LiteKS-5活塞技术方案及其降低CO2排放的潜力

为了持续降低CO2排放，应对内燃机的每个部件进行充分优化，为此需要采用现代模拟工具和高精度的测量技术。德国KS Kolben Schmidt公司在开发Lite KS-5活塞系统时已充分应用了此类整体系统方式。

1 系统方式

为了进一步研究内燃机降低CO2排放的潜力，须重点考察内燃机系统部件之间的相互关系，其包括采用不同制造工艺（压铸、低压铸造、砂型铸造和硬模铸造）的铸件，例如使用可实现轻量化的气缸体曲轴箱、气缸盖、主轴承框架、结构件以及变速箱构件，此外优化气缸体曲轴箱的功能表面以降低CO2排放也是1项可行的方法。除此之外，必须使用有着较大承载能力而摩擦和磨损较低的连杆轴瓦和曲轴轴瓦，而采用通过电化学方法离析的电镀镀层，采用电物理方法而获得的喷涂涂层也都能确保最佳的磨合特性和长期耐久运行过程。

此外，现代先进设计方案如缸内直喷式汽油机或可变气门机构等需要配备电动节气门或电动调节阀，而二次空气系统、废气再循环（EGR）和废气放气阀都属于这一类，由此可有效降低有害物排放和燃油耗。未来高增压和压缩比较高的汽油机设计方案能有效节省燃油，但是会相应增大爆燃倾向，而外部冷却的EGR能有效控制燃烧过程，从而进一步改善燃油耗。另外，在发动机的整个转速和负荷范围内，全可变的机油泵和机油阀能获得恒定不变的机油压力和自动调节的机油流量，由此能减少功率消耗，并有效节省燃油。例如，按需关闭活塞机油冷却喷嘴就能减少对机油的需求量，而且还能缩短发动机的暖机阶段，起到节油和降低有害物排放并延长机油泵使用寿命的效果。机油泵集成限压功能可节约用于分开式安全阀的宝贵空间。此外，汽油机的供气过程总是伴随着损失，因为在部分负荷范围内应调小节气门开度，而此时可变气门机构能通过按需调节气门开启持续时间并对进气流量实现无级调节，从而使减少该过程的损失。目前，现代配气系统始终采用滚动接触，在减少机械损失的同时实现了较高的转速稳定性。

此外，在过去数年间，莱茵金属汽车集团（Rheinmetall Automotive Gruppe）与日本理研（Riken）公司的合作过程取得了显著成效。为此，KS （Kolben Schmidt）公司也与理研公司开展了共同合作，在内燃机的疲劳强度、热负荷和机械负荷以及减少漏气等领域取得了一定突破，而且还成功地降低了活塞系统的摩擦，从而改善了燃油耗。

2 活塞系统能为降低排放作出重要贡献

在对Lite KS-4活塞进行设计时，除了实现结构轻量化之外，对摩擦也进行了重点优化，而且与同类产品相比，其在降低摩擦方面具有明显的优势，并已通过相关测量过程所证实。与量产活塞系统相比，其在降低CO2排放方面具有一定优势，可将总排放量降低约1.4%。这种摩擦优化过程不仅为OEM公司旗下车型降低CO2排放作出了贡献，而且还可相应降低燃油耗。Kolben Schmidt公司在将全球生产厂家成功地转化成工业化方案后，已经历了15次量产开发，与此相关的活塞产量已达到6 420万个，Lite KS-4活塞的批量生产将从2020年开始。

3 对全球汽车市场的挑战

目前的轿车保有量数据已证实，大多数用户依然更青睐传统的内燃机汽车，其中超过60%的车型仍配备了汽油机。该事实同样证明，目前汽车对活塞依然有着较大需求。在该方面，如须降低车辆的CO2排放限值，就要求发动机制造商进一步优化动力总成系统，从而能满足与此相关的法规规定。此外，还要考虑到地域和文化的特殊性，例如燃油品质、开展税收优惠的小排量发动机以及升功率超过120 kW的高性能发动机。对于所有方面都需要提出相应的解决方案，以便解决其面临的技术挑战。此外，轻微的漏气现象、较低的噪声水平和较小的摩擦损失都涵盖在内。

4 LiteKS-5活塞方案

日本和德国的研究人员已对新一代活塞进行了合作开发，由此可充分利用两国的资源和技术能力。在共同寻找技术优化方案期间，研究人员从不同的视角和行为方式对活塞进行设计，使得采取的技术方案可适用于多种汽油机。全新的设计方案以成功应用于现代汽油机的Lite KS-4活塞方案为基础，因其CO2排放限值得以进一步降低，研究人员在Lite KS-5活塞设计过程中将重点放在降低活塞裙部摩擦上，并通过优化活塞裙部刚度就能实现该目标（图1）。为此，通过不同的壁厚曲线可将活塞裙部分成2个功能区，一部分裙部被设计得较为坚固以承受侧压力，另一部分裙部则能产生轻微的弹性变形减少作用力的叠加。


图1 Lite KS-5和Lite KS-4活塞在裙部范围的差异

此外，在对滑动间隙进行设计时，研究人员考虑到了活塞的热变形和机械变形，并重新确定了滑动间隙，以便使活塞裙部能更均匀地贴合在气缸套工作表面上。通过上述措施，活塞裙部的滑动损失已降低了20%以上。为了进一步降低摩擦功率，研究人员在合作项目中，为活塞环选用了能有效降低摩擦的方案，并采用了如类金刚石石墨（DLC）等抗磨损涂层。除了降低CO2排放之外，研究人员还考虑到了如机油耗、漏气和使用寿命等方面的性能影响。作为开发过程中的重要因素，该款活塞应沿用源于上一代产品轻量化结构。在新设计方案中，研究人员将框形壁厚改为2.7 mm。虽然壁厚有所减小，研究人员通过对结构刚度的优化，仍使其具有较高的可靠性（图2），因此Lite KS-5设计方案能用于现代汽油机的整个功率谱。活塞环槽镶圈和冷却通道及其组合可作为辅助技术并集成在系列设计方案中，以便能为不同的应用情况提供有效和可靠的解决方案。


图2 Lite KS-5活塞安全系数的模拟以证实其疲劳强度

5 摩擦特性的模拟

Lite KS-5设计方案的摩擦特性主要是在对全球统一的轻型车试验程序（WLTP）行驶循环至关重要的部分负荷工况范围内进行模拟。这种全新的设计方案已应用至3缸1.0 L汽油机，并且能证实Lite KS-4活塞相对于同类量产活塞在降低摩擦方面的优势，同时研究人员对改型方案进行了动态特性模拟，后续又介绍了其在浮动气缸套中的效果。不仅如此，在应用浮动气缸套的情况下，研究人员针对装配间隙为35 μm和60 μm的摩擦特性分别进行了试验研究，并与上一代Lite KS-4方案进行了比较。对所模拟的负荷范围进行仔细观察，就能清楚地看到，在所有4个行程中活塞裙部的摩擦都有所降低。此外，模拟还表明最佳的活塞裙部设计使其在整个工作循环中所产生的侧压力都有所降低。图3示出了在正压力侧方向和负压力侧方向上各自承受的侧压力。为了进一步降低活塞裙部的摩擦，须保持尽可能小的侧压力，这在Lite KS-5活塞设计方案中是通过对裙部的结构调整而实现的。


图3 Lite KS-5活塞设计方案在模拟侧压力方面的优势

在摩擦功率曲线中可以清楚地看到，不同的侧压力对摩擦特性会起到怎样的效果（图4）。经摩擦优化的活塞设计方案首先在工作行程（360～540°CA）中与基准设计方案Lite KS-4的区别较为明显，因此根据运行工况点的不同，在装配间隙较小时摩擦最多能降低24%，而在装配间隙较大时摩擦也能降低18%。除了更明显地降低摩擦的基本目标之外，Lite KS-5活塞的噪声水平还应与上一代设计方案相近，在同时进行的活塞噪声模拟中，已证实其在对活塞噪声具有重要意义的运行工况点上并无显著的差异（图5）。



图4 LiteKS-5和Lite KS-4活塞设计方案模拟摩擦功率的比较


图5 Lite KS-5和Lite KS-4活塞噪声水平的比较

6 在浮动气缸套发动机上的试验

在采用浮动气缸套的发动机上，研究人员对活塞35 μm和60 μm的装配间隙进行了测试。为了能对2种活塞设计方案进行比对及评价，保持试验过程中的边界条件恒定不变有着重要意义，并由外部调节设备使冷却液和发动机机油的温度和压力保持不变。

为了确保基于统计学的可靠性要求，每次测量都由100个工作循环取平均值。为了确保可比较性，通过测量得到的摩擦参数计算平均摩擦压力，并对2种活塞设计方案进行对比，对于2种装配间隙方案而言，Lite KS-5活塞都展现出明显的优势。图6清楚地表明，在所有测量的运行工况点上其摩擦都比Lite KS-4活塞更低，在装配Lite KS-5活塞后的平均摩擦压力可降低13%～21%。

7 在行驶循环中的模拟

图6所示的平均摩擦压力参数清楚地表明，活塞上所采取的措施在所有考察的运行工况点上都可有效降低摩擦，而最令发动机制造商关注的是由此降低的燃油耗和CO2排放。借助于行驶循环模拟考察C级轿车，已查明Lite KS-5活塞在WLPT行驶循环中的CO2排放比量产方案降低了1.0%（图7），再通过对活塞环组的附加优化，降低的CO2排放约可达到1.5%～1.9%。


图6 Lite KS-5和Lite KS-4活塞平均摩擦压力的比较


图7 LiteKS-5和Lite KS-4活塞与量产活塞WLPT行驶循环CO2排放的比较

8 结论和展望

研究人员针对Lite KS活塞的设计方案经历了数次调整，第5代设计方案的重点是进一步降低摩擦（图8）。改善活塞摩擦不仅要在模拟计算中开展，而且还要在实际运转的发动机上通过浮动气缸套而予以证实。



图8 从开始生产（SOP）起各代Lite KS在重量和摩擦方面的优势

该优化方案在WLTP试验循环中减少的CO2排放可达1.0%，通过使用最新一代的活塞环还能获得附加的节油效果。摩擦方面优势可通过采用不同的装配间隙，并在所有的试验运行工况点上得以显示，同时其不会对噪声特性产生不良的影响。采用全新的设计方案还能获得较好的轻量化效果。在第5代Lite KS活塞设计方案成功开发后，其将于2023年开始批量生产。