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發動機活塞的主要作用及結構名稱 |
摘要：活塞是柴油機上最關鍵的零部件之一，它在高溫高壓下承受反復交變載荷，被稱為柴油機的心臟。它的工作情況直接關系到高速柴油機提高燃油效率和使用耐久性的關鍵，同時直接影響到柴油機的排放性能。活塞的結構和所處的工作環境十分復雜，在工作狀態下受到高壓燃氣壓力、高速往復運動產生的慣性力、側向壓力和摩擦力等周期性載荷作用，產生機械應力和機械變形。高壓氣體燃燒產生的高溫使活塞頂部乃至整個活塞溫度高，且溫度分布不均勻導致活塞產生熱應力和熱變形。熱負荷和機械負荷耦合將導致活塞產生裂紋、活塞環膠結以及拉缸等。因此，活塞設計在柴油機的設計中十分關鍵。
一、活塞材質及特點
活塞的功用是承受燃氣的壓力，并經過連桿將力傳給曲軸。活塞的工作條件十分惡劣，它是在高溫、高壓的燃氣作用下，不斷地做高速往復直線運動。由于受到周期性變化的燃氣壓力和往復慣性力的作用，活塞承受很大的機械負荷和熱負荷，加之溫度分布不均勻，就會引起熱應力。因此，要求活塞必須有較輕的重量以及足夠的強度與剛度。活塞在高溫、高壓、高速條件下工作，其潤滑條件較差，活塞與氣缸壁摩擦嚴重。為減小磨損，活塞表面必須耐磨。
1、活塞的制作材料
活塞是柴油機中一個重要的運動部件，材質應具備抗高溫、高壓、高強度、低熱膨脹系數等特點。常用的活塞材質如圖1所示。
（1）鋁合金
鋁合金是目前最常用的活塞材質之一，因其具有重量輕、強度高、熱傳導性能好以及加工性能好等優點，因此廣泛應用于各種柴油機中，特別是汽車發動機中。常用的鋁合金牌號有Y112、GY6、ZL109等。
（2）鋼鐵
鋼鐵活塞具有高強度、高溫抗性能好等優點，適用于柴油機等高負荷發動機。常用的鋼鐵牌號有42CrMo和38CrMoAl等。
（3） 鑄鐵
鑄鐵活塞性價比較高，但是對于高性能發動機來說，其強度和使用壽命都存在一定的問題，因此一般不適用于高質量的柴油機。
2、活塞材料的特點
（1） 鋁合金：
鋁合金除了具備輕量、高強度、好的加工性能等優點外，其熱傳導性能也很好，不易受到熱應力破裂的影響。但是，鋁合金活塞的熱膨脹系數大，容易引起活塞與氣缸套之間的間隙變化。
（2）鋼鐵：
鋼鐵活塞強度高，耐用性好，適應性強，特別是在柴油機等高負荷發動機中表現尤為突出。
（3）鑄鐵：
鑄鐵活塞的生產制造成本低，但是硬度和強度比較低，而且容易變形，因此一般不適用于高質量的柴油機中。
總之，活塞的材料應根據不同的使用需求進行選擇，在選擇時要綜合考慮各種因素，如質量、成本、使用環境等。此外，可采用活塞的金相強化制造方法，采用TIG焊接、等離子焊接、激光焊接的方式，對活塞所有的薄弱部位進行局部金相強化，提高該部位的性能，使得強化部位達到或超過增加陶瓷復合材料、銅套、鑄鐵耐磨環的作用，減少燃燒室喉口開裂失效、銷孔開裂失效、環槽脫落失效等局部失效現象的發生。活塞金相強化工藝示意圖如圖2所示。
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圖1 柴油機活塞材料結構示意圖 |
圖2 活塞材料金相組織強化工藝示意圖 |
二、活塞結構
高速柴油機的活塞通常采用鑄鋁合金。隨著柴油發動機的不斷強化，采用鍛鋁合金或共晶鋁硅合金的活塞日益增多，而高增壓柴油機較多采用鑄鐵活塞，其目的在于提高柴油機的強度，減小熱脹系數。活塞的基本構造如圖3所示，它可分為頂部、環槽部（防漏部或頭部）、活塞銷座和裙部四部分。
1、頂部
頂部是構成燃燒室的一部分，其結構形狀與發動機及燃燒室的形式有關。如圖3所示為活塞頂部的幾種不同結構形狀。小型柴油機大多采用平頂活塞［圖4（a）］，優點是制造簡單，受熱面積小。大多數柴油機的活塞頂部由于要形成特殊形狀的燃燒室，其形狀比較復雜，一般都制有各種各樣的凹坑［圖4（c）（d）］。凹坑是為了改善發動機的燃燒狀況而設置的，使可燃混合氣的形成更有利，燃燒過程更完善。有的柴油機為避免氣門與活塞頂相碰撞，在頂部還制有淺的氣門避碰凹坑［圖4（d）]。
柴油機活塞所受的熱負荷大（尤其是直接噴射式柴油機），往往會使活塞引起熱疲勞，產生裂紋。因此，有的柴油機可從連桿小頭上的噴油孔噴射機油，以冷卻活塞頂內壁。也有的柴油機在機體里設有專門的噴油機構，也可起到同樣的作用。活塞頂部因承受燃氣壓力，所以一般比較厚；有的活塞頂內部還制有加強筋。
2、環槽部
環槽部主要用于安裝活塞環以防止燃油或燃氣漏入曲軸箱，并將活塞吸收的熱量經活塞環傳給氣缸壁，與此同時阻止潤滑油竄入燃燒室。活塞頭部加工有數道安裝活塞環的環槽，上面2～3道用于安裝氣環，下面1～2道是油環槽。油環槽的底部鉆有許多徑向小孔，以便油環從氣缸壁上刮下多余的潤滑油從小孔流回曲軸箱。
有的柴油機在活塞頂到第一環槽之間，或者一直到以下幾道環槽處，都開有細小的隔熱溝槽，如圖5所示。溝槽在活塞工作時，可形成一定的退讓性，可以防止活塞與氣缸壁的咬合，故這種活塞可適當減小活塞與氣缸間的間隙。隨著柴油機的不斷強化，為了提高第一、二道環槽的耐磨性，有的柴油機在環槽部位上鑲鑄耐熱和耐磨的奧氏體鑄鐵護槽圈。
3、活塞銷座
銷座用以安裝活塞銷，主要起傳遞氣壓力的作用，所在位置如圖6所示。活塞銷座與頂部之間往往還有加強筋，以增加剛度。銷座孔內設有安裝彈性卡環的環槽，活塞銷卡環是用來防止活塞銷在工作中發生軸向竄動，竄出活塞銷座孔而打壞氣缸體。
4、裙部
活塞頭部最低一道油環槽以下的部分稱為裙部。其作用主要是對活塞在氣缸內的運動加以導向，此外它還承受側壓力。柴油機由于燃氣壓力高，側壓力大，所以裙部也比較長，以減小單位面積上的壓力和磨損。
由于柴油機氣缸壓力很大，要求裙部具有足夠大的承壓面積，又要在任何情況下保持它與氣缸壁有最佳的配合間隙（既不因間隙過大而使密封性變差和產生敲缸現象，又不因間隙過小而刮傷氣缸壁，甚至發生咬缸現象）。故其活塞裙部通常不開切槽，只是將活塞軸向制成上小下大的圓錐形，并將裙部徑向做成橢圓形。因此，柴油機活塞與氣缸壁的裝配間隙要比汽油機的大。為了保證柴油機壓縮終了有足夠的壓力和溫度，則要求其有更好的密封性，因此，柴油機應具有更多的密封環和刮油環。
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圖3 柴油發電機活塞的基本構造 |
圖4 柴油發電機活塞頂部形式 |
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圖5 柴油發電機帶護槽圈和隔熱槽的活塞 |
圖6 活塞銷座結構圖 |
三、活塞的工作條件和設計
1、活塞的工作條件
活塞分為頭部、裙部和活塞銷座三個部分，活塞是曲柄連桿機構的重要零件主要功用是承受燃燒氣體壓力和慣性力，并將燃燒氣體壓力通過活塞銷傳給連桿，推動曲軸旋轉并輸出動力。此外，活塞又是燃燒室的一個運動零件。
活塞是柴油機中工作條件最嚴酷的零件之一。作用于活塞上的氣體壓力和慣性力都是周期變化的，燃燒瞬時作用于活塞上的氣體壓力很高，如增壓柴油機的最高燃燒壓力可達14—16MPa。而且，在氣體壓力、往復慣性力和側壓力的共同作用下，可能引起活塞變形，活塞銷座開裂，活塞側部磨損等。由此可見，活塞應有足夠的強度和剛度，而且質量要輕。
活塞頂部直接與高溫燃氣接觸，活塞頂部的溫度很高，各部的溫差很大，柴油機活塞頂部常布置有凹坑狀燃燒室，使頂部實際受熱面積加大，熱負荷更加嚴重。高溫必然會引起活塞材料的強度下降，活塞的熱膨脹量增加，破壞活塞與氣缸壁的正常間隙。而且，柴油機活塞的銷與銷孔之間的潤滑油膜厚度為0.5～15um，過高的溫度會使潤滑油結焦，由于冷熱不均勻所產生的熱應力容易使活塞頂部出現疲勞熱裂現象。所以要求活塞應有足夠的耐熱性和良好的導熱性，小的線膨脹系數。同時在結構上采取適當的措施，防止過大的熱變形。
活塞運動速度和工作溫度高，潤滑條件差，因此摩擦損失大，磨損嚴重。要求應具良好的減摩性或采取特殊的表面處理。
正確分析活塞的工作條件及變形可以為合理設計與加工活塞外輪廓提供依據，改善在受載工況下活塞與汽缸壁之間的配合狀況，提供活塞組件的綜合工作性能。各種CAE技術的發展應用為這一研究工作的展開提供了極大的便利。
2、活塞工藝設計意義
活塞是發動機的重要部件之一，它與活塞環、氣缸套、氣缸蓋構成了工作容積和燃燒室。它承受燃氣作用力并把它傳遞給連桿，也通過活塞頂部接受的熱量通過氣缸壁傳入冷卻介質中。它還可以密封氣缸以防燃氣泄漏及潤滑油竄入燃燒室。活塞也是發動機中工作條件最惡劣的關鍵零部件之一，它是在高溫、高壓、高速、潤滑不良的條件下作長時間連續變負荷的往復運動的。一般柴油機中，燃燒室的瞬時溫度可達2000℃左右。活塞還受100公斤/厘米2 左右的燃氣壓力，或八百倍于重力的慣性力作用。活塞環槽特別是第一環槽，對活塞的壽命影響很大。因為機械磨損是活塞在正常工作中主要損壞形式。銷孔是交變應力高度集中的部位之一，易產生開裂和磨損，影響工作性能和使用壽命，必須提高銷孔尺寸精度。而活塞的外形也會在復雜的機械負荷和熱負荷的作用下變形膨脹。
此外，由于活塞在工作過程中受到高溫高壓的作用，所以必須產生熱形和受力變形。活塞的頂面受到汽缸內氣體壓力的作用，產生彈性變形。由于活塞裙部在圓周方向剛性不同，在活塞銷軸線方向的彈性變形量比垂直于該方向的彈性變形量大，使活塞裙部在受力后變成橢圓。另一方面，活塞頂面與高溫氣體接觸，致使銷座部位的裙部向外擴張。熱量通過活塞頂部傳到活塞裙部，溫度升高產生熱變形。再是活塞裙部圓周上壁厚不均勻，銷孔軸線方向厚，熱膨脹量大，垂直銷孔方向熱膨脹量小，從而使活塞裙部由于熱變形變成橢圓。
所以無論是受力變形還是熱變形，都使原來的圓柱形的裙部變成橢圓形，橢圓的長軸在活塞銷孔的軸線方向。這樣必然使活塞與汽缸壁間的間隙不均勻甚至消失，以至于發生劇烈磨損甚至咬死。為了補償上述變形，把活塞裙部設計制造成橢圓形，橢圓的長軸在垂直于活塞銷孔軸心線的方向上，橢圓度的大小隨活塞的型號而不同。
活塞工作時，頂面與高溫氣體直接接觸，熱量由頭部傳到裙部，頭部溫度高，熱膨脹量大，裙部溫度低，熱膨脹量小。為了補償這種部均勻的熱變形，把活塞頭部的外徑設計得比裙部外徑小，同時活塞裙部也設計成中間大，上下兩端小的腰鼓形，以保證其具有良好的導向性。
由上可知，由于活塞長期在高溫高壓的環境下工作，承受高溫及機械交變負荷，在發動機各零部件中，活塞的損傷率遠遠大于其它部件。活塞出現的故障約占整個柴油機故障半數以上，僅從其直接經濟效益來講，活塞的價格在整臺發動機中所占比例僅為1.5%左右，如果活塞出現相應損壞，嚴重時將導致整臺發動機報廢，僅從發動機方面直接損失數萬元。因此，活塞在發動機中的重要性和工作環境的惡劣性決定了活塞制造工藝的重要性。
總結：
現代柴油機廣泛使用鋁合金活塞。鋁合金導熱性好（比鑄鐵大3-4倍），密度小（約為鑄鐵的1/3）。因此鋁活塞慣性力小，工作溫度低，溫度分布均勻，對改善工作條件減少熱應力延緩機油變質有利。目前鋁活塞廣泛采用含硅12%左右的共晶鋁硅合金制造，外加銅和鎳，以提高熱穩定性和高溫機械性能。鋁活塞毛胚可采用金屬模鑄造，鍛造和液壓模鍛等方法生產。為了提高鋁活塞的強度和硬度，并穩定形狀尺寸，必須對活塞進行淬火和時效熱處理。
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