現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)增材制造技術(shù)

德B.LINDEMANN S.GHETTI R.BEY C.KAYACAN

摘要

基于輕型發(fā)動(dòng)機(jī)LeiMot研究項(xiàng)目，F(xiàn)EV公司與其合作伙伴共同開發(fā)了全新的研究方法，采用了通過(guò)增材制造（AM）技術(shù)生產(chǎn)的大型發(fā)動(dòng)機(jī)部件，同時(shí)擴(kuò)大了塑料應(yīng)用范圍，減輕整機(jī)質(zhì)量，并優(yōu)化了其功能。

關(guān)鍵詞

內(nèi)燃機(jī);增材制造技術(shù);塑料;曲軸箱;冷卻

0 前言

通過(guò)采用最新的傳統(tǒng)制造工藝，研究人員對(duì)以全鋁設(shè)計(jì)的現(xiàn)代乘用車汽油機(jī)和柴油機(jī)的成本和質(zhì)量進(jìn)行了優(yōu)化。近年來(lái)，這些發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量功率比有了進(jìn)一步優(yōu)化。3缸和4缸發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量功率比約為1.1 kg/kW[1]。這一特征代表了材料特性、負(fù)荷曲線和結(jié)構(gòu)利用率在既定制造邊界條件下的平衡。這表明傳統(tǒng)制造工藝無(wú)法進(jìn)一步減輕整機(jī)質(zhì)量。在材料及負(fù)荷曲線相似或相同的情況下，研究人員將傳統(tǒng)制造工藝替換為激光粉床熔化（LPBF）技術(shù)，從而可進(jìn)一步減輕整機(jī)質(zhì)量。

在由德國(guó)聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)與能源部（BMWi）支持的輕型發(fā)動(dòng)機(jī)LeiMot研究項(xiàng)目中，F(xiàn)EV公司將LPBF工藝用于氣缸蓋和曲軸箱的開發(fā)進(jìn)程中。研究人員選擇大眾公司EA288 evo系列2.0 L渦輪增壓直噴（TDI）柴油機(jī)作為基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)，并進(jìn)行了一系列優(yōu)化，使開發(fā)出的新組件符合替代理念。針對(duì)該項(xiàng)目中采用增材制造（AM）技術(shù)的鋁部件的特點(diǎn)，研究人員選用了該工藝過(guò)程中最常用的AlSi10Mg材料。增材制造技術(shù)具有更高的自由度，不僅可以減少整機(jī)質(zhì)量，還可用于改善發(fā)動(dòng)機(jī)功能。

在開發(fā)LeiMot研究項(xiàng)目時(shí)，氣缸蓋和曲軸箱的設(shè)計(jì)從概念到制造過(guò)程（包括校準(zhǔn)和后處理）始終遵循增材制造技術(shù)的邊界條件[2]。

此外，熱固性注塑成型工藝的應(yīng)用也是開發(fā)目標(biāo)之一。為了合理使用該工藝，研究人員需要開發(fā)1種合適的曲軸箱概念?？捎玫牟牧蠟榛诓ＡЮw維增強(qiáng)酚醛樹脂而開發(fā)的纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料（FRP）。

1 組件概念

研究人員首先對(duì)氣缸蓋和曲軸箱進(jìn)行了功能分解。通過(guò)該方式，研究人員可以分析每個(gè)功能，并可以根據(jù)給定的邊界條件進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。此外，研究人員需要確保LeiMot氣缸蓋能與大眾曲軸箱實(shí)現(xiàn)相互兼容。同時(shí)，研究人員必須保留參考發(fā)動(dòng)機(jī)的重要接口和組件，尤其是曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)及換氣組件。

研究人員通過(guò)專門的設(shè)計(jì)方法，使厚度不大于2 mm的材料實(shí)現(xiàn)了冷卻、潤(rùn)滑及換氣等功能，晶格結(jié)構(gòu)的厚度明顯小于2 mm。與傳統(tǒng)的鑄造工藝相比，該方法可以根據(jù)負(fù)荷的不同而采用多種壁厚參數(shù)，且不會(huì)存在與傳統(tǒng)制造相關(guān)的結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)。

2 氣缸蓋

研究人員將開發(fā)重點(diǎn)首先放在氣缸蓋總體結(jié)構(gòu)上，以便有針對(duì)性地對(duì)高機(jī)械應(yīng)力區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)。燃燒過(guò)程會(huì)導(dǎo)致彎曲應(yīng)力的出現(xiàn)，并使發(fā)動(dòng)機(jī)總成承受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。因此氣缸蓋結(jié)合了采用雙T形梁（IPB）的閉口剪切盒（圖1）[3]。該款最新設(shè)計(jì)的氣缸蓋質(zhì)量約為8.5 kg，比參考?xì)飧咨w輕約22%。

3 曲軸箱與底板

在隔板之間，研究人員為曲軸箱設(shè)計(jì)了水平支承結(jié)構(gòu)。如果沒(méi)有采用局部加固的功能組件（例如水通道或油道等），則可通過(guò)十字肋加固開放式結(jié)構(gòu)。此外，研究人員通過(guò)采用2條連接管，加固了平衡軸區(qū)域的隔板（圖2）。

出于對(duì)質(zhì)量和剛度等方面的考慮，研究人員將參考發(fā)動(dòng)機(jī)的深裙式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案調(diào)整為配備有鋁制底板的短裙式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。由于采用了鋁制底板，發(fā)動(dòng)機(jī)省去了重型鋼制主軸承蓋，同時(shí)曲軸箱下半部得到了加固。與帶有鋼制主軸承蓋的同類曲軸箱相比，該設(shè)計(jì)方案可使整機(jī)質(zhì)量減輕約2 kg。

研究人員通過(guò)采用拓?fù)浞椒ǎ瑢?duì)組件的主要流動(dòng)路徑進(jìn)行了優(yōu)化分析，并為隔板外部等低應(yīng)力區(qū)域設(shè)計(jì)出了空腔和晶格結(jié)構(gòu)（圖2）。上述分析為受熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷影響下的組件邊界優(yōu)化過(guò)程提供了基礎(chǔ)，研究人員后續(xù)將在項(xiàng)目中開展深入研究。

研究人員通過(guò)對(duì)氣缸蓋和曲軸箱底板的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，得出了相應(yīng)的評(píng)估結(jié)果，該款標(biāo)準(zhǔn)符合系列產(chǎn)品的開發(fā)要求。

對(duì)于接近極限的輕型設(shè)計(jì)方案而言，研究人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)材料特性進(jìn)行了深入了解。由于該款材料有著特殊的微觀結(jié)構(gòu)，通過(guò)AM技術(shù)生產(chǎn)的部件的機(jī)械性能與通過(guò)傳統(tǒng)鑄造工藝制成的部件的機(jī)械性能之間，存在著顯著差異[4]。因此，研究人員通過(guò)樣本研究了AM技術(shù)所采用的材料在不同溫度條件下的多項(xiàng)機(jī)械性能，并將結(jié)果用于計(jì)算過(guò)程中。

在機(jī)械應(yīng)用中，采用晶格結(jié)構(gòu)（圖2）會(huì)大幅增加有限元（FE）模型的復(fù)雜性，從而延長(zhǎng)了計(jì)算時(shí)間。因此，在整體模型的計(jì)算過(guò)程中，研究人員通過(guò)簡(jiǎn)化的替代元素表示晶格結(jié)構(gòu)，這些替代元素具有與所用晶格結(jié)構(gòu)相同的機(jī)械性能。

4 冷卻

LeiMot研究項(xiàng)目采用了橫流冷卻的概念，其目的是有針對(duì)性地對(duì)各個(gè)氣缸進(jìn)行冷卻，同時(shí)減少冷卻液的流量。由于發(fā)動(dòng)機(jī)在冷起動(dòng)期間的熱慣性較低，所以加熱時(shí)間較短。氣缸蓋的各條管道采用了規(guī)定的直徑（要道冷卻），可使冷卻液繞氣門座圈和噴油器軸進(jìn)行流動(dòng)（圖3）。冷卻系統(tǒng)所引入的熱量會(huì)在高溫點(diǎn)處被直接吸收，并以較高流速進(jìn)行傳輸。與具有更大容量的水套相比，這些管道的優(yōu)點(diǎn)是增加了燃燒室板的剛度。為了在采用較少冷卻液的情況下對(duì)排氣道區(qū)域進(jìn)行充分冷卻，研究人員在排氣道周圍布置了厚度為5 mm的水套（圖3）。此外，這種設(shè)計(jì)還能對(duì)熱負(fù)荷較高的排氣側(cè)氣門導(dǎo)管進(jìn)行充分冷卻。與熱力有限元分析進(jìn)行對(duì)比可知，采用相同的水泵，氣缸蓋燃燒室板的溫度最多可降低40 ℃（圖4）。這意味著該設(shè)計(jì)方案可以降低水泵的驅(qū)動(dòng)功率，同時(shí)還可以縮短暖機(jī)時(shí)間。即使流經(jīng)氣缸蓋和曲軸箱的冷卻液總流量減少了40%，其最大壁溫仍遠(yuǎn)低于采用傳統(tǒng)水套的參考發(fā)動(dòng)機(jī)的壁溫。

為進(jìn)一步改善曲軸箱的冷卻性能并使氣缸溫度實(shí)現(xiàn)均勻分布，研究人員在缸套間采用了寬2 mm，高3 mm的橢圓形冷卻通道，以此對(duì)內(nèi)孔進(jìn)行冷卻。此外，水套內(nèi)部為經(jīng)過(guò)充分優(yōu)化的晶格結(jié)構(gòu)（圖3）。該結(jié)構(gòu)擴(kuò)大了傳熱面積，改善了冷卻液流動(dòng)過(guò)程，并提高了氣缸剛度。改善后的缸套冷卻系統(tǒng)可使缸套變形更為均勻，并能相應(yīng)改善摩擦和漏氣現(xiàn)象。

5 機(jī)油循環(huán)

研究人員采用機(jī)油循環(huán)概念的主要目標(biāo)是減少壓力損失，以便使發(fā)動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行和冷起動(dòng)期間，具有更強(qiáng)的性能優(yōu)勢(shì)。通過(guò)采用AM技術(shù)，研究人員設(shè)計(jì)出了無(wú)明顯偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象的新型油道方案（圖5）。氣缸蓋和曲軸箱中的油道（直徑范圍為3～8 mm）可實(shí)現(xiàn)直接打印。彎曲的通道和平緩變化的橫截面會(huì)使氣缸蓋和曲軸箱內(nèi)部管道系統(tǒng)的壓力損失降低約22%。

研究人員通過(guò)采用反向虹吸管，以防止主油道在非工作時(shí)間排放機(jī)油，從而改善了冷起動(dòng)期間的配氣機(jī)構(gòu)組件的供油效果（圖5）。

最初的拓?fù)溲芯勘砻?，帶有空心隔板的曲軸箱具有足夠高的剛度。隨后，研究人員對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了調(diào)整，將曲軸箱的中空部分設(shè)計(jì)為回油通道。

6 排氣道隔熱

AM技術(shù)的設(shè)計(jì)自由度有利于研究人員直接將各種結(jié)構(gòu)集成到生產(chǎn)過(guò)程中。研究人員有針對(duì)性地對(duì)具有氣隙和較少導(dǎo)熱橫截面的絕緣晶格元件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，從而優(yōu)化了排氣道的隔熱效果（圖6），并可減少進(jìn)入氣缸蓋冷卻液的排氣熱量。在額定功率條件下，該隔熱系統(tǒng)可使流入氣缸蓋的熱流量減少5%。這可以縮短排氣后處理系統(tǒng)的預(yù)熱時(shí)間，并提高渦輪入口溫度。

通過(guò)有限元分析，研究人員對(duì)排氣道主要結(jié)構(gòu)的分布情況進(jìn)行了優(yōu)化，目的是在材料邊界范圍內(nèi)使排氣道壁溫實(shí)現(xiàn)最大化，同時(shí)使壁溫分布更均勻。最高壁溫會(huì)達(dá)到約200 ℃，仍遠(yuǎn)低于材料極限溫度。

7 曲軸箱蓋

德國(guó)Fraunhofer化學(xué)技術(shù)研究所的研究人員選用了鋁塑混合設(shè)計(jì)方案，并對(duì)由高性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成的曲軸箱進(jìn)氣側(cè)和排氣側(cè)的側(cè)壁進(jìn)行了優(yōu)化。大量塑料組件是由玻璃纖維增強(qiáng)的酚醛樹脂模制化合物注塑而成。研究人員選擇了熱固性塑料作為材料，這是由于其密度較低，對(duì)油和乙二醇具有較好的耐腐蝕性，同時(shí)具有良好的機(jī)械性能，并能承受較高的工作溫度，幾乎沒(méi)有發(fā)生蠕變的趨勢(shì)[5]。

熱固性側(cè)壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是需要采用功能高度集成的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。冷卻液通道、機(jī)械驅(qū)動(dòng)的水泵、機(jī)油濾清器、機(jī)油冷卻器，以及冷卻液的分配模塊等均集成在該結(jié)構(gòu)中。

研究人員為1款曲軸箱的側(cè)壁選用了玻璃纖維增強(qiáng)酚醛樹脂材料，使其質(zhì)量比采用傳統(tǒng)鋁側(cè)壁的曲軸箱要輕15%，同時(shí)研究人員選用了硅基粘合劑來(lái)密封冷端。與其他粘合劑相比，該粘合劑具有更高的斷裂延伸率，可以補(bǔ)償熱固性塑料與鋁的不同熱膨脹特性。通過(guò)采用自成型螺栓，研究人員直接將冷端的側(cè)壁固定在曲軸箱上。

為了改善噪聲-振動(dòng)-平順性（NVH），研究人員采用了振動(dòng)解耦元件，并將熱端（排氣側(cè)）的側(cè)壁安裝到曲軸箱上。這些解耦元件可通過(guò)螺栓固定在鋁材料上，并通過(guò)彈性體將熱固性側(cè)壁壓緊在曲軸箱上。研究人員采用彈性密封件對(duì)熱端與曲軸箱進(jìn)行了密封。熱端和冷端采用了不同的連接技術(shù)，研究人員由此可以在LeiMot原型機(jī)的基礎(chǔ)上比較這2種連接技術(shù)。

8 聲學(xué)

在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，局部較弱的結(jié)構(gòu)元件具有較高的振動(dòng)幅度，這對(duì)輕型發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目是1項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。針對(duì)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的計(jì)算表明，研究人員需要加強(qiáng)曲軸箱的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和剪切運(yùn)動(dòng)。因此，從最初的發(fā)動(dòng)機(jī)概念開始，研究人員就持續(xù)對(duì)其NVH特性進(jìn)行了評(píng)估，并將其結(jié)果用于設(shè)計(jì)和耐久性計(jì)算中[6]。

LeiMot曲軸箱增加了針對(duì)氣門罩和油底殼的輻射現(xiàn)象，而發(fā)動(dòng)機(jī)的主要聲輻射常出現(xiàn)在上述部件中。應(yīng)注意的是，新型曲軸箱側(cè)蓋不會(huì)增加空氣傳播的噪聲輻射。研究表明，分離后的側(cè)蓋與牢固連接的側(cè)蓋之間的差異可忽略不計(jì)，并且不會(huì)產(chǎn)生明顯的共振現(xiàn)象。氣門罩和油底殼的輻射仍占據(jù)主導(dǎo)地位。

研究人員通過(guò)優(yōu)化，使曲軸箱質(zhì)量減少超過(guò)21%，并與空氣A加權(quán)噪聲聲壓級(jí)增加的2.3 dB形成了對(duì)比。減少的質(zhì)量是主要激勵(lì)來(lái)源之一。通過(guò)隔板之間的加強(qiáng)肋和平衡軸周圍的管狀結(jié)構(gòu)，研究人員可以對(duì)附加剪切模式進(jìn)行調(diào)整，從而使固有頻率維持在1 100 Hz左右。

9 結(jié)語(yǔ)

研究人員通過(guò)采用LPBF等新制造工藝，可進(jìn)一步減輕柴油機(jī)質(zhì)量。與現(xiàn)有的大眾EA288 evo系列2.0 L柴油機(jī)相比，LeiMot研究項(xiàng)目可使氣缸蓋和曲軸箱的質(zhì)量減輕約21%。

除了減輕質(zhì)量之外，參與LeiMot項(xiàng)目的研究人員還通過(guò)采用以下措施來(lái)提高整機(jī)效率：（1）減少水泵和機(jī)油泵所消耗的功率;（2）改善活塞-缸套組件的摩擦;（3）通過(guò)排氣道隔熱降低冷起動(dòng)時(shí)的排放;（4）通過(guò)排氣道隔熱提高渦輪增壓器的渦輪功率。

2021年，F(xiàn)EV公司將制造出5個(gè)LeiMot產(chǎn)品原型，并通過(guò)機(jī)械和熱力學(xué)試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)。LeiMot研究項(xiàng)目有力證明了新制造工藝的設(shè)計(jì)可行性。此外，該項(xiàng)目還有助于研究人員探索用于內(nèi)燃機(jī)開發(fā)的新方法。

在中短期內(nèi)，大批量通過(guò)AM技術(shù)生產(chǎn)的組件（例如LeiMot研究項(xiàng)目所開發(fā)的組件）依然很難與大眾市場(chǎng)的傳統(tǒng)制造工藝進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。在飛機(jī)部件制造等小批量生產(chǎn)過(guò)程中，AM技術(shù)已成功應(yīng)用于小型部件中。AM技術(shù)也可以為傳統(tǒng)制造工藝帶來(lái)好處，例如可將用于砂芯的花絲結(jié)構(gòu)集成到傳統(tǒng)鑄造工藝中。

未來(lái)，研究人員還可以采用混合解決方案，將AM技術(shù)與傳統(tǒng)制造工藝結(jié)合在一起，從而進(jìn)一步提升制造品質(zhì)。

參考文獻(xiàn)

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李媛媛 譯自 MTZ，2020，81（12）

伍賽特 編輯

（收稿時(shí)間：2021-05-06）