重型柴油机排放升级，钢活塞有望得到大幅应用
本刊记者 杜红武 文
从2017年开始中国实施国Ⅴ排放，钢活塞的需求量会大幅度增加，而真正较大的增长爆发期应该会从国Ⅵ排放标准实施开始，届时爆发压力达到新的高度，预计到2022年，钢活塞的需求量将达到200万只。
Abstract
Monosteel Is Expected to be Widely Applied in China Market
During a press event organized by Federal Mogul recently, Mr. Norbert Schneider, Global Director of had broadly and thoroughly exchanged views with reporter of
近日，辉门钢活塞媒体见面会在辉门中国上海总部举行。辉门动力总成重型车辆/能源、工业及运输产品活塞全球应用工程总监Norbert Schneider针对钢活塞的技术特点应用、优势、应用及未来市场需求等问题与《商用汽车》杂志等国内主流汽车媒体进行了深入交流。
钢活塞的中国机遇
随着高功率、低油耗、低排放的要求，发动机的爆发压力随之提升，对活塞性能提出了更高要求。采用技术领先的钢活塞是提升发动机性能的必由之路。
爆发压力指是发动机气缸里面的工作压力，与发动机的输出功率、排放等关键指标直接关系。Norbert Schneider以欧美国家“1960—2020年重型柴油机爆发压力趋势”解释：1961年，发动机爆发压力只有11 MPa，2000年上升到18 MPa，而随后几年，爆发压力加速上升，目前已经达到24 MPa，预计2020年将达到27 MPa。目前欧美满足欧Ⅴ、欧Ⅵ标准的绝大部分重型柴油机都是采用钢活塞，辉门公司从2003年开始在欧美批量投产钢活塞，并广泛应用于大功率柴油机上。
目前，中国全面实施国Ⅳ排放标准，部分城市已经执行国Ⅴ排放标准；到2017年7月，全国范围实施国Ⅴ排放，2020年将实施国Ⅵ排放。随着排放要求的升级，发动机的爆发压力随之提升，从原来的低于18 MPa，到国Ⅴ要超过18 MPa，为钢活塞的应用创造了机会。由此可见，爆发压力是整个发动机行业改变游戏规则的一个非常关键的因素，这也是从国Ⅴ开始中国市场需要钢活塞的原因。
Norbert Schneider对中国钢活塞市场的需求进行了预测。他认为，从2017年开始中国实施国Ⅴ排放，钢活塞的需求量会大幅度增加，而真正较大的增长爆发期应该会从国Ⅵ排放标准实施开始，届时爆发压力达到新的高度，预计到2022年，钢活塞的需求量将达到200万只。
钢活塞VS铝活塞
目前国内发动机绝大多数采用铝活塞，那么铝活塞和钢活塞有哪些差异？
Norbert Schneider表示，辉门动力总成能够做到钢活塞比铝活塞更轻。众所周知，钢的强度要比铝的强度高很多，正是因为强度上的差异，使我们能够把钢活塞的压缩高度降到很低，而铝活塞由于材料的特点，要达到同样技术要求就必须做到很高，壁厚比较厚。而钢活塞可以做到壁厚很薄，且能满足并超越同样的使用要求。如果降低活塞的压缩高度，带来的好处是发动机的高度可以直接降低，从而降低发动机的重量。对于发动机主机厂来说还有一个好处就是可以降低成本，节省材料。
由于铝和钢的差异，铝活塞比钢活塞热膨胀系数更高。所以，当发动机工作温度升高，铝活塞和缸套之间的间隙会非常小，接近于零，而钢活塞仍然可以保证较大间隙。间隙小会导致摩擦损失较高。由于活塞跟缸套之间工作间隙的不同，钢活塞比铝活塞可以节省1%的燃油。此外，因为钢活塞可以承受更高的温度和更高的爆发压力，发动机生产厂可以进一步提高发动机的燃烧温度和燃烧压力，从而进一步降低油耗。
Norbert Schneider还表示，钢活塞具有更长的使用寿命。比如，辉门对一个已经跑了110万km的活塞进行了清洗、分析和测量，结果显示这个活塞几乎和新活塞一样。从技术角度评估，这个活塞完全可以再跑110万km。所以，钢活塞是非常耐久可靠的产品。
当然，钢活塞也不会完全取代铝活塞。Norbert Schneider表示，排量在11 L、13 L的重型柴油机上，钢活塞未来将是主流，虽然不一定完全替代铝活塞，但是会占据绝大部分的市场份额。对于功率小一点的7 L、9 L发动机，由于其爆发压力比11 L、13 L发动机低，耐久性要求也会低些，所以在这些产品中铝活塞还会继续存在。
辉门Monosteel®钢活塞双摩擦焊示意图
辉门Monosteel®钢活塞的技术优势
据Norbert Schneider介绍，辉门Monosteel®钢活塞拥有多项关键技术，可保证发动机的性能提升。
首先，辉门钢活塞最关键的特征是采用双摩擦焊技术，它同时具有内部和外部2个摩擦焊点。由于摩擦焊的过程中，接触点承受了高温和高压的作用，焊接处形成了完美的晶粒间的结合，不会降低活塞的结构强度。由于采用双摩擦焊使Monosteel®钢活塞具备很高的结构强度，从而可以承受更高的爆发压力。
其次，基于双摩擦焊的结构特点，设计了一个特别的活塞冷却油道。该冷却油道为封闭、大容量，位置非常接近活塞头部。该冷却油道的存在，可以使燃烧室的温度更高，让高性能的发动机成为可能。由于冷却油道位置非常高，接近活塞喉口区域，从而保证该区域的温度低于材料的限值，很好地解决了发动机对不断提高燃烧室温度的挑战。
第三，双摩擦焊技术可以增加活塞裙部的长度。相对较长的裙部能够提高活塞在运动过程中的稳定性，减少二阶运动的影响。由此，可以防止发动机缸套表面产生穴蚀，这也是重型发动机上比较常见的失效种类。另外，辉门对活塞裙部进行了涂层等表面处理，还可以降低活塞的运动过程中的摩擦损失，提高发动机的燃油经济性。
第四，Monosteel ®钢活塞有4道环槽。通常看到的活塞只有3道活塞环槽，即2道气环、1道油环，而Monosteel®钢活塞具有第4道环槽。这个相对较大的第4环槽并不用于安装活塞环，它的存在能够降低钢活塞重量，有利于控制发动机的漏气量和机油损耗。钢活塞的第4环槽是辉门公司的专利技术。
Norbert Schneider认为，中国的国Ⅴ和国Ⅵ排放标准，其实跟欧Ⅴ和欧Ⅵ排放法规非常接近。从专业角度来说，经过了欧洲和北美市场长期、广泛的验证，辉门的Monosteel®钢活塞同样会非常适合于中国市场。
“2016年，Monosteel ®钢活塞将开始在国内商用车上正式批量应用。目前，辉门公司和中国主机厂正在进行开发的钢活塞项目多达8个，在项目开发阶段，Monosteel ®钢活塞由北美工厂提供样品件。”Norbert Schneider表示，“与此同时，辉门动力总成正在加紧中国本地生产准备，预计2017年，辉门公司青岛工厂将批量生产Monosteel®钢活塞，以满足中国用户需求。”