轻型活塞EVOTEC 可使重量减轻达20%

轻型活塞——EVOTEC用于汽油发动机目前，汽油机开发的重点在于降低油耗和排放，要实现这两项指标，发动机基本零部件的承载能力就必须提高，尤其是对于结合了直喷和涡轮增压技术的发动机来说更是如此。现在加在汽油机活塞上的最大负荷几年以前只能在柴油机上实现，然而，柴油机活塞却是同等缸径汽油机活塞重量的两倍。对于汽油发动机来说，高转速低惯性力依然是开发的重要目标，这也是发动机系统轻型化设计的整体要求。因此，日益增加的负荷不能仅仅靠增加壁厚来简单解决，那样零部件势必会变得更重。图1揭示了机械负荷与热负荷的增长趋势。活塞承受的机械负荷由最高爆发压力来体现，而升功率被用来表示活塞承受的热负荷。基于目前开发的现状，迫切需要一种具有高结构刚度的新型结构活塞，尤其在大缸径应用中。

图1  汽油发动机负荷的增加

现代汽油机活塞的要求

现代汽油机活塞组件除了满足质量要轻外，还需满足以下要求：

■ 良好的窜气、机油耗性能；

■ 低摩擦功耗；

■ 高运转平稳性；

■ 恶劣工况下（冷启动、抗拉缸性）可靠的操控性；

■ 延长机油更换期时，零部件仍能保持长期寿命；

■ 低成本。

活塞的特性可通过以下要求来确保：

■ 体积稳定性源于高结构刚度；

■ 活塞裙部最佳承载性能与压力均布与否息息相关；

■ 良好的导向性能；

■ 良好的弹性性能可以弥补活塞与气缸间热膨胀的差异；

■ 抗磨损性；

■ 可靠稳定的加工工艺。

最优化地整合这些既分散又对立的需求是活塞开发中最大的挑战。

新一代轻型活塞

马勒新一代EVOTEC活塞成功解决了活塞在高爆压下的承受能力，与此同时还降低了活塞重量。此活塞开发的基础则是为人们所熟悉的ECOFORM活塞，该活塞已在马勒成功量产多年。相对于在环带区域后、销座区域以上没有进行减重处理（掏空）的标准活塞来说，EVOTEC活塞的重量要轻接近20%。

图2  优化过的EVOTEC活塞结构

EVOTEC新型活塞设计理念的一个主要特征是活塞面窗壁的非对称设计（见图2），这里充分考虑到了活塞在主推力面和副推力面承受着不同的载荷。在活塞主推力面，通过把两面窗壁变得更加接近来吸收更多的侧向力载荷，并且通过实现在销承载区以及活塞裙部与气缸之间更直接的力传递，弯曲应力得以减少，因此，就不需要在面窗壁上再设置加强筋，这也简化了铸造工艺。此外，在高承载区，应力分布也变得更加均匀。与以往大不相同的是，由于活塞副推力面承受的载荷不大，故在设计时将其裙部区域加大、面窗壁减薄来确保活塞必要的弹性和良好的导向性能；而EVOTEC活塞较窄的裙部平面没有放在副推力面而是在主推力面，这是因为避免拉缸与抗磨损性能的好坏不在于活塞裙部支撑面的宽度，而在于应力沿裙部分布的均匀性与否，这可以通过调整活塞形线来实现。除此之外，面窗壁也倾斜着朝活塞头部靠拢，从而两面窗壁间距在头部区域变得很小，这无疑从结构上提高了活塞的刚性，并且也允许在环带区域后更深的铸造空间，同时也可减少活塞顶部厚度。位于掏空区域连接外销座与环带区域的加强筋又额外增强了活塞的刚性。

结语

在这一基础研究项目的进程中，借助于参数分析的帮助，新活塞结构不同几何特征的影响在三维有限元中得以系统探究，当然也包括零部件质量优化这一目标。这些大量的开发成果被证明是正确的，从而允许马勒专家用这种新设计以最大效率来满足发动机日益提高的参数要求。正如质量优化被实现一样，边界条件的准确识别具有很大的相关性。了解载荷形线以及相关系统几何形状的理论信息减少了更多要求的开发环节。发动机开发商们之间的密切合作也是一个关键。

目前，EVOTEC活塞已被用在一些发动机的开发过程中。它应用广泛，同时负荷范围也很宽。这里的也包括许多带有铸入式镍基镶圈活塞。