1.1 新一代轻型活塞

缸内直喷式汽油机降低燃油耗和废气排放的开发力度，明显提高了零部件的负荷，这并非是简单地加大壁厚从而增加零件重量的结构设计方法所能应付得了的。图1-1示出了爆发压力与升功率的发展趋势，其中最高爆发压力代表活塞的机械负荷，而升功率则可看作是活塞热负荷的特性参数。从图中就能清晰地看出缸内直喷式汽油机机械负荷和热负荷不断提高的趋势，增压机型的爆发压力已明显超过12MPa。

在增压缸内直喷式汽油机的发展中，有时会因极高的侧压力而使活塞承受非常高的负荷，其原因是爆发压力曲线直至点火上止点后30 °CA非常晚的时刻才达到压力峰值（图1-2），在这样的范围内倾斜的连杆位置会产生非常大的侧压力，完全能达到柴油机的侧压力数值。在活塞使用寿命期内，如此大的负荷肯定会在筒形壁范围内对活塞裙部产生明显的影响（图1-3）。

在气缸直径较大的情况下，这种状况使得采用传统的活塞结构就不再能确保发动机开发成功，因而不得不采用具有更高强度的新型活塞结构形式。

（1）对活塞的要求

除了必须减小质量之外，活塞组总是必须满足当前的标准规范：

· 良好的漏气和机油耗特性；

· 低的摩擦功率；

· 高的运转平稳性；

· 即使在诸如冷起动等极端条件下仍保持良好的运行可靠性；

· 在延长机油换油周期的同时仍具有长的使用寿命；

· 低的成本。

由此就可推导出其应具备的性能：

· 通过具有高的结构强度获得高的形状稳定性；

· 活塞裙部具有最佳的承载性能和尽可能均匀的压力分布；

· 良好的导向性能；

· 具有高的弹性，以便补偿摩擦副不同的热膨胀；

· 良好的耐磨性；

· 可靠和简单的制造工艺。

这些部分相互矛盾的要求想要达到最佳的协调，必然对活塞的开发形成很大挑战。

（2）活塞结构形式

各种不同活塞结构形式的轻量化程度可用X系数来表征，该系数用相对压缩高度来表示，即X=压缩高度/活塞直径³ （图1-4）。

缸内直喷式汽油机活塞X系数的大小，一方面受到不同活塞顶面形状（顶面边缘高度或燃烧室凹坑深度）的影响，另一方面在很大程度上还受到负荷以及由其所决定的壁厚和活塞销孔尺寸的影响。德国Mahle公司多年来成功批量生产的Ecoform活塞的重量能比中等负荷的标准活塞最多减轻10%。

Ecoform活塞（图1-5）的重要特点是活塞销座上方活塞环区背后具有一个较大的铸造凹腔，以及活塞下半部的倾斜箱形壁（参见图1-6），从而获得了一个有利于力流传递的能胜任活塞负载的结构，而且确保活塞裙部具有足够的弹性，特别是所形成的梯形支撑或阶梯形支撑使得活塞销座内端面之间的距离更为紧凑，因而能使用更短的活塞销，有时候还能减小活塞销的横截面积。

（3）新一代轻型结构活塞

Ecoform活塞也为开发新一代Evotec轻型结构活塞奠定了基础，因而能进一步减轻重量约10%。这种新型活塞方案的一个重要特点是结构不对称的箱形壁（图1-6），因而能使活塞的压力侧及其对侧承受不同的负荷。由于力引入活塞销座与裙部与气缸接触范围之间这种较为直接的连接减小了弯曲力矩负荷，从而无须加固至箱形壁的连接，因此也使得在这种高负荷区域内的应力分布更为均匀（图1-7，见彩插），而且对铸造工艺也会产生有利的效果。

与此相反，负荷明显较低的压力侧对侧的箱形壁设计得更分开和更薄，以确保必要的弹性和良好的导向性能。因此，与通常的设计方法不同，并非是压力侧对侧而是压力侧的裙部表面相对更窄。为了避免活塞卡住或过早磨损的危险，重要的并非是该表面的大小，而是裙部压力的均匀分布，这通过与其相协调的外形轮廓是能够实现的。借助于3D有限元计算就能很好地辅助这种形状的优化工作（图1-8）。

此外，箱形壁倾斜地延伸到活塞顶面，因而箱形壁在顶面的间距就较窄，这就附带加强了活塞的结构刚度，并且还能使活塞环区背后的铸造凹腔设计得更深，以及使活塞顶面厚度更小，而在活塞下半部缩进去的箱形壁与活塞环区与之间添加的加强筋也增加了附加的强度。

（4）新的铸造工艺

新型的Evotec活塞因具有载荷优化的刚性结构能明显减小壁厚，而过去采用金属模重力铸造在壁厚方面受到限制，因此马勒（Mahle）公司开发了一种新的铸造技术，可采用金属模重力铸造工艺批量制造薄壁结构铸件，其目标是在保持使用新的耐热活塞合金，以及对铸造品质的高要求的情况下改善熔液流动性。

铝熔液的表面张力是影响流动性的主要因素。氧减少的气氛能对熔液的流动性产生有利的影响，但是缺少铝熔液氧化层会导致传统的硅酸盐铸模涂层的破坏，从而容易损坏铸模，因此必须开发一种新型的金属模保护涂料。

马勒（Mahle）公司优化调整了铸造参数，成功地开发出了一种可用于批量生产的铸造工艺，它能使Evotec活塞壁厚最多减小35%（图1-9），同时铸造品质也有了明显的改善。

（5）首次应用的设计和试验

在基本方案设计框架下，曾借助于3D有限元分析进行参数研究，始终环绕着优化零件重量，系统地弄清楚新型活塞结构的各种不同几何形状的影响，但是所花费的高费用是完全必要的，因为由此获得的认识和理解是非常重要的基础知识，借助于这些知识，新的结构设计原理就能非常有效地适应发动机的不同要求。

高温性能、动力学性能与摩擦特性之间复杂的相互作用，以及与邻接系统的相互作用都对活塞组的开发提出了非常高的要求。为此，马勒（Mahle）公司应用了现代先进工具和方法，除了结构分析之外，还应用了模拟活塞横向运动的程序、活塞环动力学和运行后活塞裙部表面图像等，此外还可应用活塞形状优化程序，例如用于活塞销支承的设计。

越是接近活塞重量的最佳值，开发工作的难度越大，也就越能获得更多具有重要意义的精确的边界条件知识。尽早获得有关邻接系统负荷状况和几何学条件方面的信息对所必需的反复优化次数具有重大影响，通过与发动机开发合作伙伴的紧密合作就能获得成功，因此例如CFD（计算流体力学）燃烧模拟的计算结果与结构分析的紧密结合就能大大改善预测品质，并加速开发的进展过程。但是尽管如此，目前可能还不会这么快地取消测量和发动机试验，因此发动机试验在活塞开发中依然具有很重要的位置，如今现代试验台技术和复杂的测量方法恰恰正是针对目标和可靠进行产品开发的前提条件，例如在发动机实际运行时的活塞温度分布测量就是这方面一个很好的例子。最近以来，通过将遥测系统应用于数据传送就能高精度地测量远超过400℃的活塞温度。这种新开发的系统甚至能测量瞬态运行时的活塞温度，每个应用这种系统的活塞最多可测量多达6个部位的温度。由于取消了传送测量信号的连杆机构装置，这种遥测系统被认为十分可靠，而且仅需发动机机体作很小的改变。

目前，Evotec活塞已应用于很多不同用途和负荷状况的缸内直喷式汽油机，同时还应用了具有高镍耐蚀合金活塞环镶座的结构形式。在首批发动机运行中，这种活塞形式已显示出能非常好地满足高的运行性能要求。与目前的活塞技术状况相比，这种新型Evotec活塞的重量减轻了10%。通过优化结构以及压力侧及其对侧胜任功能要求的箱形壁的设计已成功地获得了即使用于未来功率不断提高的新一代缸内直喷式汽油机的低成本解决方案。