高性能燃烧室合金对燃油效率的影响(2)

1.2 硅化镍增强铜合金

Cu-7Ni-Si-Cr合金是1种硅化镍增强铜合金，可应用于气门导管、气门座、活塞环、气缸套和滑动轴承。表4列出了Cu-Ni-Si-Cr合金的典型机械性能和物理性能。

与现有材料相比，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标准铬钢合金相比，Cu-Ni-Si-Cr合金的导热系数与温度的关系。Cu-Ni-Si-Cr合金的导热系数是钢的4倍，并且比本研究中用于活塞的2124/SiC/25p合金还要高，尤其是在较高的工作温度下。这样可以实现从活塞到缸套，以及从气门头到气门座的出色传热，从而更好地冷却高温气缸零部件，为优化燃烧条件提供了更大的工作范围，以实现优异的排放和动力性能。

1.3 旋节硬化Cu-Ni-Sn合金

Cu-15Ni-8Sn合金是1种旋节硬化青铜合金，通常应用于航空和航天工业。表5列出了Cu-15Ni-8Sn合金典型的机械性能和物理性能。在本研究中，研究人员将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材料的理想选择。

2?重新设计功率性能和排放方面的优势

内燃机中有几种应用方案适合于用工程材料来替代现有材料。这些方案包括燃烧室“热”区内的许多零部件:活塞、活塞顶环、连杆、气门座、气门导管和气缸套。本文考虑了活塞和活塞销、连杆和活塞环的设计注意事项，将进一步考虑气门座和导管及缸套材料的应用。

2.1 活塞/活塞销

福特Ecoboost 2.3 L RS发动机中现有的活塞外形如图3和图4所示。基于2124/SiC/25p材料的机械性能和物理性能，研究人员对活塞进行了重新设计，并进行了一些改进。

原活塞在环槽上镶有1个钢制镶圈，以减少环槽磨损，并在发生低速早燃(LSPI)时使活塞更加坚固(图3)。当活塞采用2124/SiC/25p材料时，设计人员取消了这种钢制镶圈的设计。由于活塞的高温耐磨性和抗疲劳性得到改善，采用2124/SiC/25p材料直接减轻了活塞的质量。由于这种材料的活塞抗疲劳性提高，因此还可以将环槽沿着活塞向上移至接近活塞顶。在此活塞中，环槽向上移动了1.67 mm，狭缝容积减少58.2%。预计未燃烧燃油将大量减少。

去除钢环镶圈还将改善从活塞至缸套的传热性能，因为2124/SiC/25pMMC材料的导热系数比钢环镶圈高，实际上2124/SiC/25p材料的导热系数比铸造铝活塞的导热系数还高。这将使活塞温度降低，并有望降低爆燃现象出现的几率，从而在较高负荷下实现更优化的燃烧定相，或者在低负荷下通过提高压缩比，实现更为高效的性能。

2124/SiC/25p材料的抗疲劳性可缩短活塞销，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材料设计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。活塞销的总质量减轻了19.4 g。基准发动机的活塞销材料是锻钢，而MTRN 发动机设计的活塞销是含3%MoCrV的锻钢。

基准发动机采用铸造铝合金活塞，而MTRN发动机活塞所采用的制造方法是净成形锻造活塞顶，以最大程度地降低加工成本。2124/SiC/25p材料可改善疲劳性能，可使活塞的总截面减小。但是，由于无法锻造出铸件中常见的悬垂特征，因此截面减小量受到限制。尽管如此，活塞体积减少了26.6%，这使活塞质量比当前生产型活塞减轻了76.5 g。

这些特性还允许将活塞销孔进一步向活塞上方移动，从而减小压缩高度并延长连杆长度。较长的连杆通过减少活塞在气缸孔径方向上的侧向负荷来减少摩擦。在MTRN活塞中，压缩高度降低了4.95 mm。在这种设计中，尽管连杆的高度尽可能高，但在理论上没有进一步减小活塞顶厚度的可能性，因此无法进一步改善压缩高度。为了与基准发动机试验测试结果相比较，MTRN发动机活塞顶的设计保持不变，以保持相同的压缩比。表6总结了MTRN活塞的改进措施。

2.2 连杆

现有的连杆采用标准的汽车等级烧结钢制造。重新设计的活塞采用2124/SiC/25p材料制造。这种材料的等级与新活塞材料的相同。

2124/SiC/25p材料的绝对刚度相对低于钢(205 GPa)，但是由于铝合金的密度低于钢，因此新材料的比刚度明显更高。MMC的绝对刚度与标准钛合金相同，但密度比钛合金小35%。最终的连杆设计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材料制成的MTRN发动机连杆的外形对比。

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