近日，由先进冷却技术公司（ACT）和韦恩州立大学燃烧物理实验室研发人员所申请的“先进重型柴油发动机活塞”的研究项目获得了美国军方的资金支持。
项目的目的是设计开发和制造能够承受频率高达40Hz局部周期性表面热通量超过20MW/m2 时产生的严重热应力，并且具有有限的背面冷却的重型柴油发动机活塞。根据3D科学谷的了解，项目组将通过增材制造-3D打印技术开发重型柴油发动机活塞。
传统发动机活塞。来源：enginebuildermag.com
突破极限温度
项目要求
内燃机发动机开发的趋势聚焦在减少空气污染物排放和燃料消耗方面，从而满足温室气体排放的环境法规要求。柴油发动机制造商已经重新努力将发动机效率从目前的45％制动热效率（BTE）的状态提高到大约65％BTE的理论极限。例如，康明斯公司（Cummins，Inc.）在近期发表的技术论文中概述了通过降低摩擦，降低润滑油粘度，寄生损失（例如油泵和水泵），涡轮机械效率，发动机降速，优化排气后处理等方面的改进以及发动机燃烧系统的优化，实现潜在效率的提升。
“先进的重型柴油发动机活塞”项目的主题着重于通过优化燃烧系统和由此产生的活塞传热来提高120mm-140mm缸径柴油发动机的热效率。
发动机燃烧系统的发展包括更高的压缩比，更高的缸内压力（大于300 bar），优化活塞凹坑几何形状以及增加喷油嘴流速从而缩短燃烧持续时间。随着燃烧持续时间的缩短和压缩比的增加，气缸压力和温度必将增加，导致气体侧活塞表面温度将超过传统钢活塞合金（例如4140钢）的材料温度极限500°C。
追求这些技术发展的另一个原因是增加的活塞传热。较短的燃烧持续时间需要在活塞上产生更高的局部热通量（大于20MW/m2），因为热火焰撞击在活塞凹坑表面上。而商用车的发动机设计着重于实现低排放和良好的燃油经济性，这些属性在军用车辆的设计中不太重要。特别是作战车辆发动机应具有高功率密度和低散热性，因为推进系统与车辆的功能系统在装甲总体积上竞争。未来，作战用的低散热性（<0.5 kW / kW）和高输出功率（90 bhp / L）柴油发动机，与一些商用发动机具有共同的设计限制，活塞表面温度就是其中之一。温度超过材料的关键性能极限会导致发动机寿命缩短和活塞故障。在保持可接受的活塞表面温度的同时，优化低散热、高功率密度发动机的活塞设计是发动机开发过程中的关键步骤。
该项目的目的之一是开发一种先进的重型柴油发动机活塞，这种活塞针对连续、高功率进行了优化。军用地面战斗车辆在沙漠环境操作条件下的重载操作。该项目的申请介绍指出，项目申请方应旨在将峰值气缸压力限值提高到275 bar，将表面温度限值提高到600°C，或提出在等效热负荷下降低表面温度的技术。但是将不考虑在活塞顶使用隔热涂层。
拟开发的3D打印活塞。来源：ACT
根据3D科学谷的了解，ACT和韦恩州立大学项目组将开发3D打印的重型柴油发动机活塞。经过设计优化的增材制造活塞将在最高600°C的表面温度，20 MW / m2的局部热通量和275 bar的气缸压力下运行。上图说明了拟开发的活塞中包括的技术与设计方式。
三个阶段
“先进的重型柴油发动机活塞”项目将分三个阶段进行。
第一阶段：进行工程分析，支持设计和开发120mm-140mm内径尺寸的原型活塞，该活塞能够在直喷式重型柴油发动机的高负载条件下持续运行。确定所需的热和机械性能，并进行实验室测试，为活塞选择合适的材料。确定独特的制造要求并进行概念性活塞的原型制作，证明所提出技术的可行性。
第二阶段：制造和测试先进的重型柴油活塞原型，可在不影响活塞强度或耐用性的情况下提高燃烧温度和压力。用公差、表面光洁度、防腐蚀和裙边（摩擦）涂层以及制造说明来开发CAD模型和工程图。制定原型活塞的质量检验和批准过程要求。所需的交付物包括发动机测试报告、活塞温度分析、CAD模型、工程图，以及交付符合政府规格的原型活塞。
第三阶段：进一步开发用于商用发动机的先进柴油发动机活塞，并演示多缸发动机的活塞开发。可以预见，该技术也将使未来的商用柴油发动机高效化，特别是在显示出50％的发动机制动热效率的车辆中。
3D科学谷Review
尽管，在车辆制造领域越来越多的目光转向了电动汽车领域，但从技术角度上来看，3D打印技术为内燃机开辟了设计优化、性能优化的新机遇，或将激发出内燃机车辆的新活力。
根据3D科学谷的市场观察，3D打印活塞在民用汽车制造领域已进入了小批量生产阶段，这一里程碑式的应用是由保时捷与汽车零部件制造商马勒（Mahle）和金属3D打印设备制造商Trumpf （通快）共同推动的。
保时捷的3D打印活塞是为911 GT2 RS双涡轮增压发动机生产的，关于活塞的设计优化思路，增材制造生产情况，请前往《保时捷里程碑式3D打印活塞背后的设计优化思路》。更多3D打印技术在动力装备制造领域的应用，请前往《3D打印助力动力装备发展报告》。
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