綠色制造在內(nèi)燃機行業(yè)的應用實踐

（上海大眾動力總成有限公司，上海201807）

綠色制造在內(nèi)燃機行業(yè)的應用實踐

朱正德

（上海大眾動力總成有限公司，上海201807）

現(xiàn)今，輕量化與綠色制造已成為內(nèi)燃機、汽車等行業(yè)發(fā)展過程中的一種趨勢，且兩者之間有著密不可分的關系。本文以其中的大總成發(fā)動機為例，介紹了企業(yè)是如何通過2種不同途徑來實現(xiàn)零部件的輕量化，以及由此帶來的在很大程度上體現(xiàn)了綠色制造理念的生產(chǎn)工藝的轉變和技術上的提高。雖然文中列舉和進行的分析僅是個案，但充分反映了這種趨勢。

輕量化綠色制造浸滲與監(jiān)控微量潤滑技術

1 什么是“綠色制造”？

“綠色”作為一個泛用詞匯，現(xiàn)今已大量用于各個領域。人們所追求的“綠色建筑”、“綠色食品”乃至“綠色”產(chǎn)品真是林林總總，不一而足。那么，什么又是“綠色制造”呢？大多數(shù)人認為那主要是指在執(zhí)行時對環(huán)境的污染較小的那些生產(chǎn)工藝，但這種看法顯然有些偏頗。事實上，它的范圍要寬泛得多，其它凡有利于節(jié)約成本、降低資源消耗的工藝均在此列，其中當然也包括很多服務于輕量化零部件的制造技術。

如何來看待減輕一臺內(nèi)燃機自身重量的意義呢？以一臺誕生于2010年中期的新一代小排量汽油發(fā)動機與其前一代同類產(chǎn)品的對比為例，由于前者更多地采用了如鋁合金一類的輕質材料，在零部件的模塊化和結構優(yōu)化上也有了很大的突破，故其重量整整輕了22 kg，即減輕達18%，而燃油消耗也相應地下降了8%～10%。再從兩者的碳排放水平來看，減排效果也很明顯，前者每公里CO2的排放量可減少10 g左右。

2 內(nèi)燃機的輕量化及其主要途徑

內(nèi)燃機的輕量化主要通過選用鋁合金、鎂合金、工程塑料等輕質材料作為結構材料，和對發(fā)動機的零件進行結構優(yōu)化，以及功能相近部件的集成化、模塊化這樣兩個途徑來實現(xiàn)?？陀^地說，內(nèi)燃機，特別是轎車發(fā)動機的輕量化已持續(xù)很長一段時間了，即使不少20世紀80、90年代才批量生產(chǎn)的汽車企業(yè)，從其產(chǎn)品及發(fā)展中也都能看出。但那個時期的輕量化主要還是體現(xiàn)在部分零部件選用輕質材料替代傳統(tǒng)材料方面，典型的例子就是將鋁合金較多地應用于中小排量發(fā)動機氣缸蓋和進氣歧管等零部件的制造上。之后，進氣歧管又出現(xiàn)了以玻纖增強尼龍一類工程塑料替代已采用多年的鋁合金的趨勢，而各類罩（殼）蓋、油底殼等也已較多地選用了鋁合金、工程塑料。

雖然至今在以德國大眾不久前推出的新系列中等排量及以上的發(fā)動機中仍采用鑄鐵缸體，然而正是出于輕量化的考慮，其缸體采取了薄壁鑄造技術。從而在確保發(fā)動機強度和性能的前提下有效地降低了重量。此外，大眾汽車的產(chǎn)品部門還對發(fā)動機中任何一個可能降低重量的部件都潛心開發(fā)。比如：在1.8TSI/2.0TSI新系列渦輪增壓燃油直噴發(fā)動機中，采用了一個鋁合金附件支架來組合安裝發(fā)電機、空調壓縮機、皮帶張緊器、機油濾清器等多個部件。這種設計與傳統(tǒng)發(fā)動機每個零件都單獨使用一個支架相比，大幅降低了重量。而通過減少零件數(shù)量還降低了用戶的成本，維護更換也更為方便。

德國大眾汽車的“藍色驅動技術”項目是一系列節(jié)能、環(huán)保、面向未來的先進汽車技術的集合，而誕生于2010年中期的新一代的EA211小排量汽油發(fā)動機系列就是上述“藍驅”項目的一個重要組成部分。由于采用了諸多新穎的發(fā)動機技術和結構上的輕量化和優(yōu)化措施，使EA211較之早幾年的EA111在綜合性能上，包括能耗、減排上都有了明顯的提升，相比人們熟悉的20世紀80、90年代大眾系發(fā)動機更是不可同日而語。

新系列EA211的發(fā)動機中，那些主要零件都體現(xiàn)出了輕量化，如：全鋁氣缸體、經(jīng)結構優(yōu)化后的曲軸（見圖1）、連桿（見圖2）等，從與之對應的EA111工件的對比可以看出之間的鮮明差異。EA211發(fā)動機系列產(chǎn)品中首次采用了鋁合金氣缸體，以替代傳統(tǒng)的灰鑄鐵氣缸體。

迄止20世紀80、90年代，在德國大眾的主流產(chǎn)品中，以EA113、EA188、EA827等系列為代表的中、小排量發(fā)動機所采用的仍然都是整體式四氣門和五氣門凸輪軸，一般選擇的材料都為冷激鑄鐵。但為了有效地減輕重量，自20世紀90年代末起，無論是排量為1.8和2.0的EA888系列，還是排量為1.4和1.6的EA111系列，更不用說最新一代的EA211系列，采用的都是輕量化的裝配式中空凸輪軸。為此，執(zhí)行了全新的裝配式毛坯件制造工藝，方法是將預制凸輪和相關部件裝配到一根鋼管上，焊接固定其軸向和角向位置（見圖3）。

圖1 EA111和EA211系列發(fā)動機曲軸對比

圖2 EA111（上）和EA211（下）連桿對比

圖3 裝配式中空凸輪軸

再剖析一下EA211曲軸（見圖1）的結構優(yōu)化?？梢赃@樣講，設計開發(fā)部門已經(jīng)在技術允許的情況下，通過工件減重以達到輕量化做到了極致。采取的主要措施有以下一些：

（1）減少平衡塊數(shù)量，從傳統(tǒng)的8塊減少到4塊；

（2）減小平衡塊寬度，并進行形狀優(yōu)化；

（3）縮小主軸頸的尺寸，平均縮小10%；EA111機型曲軸的主軸頸外徑為Φ50 mm，EA211減小為Φ45 mm；

（4）在每個連桿軸頸上加鉆了去重孔。

其他細節(jié)上的結構優(yōu)化就更多了，如改變過渡部位的形狀，采取圓角優(yōu)化，增加多處凹坑等等。如此，兩者在自重上相比，新一代EA211的曲軸重量較之EA111平均要減輕15%～20%。

3 輕量化產(chǎn)品戰(zhàn)略和綠色制造理念推動內(nèi)燃機制造技術發(fā)展

3.1 完善輕合金零件的制造工藝及監(jiān)控措施

相比鑄鐵，鋁合金等輕質材料在形成鑄件過程中較易引起內(nèi)部缺陷。內(nèi)部缺陷往往會在機加工時暴露出來，從而導致滲漏過大而產(chǎn)生廢品。有時還會是批量的，從而造成工時、原材料和能源的嚴重浪費。為此，目前使用最為普遍的一種有針對性地工藝措施就是浸滲處理。所謂“浸滲”，就是指：在一定條件下把浸滲劑滲透到鋁合金等輕質材料鑄件的微孔隙中，在經(jīng)過了固化之后，可以使?jié)B入孔隙中的填料與鑄件孔隙內(nèi)壁連成一體，堵住微孔，使零件能滿足加壓、防滲、防漏等條件的一種工藝技術。但為了對零件的狀態(tài)及下一步的處理方法作出正確判斷，仍然需要通過泄漏檢測的方式以進行驗證。下面就以某小排量發(fā)動機的鋁缸體為例，對這一過程予以說明。

該工件在進入中間清洗工位之前，已經(jīng)完成了全部粗加工工序，而在執(zhí)行下一道安裝主軸承蓋、以及之后的各道精加工工序之前，設置了如圖4所示的一個密封測試工位。該工位除了對鋁缸體的低壓油道、水道和高壓油道進行泄漏檢測，以檢驗它們的密封性外，也相當于設立了一道關口，根據(jù)測得的泄漏值來決定是否需要對這個工件實施浸滲處理。

圖4 鋁缸體浸滲處理的界定、認可說明

從表1可見，對工件而言，所設定的甄別界限共有二項，第一項是被檢部位的泄漏率，以低壓油道為例，泄漏率為30 mL/min。第二項甄別界限是以這個被檢部位為對象，判別該鋁缸體雖然存在泄漏，是否有通過浸滲處理進行補救的必要。

表1 根據(jù)泄漏測得值確定的浸滲甄別界限

3.2 采用體現(xiàn)綠色制造理念、環(huán)保節(jié)能的微量潤滑技術

微量潤滑技術的應用，在國外一些工業(yè)強國始于20世紀90年代末，開始時僅限鑄件加工領域，此后才逐漸擴展到鋼件和鋁制件。但這項與綠色制造理念相吻合的先進工藝在國內(nèi)制造業(yè)進入實用階段則還是近幾年的事。使用微量潤滑的初衷之一就是構建一個潔凈的工作環(huán)境。顯然，由于沒有油膩濕滑的地面、且所有切屑都是干燥的，因此，只需每隔2到3周對機床進行一次清潔就足夠了。第二個初衷是以之前幾乎不可想象的力度達到了節(jié)約和保護資源的目標，而冷卻潤滑劑使用量大幅度降低，以及制備和廢棄處理工作量的大大減少也真正實現(xiàn)了相當環(huán)保的“綠色”生產(chǎn)。

以某汽車發(fā)動機廠的缸蓋生產(chǎn)線為例：單臺加工中心處于循環(huán)的冷卻潤滑液約為400 L/min，若按20臺機床算，則需從相應的流體回路中攝取8 000 L/min潤滑液。為此就需要使用容量高達350 m3的冷卻潤滑液設備，以及用于放置所需的場地，算下來生產(chǎn)一個缸蓋的消耗量約4.3 L。而在應用微量潤滑時，僅7～10 mL就足夠了，尤其是若每臺機床有兩個主軸，則每個主軸每小時所用的僅略微多于每軸每小時17 mL。此外，在生產(chǎn)過程中所采用的“在兩個加工間歇中切斷潤滑劑輸送”的技術有效地節(jié)約了資源，還明顯減少了用水量。由于省去了冷卻潤滑液系統(tǒng)回路的循環(huán)泵，同時用于部件清潔和切屑干燥的資源消耗量也急劇減少，因此生產(chǎn)過程的總能源需求量得以顯著降低。

在曲軸的粗加工階段，加工深孔即斜油孔是一道十分重要的工序。迄至本世紀初，即使在一些國內(nèi)一線的、主流汽車發(fā)動機企業(yè)，所采取的依然是“槍鉆”這種已沿用多年的傳統(tǒng)工藝，正因為它具有高效可靠等特點，至使在很多工廠里現(xiàn)今仍被采用。但隨著對環(huán)保、綠色制造的考量和日益重視，其投入和使用成本高，在加工過程中冷卻（潤滑）液的消耗量大等種種不足也引起更大關注。于是一些在技術理念上領先的企業(yè)在做新的生產(chǎn)線或新的生產(chǎn)能力的規(guī)劃時，就一改原來的槍鉆為“高速深孔鉆”工藝，從而為利用了微量潤滑技術創(chuàng)造了條件。

執(zhí)行槍鉆工藝時，采用的是傳統(tǒng)潤滑方式，單單一套體積龐大的潤滑冷卻系統(tǒng)就十分昂貴，且后續(xù)的使用成本也相當高。另一方面，還必須有大流量、高壓力、高過濾精度的潤滑冷卻液，否則就會影響油膜的建立并造成排屑的困難。這主要是與經(jīng)過槍鉆加工后的孔壁會呈現(xiàn)一定程度的螺旋狀密切相關。此種表面形狀對排屑造成不利影響，在曲軸斜油孔這樣的徑長比很大的孔的加工中顯得就更突出了，參見圖5。另外，因為槍鉆是偏心的，故必須配有鉆套，而采取微量潤滑后，改為雙刃高速鋼麻花鉆就不再需要鉆套。進而，由于微量潤滑的油霧本身質量就很小，且因加工中受力對稱，形成的孔壁就較光滑，見圖6。相應的工藝試驗則表明，應用微量潤滑還明顯地改善了工件清潔度。這是因為此時切屑將更容易在加工中排出，有利于切屑回收，而且在清洗過程中也更不易殘留。事實上，這種切削可以認為是準干式的，相比傳統(tǒng)方式不但使用成本更低，且霧化的潤滑油也更利于油膜的建立。

3.3 改進加工工藝、加強現(xiàn)場管理以精減清洗工序

隨著對產(chǎn)品清潔度的日益重視，生產(chǎn)線上的清洗工序也受到了更多的關注，尤其是象發(fā)動機中的那些關鍵零件。但另一方面清洗工序產(chǎn)生的大量的、必須予以處理的污水對那些有社會責任心的企業(yè)形成了壓力。為此，近年來一些主流汽車發(fā)動機廠在規(guī)劃新生產(chǎn)線時，出現(xiàn)了通過采用或改進相關加工工藝，以及加強現(xiàn)場管理，以達到精減所設置清洗工序數(shù)量的趨勢。仍以一家技術理念領先的企業(yè)為例，不同于其建廠時的“一期規(guī)劃”，在之后的生產(chǎn)綱領更大的二期、三期中，他們在考慮相應的連桿、曲軸2條生產(chǎn)線清洗工序的設置時，相比國內(nèi)極大部分同類企業(yè)、乃至自身較早的“一期”都有明顯減少，體現(xiàn)在兩個方面：

（1）取消了連桿生產(chǎn)線的終清洗工位（全線已無清洗工序）；

（2）取消曲軸生產(chǎn)線的中間清洗工位（全線只有終清洗工位）。

事實上，就如前所述，正因為在曲軸的粗加工階段，將加工深孔的方式由采用傳統(tǒng)的槍鉆工藝改變成雙刃高速鋼深孔麻花鉆方式，并有效地利用了微量潤滑技術的同時，還明顯地改善了工件清潔度，這也為取消曲軸生產(chǎn)線的中間清洗工提供了條件。

Application and Practice of Green Manufacture in Internal Combustion Engine

Zhu Zhengde
（Shanghai Volkswagen Powertrain Co.,Ltd,Shanghai 201807,China）

Now light weight and green manufacture have become a development direction in internal combustion engine and automobile industries.Light weight and green manufacture are integrated.How to achieve engine components of light weight with two different methods and how light weight design bringing green manufacture concept to processing change and processing technology advancement are explained with some examples of Volkswagen engines.Though individual,these examples given here do reflect such trend.

light weight,green manufacture,impregnation and control,micro-lubricating technology

圖5 槍鉆加工后的孔壁

圖6 雙刃麻花鉆加工后的孔壁

來稿日期：2013-12-30

朱正德（1945-），男，教授級高級工程師，主要研究方向為計量與檢測。

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.03.008