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WMEM|汽車發(fā)動機(jī)輕量化途徑及工藝創(chuàng)新
WMEM|汽車發(fā)動機(jī)輕量化途徑及工藝創(chuàng)新
汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)能減排的重要途徑，已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流。研究表明，汽油乘用車每減重100kg將節(jié)油0.39L/100km；汽車質(zhì)量每降低10%，可降低油耗6-8%，排放下降4%。
發(fā)動機(jī)的重量在乘用車整車中占12%左右。發(fā)動機(jī)的輕量化，可以提高汽車動力性、節(jié)省材料、降低成本，并涉及整車的質(zhì)量分布。發(fā)動機(jī)的輕量化必須保證在以工作可靠性和整車安全性為前提下，通過材料、工藝、結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)達(dá)到輕量化目標(biāo)。
一、發(fā)動機(jī)輕量化途徑
發(fā)動機(jī)輕量化技術(shù)途徑是通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和使用輕質(zhì)材料。
（1）通過拓?fù)鋬?yōu)化分析相關(guān)零件結(jié)構(gòu)并進(jìn)行尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化，降低零件重量并同時降低零件成本。
（2）通過不同零件功能組合，進(jìn)行零件模塊化設(shè)計(jì)，減少零件數(shù)量，提高模塊通用性。
（3）采用先進(jìn)的輕量化材料技術(shù)、加工設(shè)備及成型工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)汽車發(fā)動機(jī)產(chǎn)品零件的輕量化。
（4）在具體實(shí)施的過程中應(yīng)采取概念設(shè)計(jì)先行，材料與工藝相輔相成的技術(shù)路線。
二、結(jié)構(gòu)優(yōu)化
目前在發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)行業(yè)里，發(fā)動機(jī)集成化、輕量化是設(shè)計(jì)的主流方向，同時，發(fā)動機(jī)零部件的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和優(yōu)化對裝備和工藝也提出了新的要求。下面列舉幾個結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的例子。
1.氣缸蓋集成排氣歧管
近年來，無論是大眾最新的第三代EA888，還是現(xiàn)代的Kappa，又或是通用最新的Ecotec，在這些發(fā)動機(jī)上都不太容易找到排氣歧管。難道這些發(fā)動機(jī)都不需要排氣歧管嗎？其實(shí)這些發(fā)動機(jī)并沒有將排氣歧管拋棄，而是巧妙地將排氣歧管集合在了發(fā)動機(jī)缸蓋里，這樣從外部看起來發(fā)動機(jī)仿佛就沒有了排氣歧管（圖1紅色部分）。
圖1
由于這項(xiàng)技術(shù)將排氣歧管集成于氣缸蓋內(nèi)，排氣歧管內(nèi)的熱廢氣能夠更好地與缸蓋水套進(jìn)行熱交換，這樣同是采用發(fā)動機(jī)冷卻水來冷卻，相當(dāng)于冷卻系統(tǒng)多了一個熱源，能夠更快地實(shí)現(xiàn)暖機(jī)，減少冷啟動造成內(nèi)部構(gòu)件的摩擦，使發(fā)動機(jī)更快地進(jìn)入高效工作狀態(tài)，從而達(dá)到降低排放，節(jié)省油耗的目的。
由于內(nèi)置式氣缸蓋排氣歧管也起到了簡化發(fā)動機(jī)零部件的作用，從而能讓發(fā)動機(jī)減少3-5kg的重量，同時減少的重量位于發(fā)動機(jī)頂部，所以這對于整車的重心降低是有所裨益的。
日產(chǎn)汽車公司的VR30DDTT發(fā)動機(jī)機(jī)型的氣缸蓋將排氣歧管與原氣缸蓋集成為一體（見圖2）。由此，能在氣缸蓋的排氣出口處布置渦輪增壓器，使得催化器可布置在氣缸蓋附近。其結(jié)果表明，該舉措能大幅提升起動后催化器入口的排氣溫度，使催化劑活性時間減少50%左右。另一方面，在排氣溫度較高的條件下，利用氣缸蓋內(nèi)的散熱能有效降低排氣溫度。
圖2
2.瘦身連桿
EA888發(fā)動機(jī)連桿的結(jié)構(gòu)優(yōu)化也十分明顯,在確保工件強(qiáng)度和剛性的前提下, 其桿部至圍繞大頭孔部分都進(jìn)行了瘦身。若取桿部中截面觀察, 呈清晰的“工”字形。小大頭孔部的上、下端面,在極大多數(shù)情況下都為一組平行面, 經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的這部分形狀變成了鍥形。其他還有若干處也體現(xiàn)了去重、優(yōu)化，如連桿小大頭孔凸緣部分的削薄處理以及取消孔內(nèi)的銅套（見圖3）等。
圖3
3.空心凸輪軸
傳統(tǒng)的一體式凸輪軸采用單一的材料，通過鑄造或鍛造制坯后經(jīng)多工序切削加工而成。而在凸輪軸輕量化工作中，主要是將其空心化。空心凸輪軸有三種方式：加工式空心凸輪軸、鑄造空心凸輪軸、組裝式空心凸輪軸。
上汽大眾EA888采用組合式空心凸輪軸。這種凸輪軸是由鐵基粉末冶金材料制成凸輪，然后用燒結(jié)或機(jī)械的辦法將凸輪固定在空心鋼管上。與鑄鐵件相比，中空裝配式凸輪軸減輕質(zhì)量25-30%，在降低生產(chǎn)成本、提高整機(jī)性能等方面具有傳統(tǒng)凸輪軸無法比擬的優(yōu)勢，越來越受到廣泛關(guān)注和重視，并成為凸輪軸制造技術(shù)的發(fā)展方向。
4.缸體鑄造油道
傳統(tǒng)缸體回油道是通過機(jī)械加工方式從缸體頂部打通到曲軸箱內(nèi)部，對加工刀具的要求較高。同時缸頂較窄油孔直接對著曲軸，溜回的潤滑油直接到高速運(yùn)轉(zhuǎn)的曲軸上，增加了曲軸的阻力。另外，回油道鑄造缸體對增加缸體的整體強(qiáng)度，增加缸體的抗變形能力起到很好作用，缸體就可以做得更緊湊。
發(fā)動機(jī)缸體鑄造成型油道是新型發(fā)動機(jī)的發(fā)展趨勢，這種缸體采用常規(guī)水平澆注很困難，目前采用組芯、立澆工藝較多。立澆工藝有兩種：一種是純組芯工藝，直接澆注，這種方法現(xiàn)場環(huán)境難以保證；第二種是組芯與造型線結(jié)合生產(chǎn)工藝，即建立殼芯生產(chǎn)線。
5.利用3D打印技術(shù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)
雷諾卡車公司新設(shè)計(jì)了一款4缸5L發(fā)動機(jī)，由于一些零部件采用3D打印技術(shù)，其質(zhì)量減少了120kg，并且相關(guān)零部件的耐久性已經(jīng)得到測試驗(yàn)證。截至目前，雷諾卡車公司的工程師已虛擬設(shè)計(jì)了完整的發(fā)動機(jī)，其搖臂和凸輪軸軸承蓋采用金屬3D打印制造，并在臺架上順利地對這款歐Ⅵ發(fā)動機(jī)進(jìn)行了600h的測試。
3D打印制造技術(shù)給內(nèi)燃機(jī)提供了全新的發(fā)展前景，使得制造商可以利用分層材料制造零部件，并減輕裝配操作強(qiáng)度和優(yōu)化發(fā)動機(jī)部件數(shù)量。這種技術(shù)最大的好處是便于整合和優(yōu)化零部件。雷諾卡車公司新開發(fā)的發(fā)動機(jī)，零部件數(shù)量減少200個，相當(dāng)于減少了25％。工程師集成了80個缸體零件和45個缸蓋零件。與此同時，他們還優(yōu)化了交流發(fā)電機(jī)和發(fā)動機(jī)線束的支架。
6.曲軸的輕量化
上汽大眾發(fā)動機(jī)曲軸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，已在技術(shù)允許的情況下把工件的減重、輕量化做到了極致。所采取的主要措施有：減少扇板數(shù)量，從傳統(tǒng)的8片減少到4片；減小扇板的寬度,并進(jìn)行形狀優(yōu)化；縮小主軸頸的尺寸，平均縮小10%，如對兩款系列產(chǎn)品中的一同類型發(fā)動機(jī)（1.6L MPI），EA111機(jī)型的主軸頸外徑為50mm，EA211則減為40mm；在每個連桿軸頸上加鉆了去重孔。其他細(xì)節(jié)上的結(jié)構(gòu)優(yōu)化還有很多。如此，兩者在自重上相比，新一代EA211發(fā)動機(jī)的曲軸重量較之EA111平均要減輕15-20%。
另據(jù)報(bào)道，天津一汽夏利內(nèi)燃機(jī)制造分公司經(jīng)過技術(shù)創(chuàng)新，在國內(nèi)首先開發(fā)出主軸頸、拐頸為空的中空曲軸，使得曲軸重量降低15%。
7.活塞的輕量化
Borgo Nova公司為BMW轎車2.0L 6缸發(fā)動機(jī)開發(fā)了一種輕型X形活塞，在裙部、銷孔座及相應(yīng)膨脹部位呈明顯的X形狀，如圖4所示。左側(cè)表示輕型X形活塞，右側(cè)為傳統(tǒng)收縮窗式活塞。X形活塞重量減輕100g，而其壓縮高度、連桿長度不變，同時活塞摩擦面積減小，從而降低了機(jī)械摩損和單位燃油消耗。整體組裝后，X形活塞比傳統(tǒng)收縮窗式活塞減重96g，即17.0%。
圖4
另一種典型的輕量化活塞為鋼頂鋁裙的鉸接式活塞。它的活塞頂與活塞銷是兩個完全獨(dú)立的零件，活塞頂能相對于裙部做獨(dú)立的自由擺動。隨著活塞直徑的增加，鉸接式活塞顯示出其輕量化優(yōu)勢。當(dāng)活塞直徑D＜80mm時，純鋁活塞質(zhì)量輕；當(dāng)D=80mm時，鋁活塞和鉸接活塞質(zhì)量基本相等；當(dāng)D＞80mm時，鉸接活塞輕20%。另外，鋼頂鋁裙的鉸接式活塞使壓縮高比常規(guī)鋁活塞更小，降低了發(fā)動機(jī)的總高度。
另外，一些發(fā)動機(jī)附件在輕量化方面也有文章可做，如博格華納量產(chǎn)的新型輕量化靜音鏈系統(tǒng)，在鏈條、張緊器、SIFF（Slide In Flat Face）中分別作了材料、設(shè)計(jì)及工藝的優(yōu)化，幫助整個鏈系統(tǒng)減輕重量。其采用8mm/6.35mm新型鏈板材料的齒形鏈，在保持其強(qiáng)度、耐磨性及NVH特性不變甚至提高的情況下，減輕重量提高傳動效率。就鏈條本身而言，減輕25-30%的重量。鏈系統(tǒng)中的張緊器采用了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，減輕10-20%重量。SIFF也減輕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對工藝做了從注塑成形到擠壓成形的優(yōu)化，其重量減輕30-40%。
三、材料創(chuàng)新
發(fā)動機(jī)輕量化在材料方面首先是考慮用鋁合金材料、鎂合金材料替代密度大的鑄鐵材料，在優(yōu)化改進(jìn)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)更強(qiáng)，質(zhì)量更輕。高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼使零件設(shè)計(jì)得更緊湊和小型化，有助于汽車的輕量化，主要應(yīng)用于氣門彈簧、齒輪、漲斷連桿等。鋁合金主要應(yīng)用于氣缸體、缸蓋、活塞、進(jìn)氣管、水泵殼、起動機(jī)殼體、搖臂、發(fā)動機(jī)支架、濾清器底座、齒輪室罩蓋、飛輪殼、油底殼等發(fā)動機(jī)零部件。鎂合金主要應(yīng)用于鏈條室、氣門等。
根據(jù)美國鋁學(xué)會的報(bào)告，汽車上每使用0.45kg鋁就可減輕車重1kg，理論上鋁制汽車可以比鋼制汽車減重40%。
1.鋁合金加工中的工藝創(chuàng)新——缸孔噴涂技術(shù)
隨著汽車朝輕量化方向發(fā)展，鋁合金發(fā)動機(jī)在汽車行業(yè)的應(yīng)用比例越來越高。由于鋁合金的耐磨性和力學(xué)性能不如鑄鐵，因此傳統(tǒng)的鋁合金發(fā)動機(jī)必須鑲嵌鑄鐵缸套，以提高性能。但是鑄鐵缸套的缺點(diǎn)在于缸套和缸體之間的封裝，由于兩種材料熱容性特征不同，會影響鋁質(zhì)發(fā)動機(jī)缸體的耐用性。對此，國外已研發(fā)出一種新的工藝技術(shù)——缸孔噴涂技術(shù)，也可稱為無缸套技術(shù)。
缸孔噴涂技術(shù)是采用熱噴涂技術(shù)（電弧噴涂或等離子噴涂）對經(jīng)過粗化處理的鋁發(fā)動機(jī)缸孔內(nèi)壁噴涂一層合金涂層或者其他復(fù)合材料，取代傳統(tǒng)的鑄鐵缸套（見圖5）。噴涂了涂層后的鋁合金缸體依舊是一體式缸體，涂層的厚度僅有0.3mm，具有降低發(fā)動機(jī)重量、降低缸孔與活塞的摩擦和磨損、提高熱傳導(dǎo)、降低油耗和二氧化碳排放等優(yōu)點(diǎn)。
圖5
2014年，日產(chǎn)在1.6Ｌ 4缸MR16DDT發(fā)動機(jī)上采用了電弧噴涂的氣缸孔鏡面涂覆技術(shù)（MBC），MBC技術(shù)使用電弧噴射工藝替代等離子噴涂工藝。電弧噴射工藝可在氣缸工作表面上形成許多小的氣孔，即使沒有進(jìn)行珩磨網(wǎng)紋槽加工，這些氣孔也會儲有潤滑油。其結(jié)果表明，采用表面粗糙度為Ra0.05μm級的鏡面精加工，除了能提高抗爆燃性能之外，對于降低氣缸孔與活塞間的摩擦也有良好效果。
2.蠕墨鑄鐵缸體缸蓋
蠕墨鑄鐵是一種高強(qiáng)度材料，它的力學(xué)性能和鑄造工藝性能介于灰口鑄鐵和球墨鑄鐵之間，很適合制造強(qiáng)度要求較高、且要求承受熱循環(huán)負(fù)荷的零件，如氣缸體、氣缸蓋。蠕墨鑄鐵的高強(qiáng)度，說明汽缸可以在壓力更高的環(huán)境下工作，更容易實(shí)現(xiàn)尾氣排放的要求；其次，發(fā)動機(jī)更能滿足輕量化的需求，更具緊湊性，從而更符合重型柴油機(jī)缸體材料的發(fā)展趨勢。一臺裝配好的蠕墨鑄鐵發(fā)動機(jī)的重量一般要比灰鑄鐵發(fā)動機(jī)輕9%左右。
國6階段的技術(shù)升級重點(diǎn)表現(xiàn)在熱效率、爆壓，噴射壓力的提升，后處理技術(shù)多樣化，動力多元化發(fā)展等領(lǐng)域。進(jìn)一步提升發(fā)動機(jī)熱效率，是未來5-10年國內(nèi)外發(fā)動機(jī)技術(shù)持續(xù)改進(jìn)的重要方向之一。國6階段中國柴油機(jī)行業(yè)熱效率為46-48%，國6后將提升為50-55%。蠕墨鑄鐵的大量應(yīng)用將助推國6階段的技術(shù)升級。現(xiàn)在，國內(nèi)幾個大型柴油機(jī)企業(yè)開始批量應(yīng)用蠕墨鑄鐵缸體缸蓋。
但蠕墨鑄鐵加工比較困難，對刀具的要求較高。造成蠕墨鑄鐵難以加工的原因主要有以下幾個方面：
（1）蠕墨鑄鐵熱傳導(dǎo)率較低，加工時產(chǎn)生的切削熱積聚在工件中，加劇刀具磨損。
（2）蠕墨鑄鐵零件的鑄造硬皮具有鐵素體結(jié)構(gòu)，容易與刀具切削刃發(fā)生粘結(jié)作用。
（3）與灰鑄鐵不同，蠕墨鑄鐵中不含硫化物，無法像灰鑄鐵中的硫化物一樣，可以沉積到刀具切削刃上對刀具起到潤滑作用。
（4）在蠕墨鑄鐵的鑄造工藝中，加入了鈦?zhàn)鳛楹辖鹪兀瑫a(chǎn)生了強(qiáng)度較高的鑄造外皮，同時在整個鑄件中形成了具有磨蝕性的游離碳化物，也對其可加工性以及刀具壽命產(chǎn)生不利影響。
（5）蠕墨鑄鐵強(qiáng)度較高，一般要比灰鐵加工高30%左右的切削功率。
由于上述原因，用于切削蠕墨鑄鐵的刀具壽命通常只有切削灰鑄鐵刀具壽命的一半，甚至更低。
3.非金屬材料的應(yīng)用
發(fā)動機(jī)材料大部分為優(yōu)質(zhì)鑄鐵、結(jié)構(gòu)鋼或鋁合金，但隨著材料技術(shù)的發(fā)展，一些復(fù)合材料也開始在發(fā)動機(jī)上應(yīng)用。
發(fā)動機(jī)油底殼作為儲油槽的外殼，用于收集和儲存潤滑油并保證散熱。目前，絕大多數(shù)的汽車油底殼主要為沖壓成型的鋼制油底殼或壓鑄成型的鋁合金油底殼，但也有部分企業(yè)開始應(yīng)用玻纖復(fù)合材料。
玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料的密度比鋼材和鋁合金的密度都要小，所以能夠有效降低零部件的質(zhì)量，而且通過注塑成型可以實(shí)現(xiàn)收集器、機(jī)油濾清器及機(jī)油擋板等的集成，進(jìn)一步減少空間占用、生產(chǎn)制造費(fèi)用和裝配費(fèi)用。從汽車輕量化的角度出發(fā)，與鑄鋁油底殼相比，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料注塑成型油底殼的質(zhì)量降低了37.16%，實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)。
另外，氣歧管塑料化也是汽車輕量化的要求。塑料進(jìn)氣歧管不僅質(zhì)輕，而且由于內(nèi)壁光滑，可改進(jìn)氣體流動性，提高氣體流量，進(jìn)氣效率高，隔熱效果好，因而能提高發(fā)動機(jī)性能和燃料利用率。由于焊接技術(shù)的提高，可制作從簡單到復(fù)雜的塑料進(jìn)氣歧管，把復(fù)雜的進(jìn)氣歧管分片注塑成型，利用振動摩擦焊接組焊成型。分片注塑結(jié)構(gòu)工藝優(yōu)化，可降低模具成本，避免注塑制品缺陷，提高制品性能。
四、結(jié)語
發(fā)動機(jī)輕量化是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它涉及到從設(shè)計(jì)到材料，再到工藝等多個方面。相對整車輕量化來講，發(fā)動機(jī)輕量化要求更高，實(shí)施起來更加困難。不僅如此，發(fā)動機(jī)零件眾多，特別是排放升級，發(fā)動機(jī)增加了一些必要的外附件，每增加一個部件都會增加發(fā)動機(jī)的自重。因此，發(fā)動機(jī)輕量化會面臨更多的挑戰(zhàn)。
來源：《世界制造技術(shù)與裝備市場（WMEM）》雜志2019年第3期
作者：趙宇龍 中國汽車工程學(xué)會
