高性能燃烧室合金对燃油效率的影响-绵羊汽车生活记录

内燃机已有120众年的兴盛史书，是1项异常成熟的技巧成绩。通过安排、工艺和资料功能的厘正，内燃机的功率密度和制动热效力明显普及。跟着计较机仿真才智的远大进

内燃机已有120众年的兴盛史书，是1项异常成熟的技巧成绩。通过安排、工艺和资料功能的厘正，内燃机的功率密度和制动热效力明显普及。跟着计较机仿真才智的远大提高，针对这2个范畴的探究和开荒得以大幅擢升。目前，资料技巧已成为内燃机效力进一步普及的症结。总结了为活塞、活塞环、连杆和衬套行使开荒的一系列代替资料的安排上风。采用福特Ecoboost 2.3 L RS带头机行动基准带头机，使用这些资料的厘正性格，对往还运动件实行了从新安排。活塞、活塞销、活塞环、连杆和衬套正在往还质地、呆滞效力和狭缝容积方面都有了革新。基于一系列稳态基准点，安排了1个测功机试验测试次序，对通过一系列厘正后的带头机运转的净效力实行评估。通过将基准带头机和改装后的带头机实行比力，用于实行他日的带头机测试。

一目了然，行动动力装备他日开荒的一一面，内燃机燃油效力务必大大普及，以下降总CO2当量(CO2e)的排放，增加并加强电气化带来的收益。正在欧盟内部，2019/631准则划定了新型乘用车和轻型商用车的CO2排放功能圭表。该准则设定了到2025年减排15%和到2030年减排37.5%的排放主意(基于2021年起始)。对付CO2排放量正在0~50 g/km 之间的零排放和低排放车辆(ZLEV)也有饱舞步骤。假若整车创制商(OEM)要正在车队均匀排放根底上杀青这些主意，则必要对总共动力装备选项实行宏大变更，席卷进一步普及内燃机效力。

内燃机的资料构制对汽车工程师和安排师具有诸众有利要素，可能助助其应对眼前和他日的挑衅，以普及功能和燃油效力，并淘汰排放。为了普及带头机的比制动功能和效力，进而明显淘汰排放，新型资料的呆滞和物理功能取得革新，为表现明显的安排上风供应症结感化。

为了普及燃烧效力，他日内燃机将开荒的重心放正在热束缚及缩小尺寸(或“减小排量”)上。鉴于可用于带头机零部件安排、仿真和创制技巧的高度兴盛，资料性格现已成为普及带头机功能和效力的重要束缚要素。分外是正在燃烧室内及燃烧室边际，守旧上用于批量分娩带头机的资料缺乏正在餍足排放圭表日益拉长的内燃机高温和高压事业条目下牢靠运转所需的功能目标。眼前，批量分娩的带头机采用席卷铸铁、钢、铝合金和铜合金正在内的守旧资料。本文探求了正在带头机活塞、活塞环和连杆这3个重要往还运动件中操纵优秀资料构制的上风。这些零部件平时由铝或钢制成。本文概述了这3个零部件的代替资料选项，并呈现了奈何通过安排更轻且呆滞性格更好的零件来实行内燃机厘正。

考虑职员采用福特Ecoboost 2.3 L RS带头机行动基准带头机，遵循新资料的性格目标，对活塞、活塞环和连杆实行了从新安排。本文不光身认识气门座、气门导管或气缸套资料，但会对这些资料实行评估。

本文还将先容正在福特2.3 L 基准带头机(Ford Ecoboost 2.3 L RS)和采用全新零部件实行安排的统一带头机(MTRN带头机)上所实行的带头机台架试验和功能测试。

表1总结先容了从新安排这些零部件所采用的资料。本文将从种种零部件安排的角度启航概述采用这些资料性格取得的效益。

2124A/SiC/25p属于颗粒加强铝金属基复合资料(MMC)，个中增加了体积分数为25%的碳化硅陶瓷。

MMC已被用于很众高功能资料行使中，而且为下降创制本钱而实行的事业已使该资料可用于公途汽车范畴。这种资料的呆滞和物理功能对付厘正带头机安排，进而革新燃烧效力、质地和摩擦力等具有远大潜力。表2列出了2124/SiC/25p资料的表率功能。

如图1所示，MMC正在高温下具有特殊的抗疲钝强度，与圭表2618铝合金比拟，正在温度150~400 ℃周围内的抗疲钝强度普及约1倍。MMC较高的抗疲钝性格可能使原部件减小截面厚度，以抵达减轻活塞质地的主意。

图1 活塞和连杆金属基复合资料2124/SiC/25p正在107次轮回下转动弯曲疲钝强度随温度的变革

与铝合金或过共晶Al-Si合金比拟，MMC通过增加硬质SiC陶瓷颗粒可明显普及其高温耐磨性。团结疲钝性格的革新，可使活塞环槽进一步接近活塞顶，缩减狭缝容积，进而淘汰未燃烧燃油量。MMC的热膨胀系数为16×10-6/℃，低于圭表铝合金，且略低于某些过共晶Al-Si合金，比圭表Al-Si合金(比方2618)低得众。下降热膨胀系数可使活塞正在起动时与缸套更周密地配合，从而最大水准地淘汰了冷起动工况时代的漏气和机油进入。

将这种陶瓷增加到铝基体中可能使资料的比模量加众到39 GPa/(g·cm-3)。这比全数团体相似的金属合金(比方钢、铝和钛合金)高50%，也比过共晶Al-Si合金的高，后者的表率比模量为32GPa/(g·cm-3)。如表3所示，这种资料的导热系数连结正在约150 W/(m·K)的程度，可与其他团体相似的铝合金相媲美，略高于Al-Si合金(约120 W/(m·K))。这是由于SiC的导热系数比Si的高。同时，颗粒加强铝MMC的导热系数较高，也可用于活塞的创制。

Cu-7Ni-Si-Cr合金是1种硅化镍加强铜合金，可行使于气门导管、气门座、活塞环、气缸套和滑动轴承。表4列出了Cu-Ni-Si-Cr合金的表率呆滞功能和物理功能。

与现有资料比拟，这种合金具有更高的导热系数和更低的摩擦系数。图2示出了与可用于活塞顶环的圭表铬钢合金比拟，Cu-Ni-Si-Cr合金的导热系数与温度的相合。Cu-Ni-Si-Cr合金的导热系数是钢的4倍，而且比本考虑顶用于活塞的2124/SiC/25p合金还要高，越发是正在较高的事业温度下。如此可能杀青从活塞到缸套，以及从气门头到气门座的特殊传热，从而更好地冷却高温气缸零部件，为优化燃烧条目供应了更大的事业周围，以杀青优异的排放和动力功能。

Cu-15Ni-8Sn合金是1种旋节硬化青铜合金，平时行使于航空和航天工业。表5列出了Cu-15Ni-8Sn合金表率的呆滞功能和物理功能。正在本考虑中，考虑职员将Cu-Ni-Sn合金用作轴承合金，其耐磨性和低摩擦力使其成为连杆小头衬套资料的理思采用。

内燃机中有几种行使计划适合于用工程资料来代替现有资料。这些计划席卷燃烧室“热”区内的很众零部件:活塞、活塞顶环、连杆、气门座、气门导管和气缸套。本文探求了活塞和活塞销、连杆和活塞环的安排留意事项，将进一步探求气门座和导管及缸套资料的行使。

福特Ecoboost 2.3 L RS带头机中现有的活塞外形如图3和图4所示。基于2124/SiC/25p资料的呆滞功能和物理功能，考虑职员对活塞实行了从新安排，并实行了少许厘正。

原活塞正在环槽上镶有1个钢制镶圈，以淘汰环槽磨损，并正在爆发低速早燃(LSPI)时使活塞愈加扎实(图3)。当活塞采用2124/SiC/25p资料时，安排职员打消了这种钢制镶圈的安排。因为活塞的高温耐磨性和抗疲钝性取得革新，采用2124/SiC/25p资料直接减轻了活塞的质地。因为这种资料的活塞抗疲钝性普及，以是还可能将环槽沿着活塞向上移至亲近活塞顶。正在此活塞中，环槽向上挪动了1.67 mm，狭缝容积淘汰58.2%。估计未燃烧燃油将豪爽淘汰。

去除钢环镶圈还将革新从活塞至缸套的传热功能，由于2124/SiC/25pMMC资料的导热系数比钢环镶圈高，本质上2124/SiC/25p资料的导热系数比锻制铝活塞的导热系数还高。这将使活塞温度下降，并希望下降爆燃形象展示的几率，从而正在较高负荷下杀青更优化的燃烧定相，或者正在低负荷下通过普及压缩比，杀青更为高效的功能。

2124/SiC/25p资料的抗疲钝性可缩短活塞销，从而使活塞销与销孔中活塞之间的接触面积更小。采用2124/SiC/25p资料安排的活塞的活塞销长度减小了9.10 mm，活塞销直径减小了0.50 mm。活塞销的总质地减轻了19.4 g。基准带头机的活塞销资料是锻钢，而MTRN 带头机安排的活塞销是含3%MoCrV的锻钢。

基准带头机采用锻制铝合金活塞，而MTRN带头机活塞所采用的创制步骤是净成形锻制活塞顶，以最大水准地下降加工本钱。2124/SiC/25p资料可革新疲钝功能，可使活塞的总截面减小。可是，因为无法锻制出铸件中常睹的悬垂特点，以是截面减小量受到束缚。即使如斯，活塞体积淘汰了26.6%，这使活塞质地比眼前分娩型活塞减轻了76.5 g。

这些性格还愿意将活塞销孔进一步向活塞上方挪动，从而减小压缩高度并延迟连杆长度。较长的连杆通过淘汰活塞正在气缸孔径倾向上的侧向负荷来淘汰摩擦。正在MTRN活塞中，压缩高度下降了4.95 mm。正在这种安排中，即使连杆的高度尽或许高，但正在表面上没有进一步减小活塞顶厚度的或许性，以是无法进一步革新压缩高度。为了与基准带头机试验测试结果比拟较，MTRN带头机活塞顶的安排连结稳固，以连结好像的压缩比。表6总结了MTRN活塞的厘正步骤。

现有的连杆采用圭表的汽车等第烧结钢创制。从新安排的活塞采用2124/SiC/25p资料创制。这种资料的等第与新活塞资料的好像。

2124/SiC/25p资料的绝对刚度相对低于钢(205 GPa)，可是因为铝合金的密度低于钢，以是新资料的比刚度明白更高。MMC的绝对刚度与圭表钛合金好像，但密度比钛合金小35%。最终的连杆安排比现有的钢制连杆轻41%。图5示出了现有连杆和采用2124/SiC/25p资料制成的MTRN带头机连杆的外形对照。

跟着压缩高度的变革，连杆延迟了4.95 mm。其余，连杆小头衬套采用Cu-Ni-Sn合金制成，与现有的汽车轴承处分计划比拟具有明显的耐磨性。固然该计划不会减轻任何质地，但为他日的带头机测试供应了必定水准的连杆强度，且不会加众摩擦力。

应该指出，因为活塞资料和Cu-Ni-Sn连杆小头衬套磨损功能的革新，连杆被安排成由活塞辅导而不是由曲柄辅导。预期这一厘正将下降正在较高带头机转速下的摩擦耗费。

表7显示了MTRN带头机连杆相对付原机型连杆的上风。除了更轻的组件外，因为连杆较长，感化正在连杆上的二阶力也会变得更低。

内燃机中的活塞环具有3个重要性能：(1)密封燃烧室，以最大水准地淘汰曲轴箱的气体耗费；(2)从活塞到气缸壁的传热；(3)通过将机油从气缸壁刮回到油底壳来调治机油耗。

顶环重要与前2特性能联系联。摩登内燃机中的压缩环平时由铬钢或球墨铸铁/钢制成。这些资料具有优异的耐磨性。可是，它们的导热系数相对较低，分外是与铝合金比拟。将热量从活塞通报到气缸壁是顶环的此外1个重要性能，但自顶环被引入摩登四行程带头机此后，顶环组织的变革相对较小。

Bredda所做的考虑标明，通过采用更高导热系数的顶环，比方将活塞环资料由铁改为Cu-Ni-Si-Cr资料，可将活塞均匀温度下降20 ℃，睹图6。这对普及活塞事业温度和下降爆燃极限，以及变更焚烧正时以普及带头机燃烧效力都具有宏大影响。

下降压缩环边际的活塞顶温度是1种代替步骤。该步骤可能使顶环槽进一步沿着活塞向上挪动。活塞温度高平时会导致环槽磨损，这是席卷钢环镶圈或将压缩环槽定位正在活塞上较低身分的重要来由。这种活塞环的安排适合于现有的活塞，以及MTRN带头机的活塞。

内燃机中往还运动件的从新安排将对有用燃油花费率(BSFC)和带头机燃烧效力发作可观的影响。其效益重要有：(1)往还运动质地较轻；(2)通过动力传动体系下降摩擦；(3)均匀轴承负荷较低；(4)罅隙容积减小；(5)活塞事业温度较低；(6)二阶力较低。

该效益将通过考斯沃斯公司正在英国北安普敦市实行的带头机测试来实行量度。这些带头机测试将席卷对未经批改的福特Ecoboost 2.3 L RS带头机和采用上述从新安排活塞、活塞销、活塞环和连杆的MTRN带头机实行基准对照测试。

该带头机测试将探求全数圭表的可丈量带头机目标，比方功率、转速、扭矩等。带头机测试将对应图7所示带头机性格图上的参照点。这些参照点是行业内和整车厂的圭表基准点，以及环球团结的轻型车辆测试次序(WLTP)行驶轮回中具有代表性的“高滞留”事业点和全负荷基准点。带头机测试还将探求少许中负荷、中转速的基准点，以更好地测试带头机效力，并对低于指定燃油花费率的带头机事业周围实行比力。遵循车辆质地和变速比的采用，该气量圭表直接表领略行使的灵动性，以便带头机可能正在更广漠的周围内杀青节油运转。