图1 到2014年时,KS Kolbenschmidt公司和马勒公司的钢质活塞将用于轿车生产中了,那时马勒公司将可能每年为大众公司提供上百万个钢质活塞,KS Kolbenschmidt公司也将可能为宝马公司发动机提供性能强大的钢质活塞
在发动机中采用钢制活塞,并结合轻结构的设计,可以比铝合金材料的活塞重量更轻,性能更好。
在柴油发动机中,活塞在工作时通常需要承受高达20 MPa的爆发压力,这是铝合金材质的活塞所不能承受的。因此,现在载货汽车的高增压比的发动机中已经开始使用钢质活塞了,而且,一些装配柴油机的小型汽车也亦步亦趋。预计到2014年,KS Kolbenschmidt公司和马勒公司都将开始钢质活塞的大批量生产。
优化结构,扬长避短
钢材能够承受更高的工作压力和温度,也比铝合金有着更好的刚性,但在重量方面却没有优势。不过钢材的强度很高,因此活塞的压缩部位的高度,即从活塞销中心到活塞顶部的高度尺寸可以减小,活塞的壁厚也可以减薄。
降低整个活塞的高度尺寸是非常有益的。在传统的发动机中,使用钢质活塞时,设计师们可以使用加长连杆,这样,在发动机工作时连杆摆动的角度就减小了,从而也减少了侧向分力,减少了磨擦。而且,对于发动机生产厂家来说,可以设计全新的缸盖,更可靠、更轻,并且摩擦更小。
图2 新型钢质活塞的整体长度尺寸可以更短一些
钢质活塞的另一大优点是其热膨胀系数小。大多数柴油发动机的机体使用的都是铸铁材料,铝合金活塞的“膨胀量”会大于它周围的缸套,从而带来很大的摩擦力。而在铸铁机体和钢质活塞之间则不存在这样的问题。
新的挑战
但钢质活塞到底能不能在铝合金机体的发动机中使用呢?Kolbenschmidt公司称这将会产生较大的噪声。另一个问题是,钢材的导热性能不如铝合金材料好,因此,设计师在钢质活塞设计时应特别注意钢质活塞的散热问题,还需要特别注意对燃烧温度进行监控。
结语
活塞材料的转变会给油耗带来怎样的影响呢?在这一问题上,不同生产厂家给出的答案似乎完全不同。KS Kolbenschmidt公司认为,由于摩擦力的减少从而可以节约3%的燃料,而马勒公司称其Topweld活塞可以节油5%。
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