膨胀系数。同时在结构上采取适当的措施，防止过大的热变形。
活塞运动速度和工作温度高，润滑条件差，因此摩擦损失大，磨损严重。要求应具良好的减摩性或采取特殊的表面处理。
正确分析活塞的工作条件及变形可以为合理设计与加工活塞外轮廓提供依据，改善在受载工况下活塞与汽缸壁之间的配合状况，提供活塞组件的综合工作性能。各种CAE技术的发展应用为这一研究工作的展开提供了极大的便利。
2、活塞工艺设计意义
活塞是发动机的重要部件之一，它与活塞环、气缸套、气缸盖构成了工作容积和燃烧室。它承受燃气作用力并把它传递给连杆，也通过活塞顶部接受的热量通过气缸壁传入冷却介质中。它还可以密封气缸以防燃气泄漏及润滑油窜入燃烧室。活塞也是发动机中工作条件最恶劣的关键零部件之一，它是在高温、高压、高速、润滑不良的条件下作长时间连续变负荷的往复运动的。一般柴油机中，燃烧室的瞬时温度可达2000℃左右。活塞还受100公斤/厘米2 左右的燃气压力，或八百倍于重力的惯性力作用。活塞环槽特别是第一环槽，对活塞的寿命影响很大。因为机械磨损是活塞在正常工作中主要损坏形式。销孔是交变应力高度集中的部位之一，易产生开裂和磨损，影响工作性能和使用寿命，必须提高销孔尺寸精度。而活塞的外形也会在复杂的机械负荷和热负荷的作用下变形膨胀。
此外，由于活塞在工作过程中受到高温高压的作用，所以必须产生热形和受力变形。活塞的顶面受到汽缸内气体压力的作用，产生弹性变形。由于活塞裙部在圆周方向刚性不同，在活塞销轴线方向的弹性变形量比垂直于该方向的弹性变形量大，使活塞裙部在受力后变成椭圆。另一方面，活塞顶面与高温气体接触，致使销座部位的裙部向外扩张。热量通过活塞顶部传到活塞裙部，温度升高产生热变形。再是活塞裙部圆周上壁厚不均匀，销孔轴线方向厚，热膨胀量大，垂直销孔方向热膨胀量小，从而使活塞裙部由于热变形变成椭圆。
所以无论是受力变形还是热变形，都使原来的圆柱形的裙部变成椭圆形，椭圆的长轴在活塞销孔的轴线方向。这样必然使活塞与汽缸壁间的间隙不均匀甚至消失，以至于发生剧烈磨损甚至咬死。为了补偿上述变形，把活塞裙部设计制造成椭圆形，椭圆的长轴在垂直于活塞销孔轴心线的方向上，椭圆度的大小随活塞的型号而不同。
活塞工作时，顶面与高温气体直接接触，热量由头部传到裙部，头部温度高，热膨胀量大，裙部温度低，热膨胀量小。为了补偿这种部均匀的热变形，把活塞头部的外径设计得比裙部外径小，同时活塞裙部也设计成中间大，上下两端小的腰鼓形，以保证其具有良好的导向性。
由上可知，由于活塞长期在高温高压的环境下工作，承受高温及机械交变负荷，在发动机各零部件中，活塞的损伤率远远大于其它部件。活塞出现的故障约占整个柴油机故障半数以上，仅从其直接经济效益来讲，活塞的价格在整台发动机中所占比例仅为1.5%左右，如果活塞出现相应损坏，严重时将导致整台发动机报废，仅从发动机方面直接损失数万元。因此，活塞在发动机中的重要性和工作环境的恶劣性决定了活塞制造工艺的重要性。
总结：
现代柴油机广泛使用铝合金活塞。铝合金导热性好（比铸铁大3-4倍），密度小（约为铸铁的1/3）。因此铝活塞惯性力小，工作温度低，温度分布均匀，对改善工作条件减少热应力延缓机油变质有利。目前铝活塞广泛采用含硅12%左右的共晶铝硅合金制造，外加铜和镍，以提高热稳定性和高温机械性能。铝活塞毛胚可采用金属模铸造，锻造和液压模锻等方法生产。为了提高铝活塞的强度和硬度，并稳定形状尺寸，必须对活塞进行淬火和时效热处理。
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