马勒活塞——我们的赛车手可不希望在F1大赛中烧伤自己的手指

近几年,马勒活塞的工作条件变得极为苛刻,因此必须能承受极高的压力。 例如,热负载(燃烧室内的温度高达2,600ºC)与平均点火压力已显著提高。 高速概念的引入以及活塞冲程逐渐加长的趋势,使惯性负载也逐渐提高。 自然而然,人们对活塞的要求也逐渐提高:不仅要重量更轻、油耗更低,还必须绝对安全 ——即使在高温、低温负载能力试验以及热冲击下的疲劳试验等条件下也是如此。

这些要求带来的影响:活塞的总高或压缩高度持续下降。 全新解决方案,例如马勒开发的ECOFORM®结构活塞理念,使活塞可以进一步减轻重量。 MONOTHERM®结构活塞由相应的机器加工制成,是一种整体式钢制活塞,其重量与同类铝制活塞相当。 此外,如同含有冷却镶圈的马勒活塞一样,铝制活塞的性能也得到了极大提高。

我们在赛车领域的成功也使自身受益匪浅——毕竟,我们是唯一一家能从F1大赛中获取经验的系列产品生产商。 作为全球最大的活塞制造商,马勒对未来产品领域进行了极为细致的研究,所以现在才能为几乎所有发动机提供解决方案——快速、可靠、覆盖全球。 通过活塞产品,我们为汽车零部件市场提供从原装设备市场产品和产品固有安全性中受益的良机。这些产品都经受住了极端条件实际应用中的重重考验。 我们对质量充满信心。

两冲程活塞

此类活塞主要用于在重载荷下运行的汽油与柴油轿车发动机。 活塞铸造时在环岸和群部交界处放入了防震钢片,但不是开隔热凹槽。 因此,该活塞的整体具有极高的强度。

铸造铝活塞

由活塞顶、环岸与裙部构成一个整体。 整体铸造的铝活塞使用寿命长,适用于汽油及柴油发动机。 其应用范围广泛,从小型发动机道大功率发动机。

锻造活塞

此类活塞主要用于高性能发动机和赛车上。 该类活塞的制造工艺使其更加坚固,因此其活塞群部厚度更薄,重量更轻。

AUTOTHERMIK®- / HYDROTHERMIK®结构活塞

这些运行平稳的活塞主要用于轿车中。 此类活塞铸造时使用了防震钢片,并且从活塞环岸到裙部的交界处开了凹槽。

AUTOTHERMATIKSUP®- / HYDROTHERMATIK®结构活塞

此类结构活塞主要用于在重载荷下运行的汽油与柴油轿车发动机。 活塞铸造时含有防震钢片,但不带凹槽。 因此,该活塞具有较高的强度。

旋转拔模式ECOFORMSUP®结构活塞

该活塞重量经过优化,适用于轿车汽油发动机。 由于采用特殊的铸造技术,此类活塞具有重量低、结构强度高的特点。

带铜套的镶圈活塞此类活塞用于柴油发动机,含有采用特殊铸铁制成的镶圈,其与活塞材料通过铸造良好结合,使得活塞尤其是第一环槽具有更好的耐磨性。该活塞的销孔铜套由特殊材料制成,因此销孔的承重能力有所提高。

带内冷油道的镶圈活塞

带内冷油道的镶圈活塞通常在极端工作温度条件下使用。 由于活塞顶部与环槽的温度很高,因此需要在内冷油道中通过机油循环冷却来降低活塞温度。

强化顶部的带内冷油道镶圈活塞

此类活塞用于在重载荷下运行的柴油发动机。 为提供更多保护,同时避免活塞穿孔或活塞顶出现裂纹,其顶部采用了一种特殊的硬质阳极氧化处理层(HA层)。

冷却镶圈活塞

此类活塞的内冷油道和镶圈通过特殊的生产工艺,集成一体。 因此,该活塞特别是第一环槽的散热性能得到显著提高。

MONOTHERM结构活塞

这是一款整体式锻造钢制活塞,具有极高的结构强度,专为压力为250 bar或更高的现代发动机开发。其重量与同类铝制活塞相当。

FERROTHERM®结构活塞

此类活塞,采用钢质顶部、铝基材料裙部、通过活塞销灵活连接。 具有的较高强度与更低的磨损,此类活塞符合各种低排标准,尤其是适用于重负载柴油发动机的标准。

汽车与发动机行业有一种很明显的趋势:市场对发动机功率的要求越来越高。 尤其是柴油喷射技术,更是成为发动机设计师关注的焦点。 近年来,该领域已形成了一种巨大潜力:高压喷射与燃烧过程电动控制相结合,为极大提升柴油发动机性能创造了条件。

当然,更高的发动机功率也不可避免地使活塞的热负载与机械负载显著提高。 人们——尤其是活塞开发设计领域——必须将这一趋势纳入考虑范围,因为活塞是内燃机中承受应力最大的部件之一。 在活塞燃烧室中产生的360 °C以上的温度下,以及超过170 bar的点火压力下,铝合金活塞将达到其材料疲劳极限。

因此,提出新的设计创意成为必然,而且必须使用新的材料。 马勒开发人员提出的解决方案:采用极度耐高温锻造钢制活塞顶与铝制裙部制造的活塞——FERROTHERM®结构活塞诞生了。

正确引导与努力工作

基于明确任务共享的设计:铝制裙部只负责对汽缸内的活塞进行牵引,而活塞顶则负责传递压力和保证密闭性。 锻造钢活塞顶可承受的运行温度显著提高,而销孔与活塞销之间能承受的压力也随之提高。 同时,位于活塞上端的环槽在耐磨性与使用寿命方面,也得益于锻造钢的高强度。

间隙

与铝硅合金相比,钢材的另一个重要优势是其极低的热膨胀系数,该特点允许活塞与汽缸间的间隙可以更小。 如此一来,其在密闭性与减少窜气方面的优势更加明显,而且活塞与汽缸间极为狭窄的间隙还可在运行时为活塞环提供支持。 较小的间隙对废气排放值也有积极影响,这是因为间隙越小,则间隙所占空间越小,因此可以达到最佳且充分的燃烧效果。

振动器效应

但是,钢材也有缺点:其导热性比铝差。 因此必须通过优化活塞的冷却性能,确保温度处于较低水平。 我们的解决方案是:使用弹簧钢板或特殊设计的活塞裙部形成冷却槽,然后将机油注入槽中达到冷却效果。 由于活塞直径较大,随着其上下运动,就会产生一种“振动器效应”,该效应能充分冷却活塞顶。

两个互不对等的合作伙伴——一次成功的合作

用什么办法能将钢和铝这样完全不同的两种材料融合到同一个功能装置中? 如图所示,活塞的上部与裙部之间通过销连接。 燃烧与点火压力作用于钢制活塞顶,然后其合力通过活塞销从活塞顶直接转移到连杆上。 销孔中插有一个有色金属衬套,用作活塞销的理想工作伙伴。 在新一代设计中,销孔上覆有涂层,该涂层进一步改善活塞与销之间的相互作用。 钢制上半部分与铝制裙部之间留有一条缝隙。 这种空间隔离起到了热解耦的效果。 因此,该活塞裙部的温度明显低于全部用铝制成的活塞。 凭借裙部的低温水平和动力传输方面的热解耦,该裙部设计可在引导任务方面得到优化。 我们可以看到:虽然柴油燃烧很剧烈,动力输出更高,转矩也更大,但发动机的运行却非常轻柔和安静。

FERROTHERM®结构活塞:原装设备中的权威

FERROTHERM®结构活塞进入市场已有近20年的历史,但仍是特别用于商用车领域的现代活塞设计。 来自沃尔沃、斯堪尼亚、底特律柴油机厂和卡特彼勒等企业的许多发动机,至今仍将马勒的FERROTHERM®结构活塞用作原装设备。 众多主要制造商仍依赖于这个充满智慧的设计:目前,马勒正在为梅赛德斯-奔驰和俄罗斯一家大型发动机制造商开发采用两段式活塞的发动机。

零部件市场中的成功典范

与此同时,马勒贸易计划也包括现有发动机元件目录中的FERROTHERM®结构活塞,该目录中含有两条尚未完成的活塞编号:钢制活塞顶的字母组合为“KB”,而代表铸造铝制裙部的字母为“L”(详见目录摘要)。

查看MAHLE Original发动机零部件目录:两段式FERROTHERM®活塞钢制活塞顶的字母组合为“KB”,而铝制裙部则为“L”。

重要信息:正确的组装

FERROTHERM®结构活塞在发货时为拆解形式,其中上半部分与裙部经过精心包装,并排摆放在包装盒中。 组装上半部分、裙部和连杆时,必须注意正确的安装方向:组装上半部分和裙部只能朝一个方向进行。

带钢制活塞顶的FERROTHERM®结构活塞剖面图

活塞顶上的不同标识及其含义:

活塞上最引人注目的部分是活塞顶上的各种标识。 除了尺寸及间隙的规格外,大多数活塞上还显示有关安装方向的信息。 活塞上标记的安装方向与我们的客户——发动机制造商的规格保持一致。

我们有很多客户——这意味着会有许多不同的要求以及活塞标识规格。 大量的标识在旁观者看来,像是古埃及的象形文字。

因此,我们将为您大致介绍一下大部分重要标识及其含义:

注意活塞的安装方向为何如此重要?

顶部形状不对称的活塞,或者活塞顶部气门坑设计为大小不等的活塞,必须沿特有的方向安装到发动机中。 对于燃烧室不在活塞顶中心位置的活塞,该要求同样适用。

然而,也有一些活塞看上去完全对称,并且活塞顶部很平坦。 即便如此,仍必须注意其特有的安装方向。 这是由被称之为“销孔偏移”的原因决定的。 也就是说,活塞销并非正好位于活塞的中心,而是稍微偏向一侧。 仅凭肉眼不大可能注意到这一点,因为根据其特有设计,偏置距离可能不到1毫米。

为什么大多数活塞都存在销孔偏移的现象?

由于机轴的转动,大多数活塞中的连杆会成一定角度。 这会在活塞向上运动的过程中,对活塞施加一个偏向汽缸侧的力。 在活塞上部正中位置,连杆完全垂直,然后开始与另一侧之间形成一个夹角。 与此同时,活塞也开始向汽缸孔另一侧倾斜。 为减轻活塞在相对一侧施加的压力,并尽量保持静音,需要将销孔稍稍偏向一侧。 于是,在倾斜方向改变的过程中,活塞只会围绕销轴出现稍微的倾斜。 因此,活塞才不会在完全伸展开时撞上汽缸璧,而只是在刚开始时,其底部裙边会碰到汽缸壁,然后变成朝向另一侧的滑动运动。 这样不仅降低发动机噪音,而且能大幅降低元件上承受的机械应力。

销孔通常偏向活塞的受力侧。 然而也存在一些例外情况:有些活塞的偏移方向完全相反,但是效果相同。