發(fā)動機輕量化途徑及工藝創(chuàng)新探究

童身亮

摘要：汽車輕量化對于促進汽車節(jié)能減排以及推動汽車行業(yè)可持續(xù)發(fā)展有重要的意義，而發(fā)動機作為汽車中重量最大的部件，通過對發(fā)動機輕量化的途徑進行研究，對相關(guān)的加工制造工藝進行創(chuàng)新，從而能夠提高汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展水平。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機;輕量化;途徑

中圖分類號：U464.04? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）05-0033-02

0? 引言

根據(jù)相關(guān)研究，汽油乘用車的質(zhì)量每降低100kg，百公里就能夠節(jié)省燃油0.39L，而汽車每質(zhì)量降低10%，便能夠節(jié)省燃油6～8%，減少排放將近4%。乘用車中，發(fā)動機的質(zhì)量可以占到12%左右，通過對發(fā)動機進行輕量化的處理，能夠使汽車的動力性得到較大的提升，同時還能夠降低汽車的駕駛成本等。在對發(fā)動機進行輕量化處理的過程中，應(yīng)當(dāng)以可靠性與安全性為前提，通過對結(jié)構(gòu)、工藝以及材料等進行優(yōu)化設(shè)計，從而實現(xiàn)發(fā)動機輕量化的目標(biāo)。

1? 發(fā)動機輕量化途徑

發(fā)動機輕量化主要是從結(jié)構(gòu)與材料上進行，通過采用拓撲優(yōu)化的方法對相關(guān)的零部件結(jié)構(gòu)進行分析，對零件的尺寸以及形狀進行優(yōu)化，從而降低零件的質(zhì)量與成本;通過采用輕量化的材料以及先進的工藝技術(shù)，能夠?qū)Πl(fā)動機中的部分零件進行輕量化處理。在實際執(zhí)行的過程中，應(yīng)將材料與工藝技術(shù)結(jié)合，從而達到最佳的優(yōu)化效果。

2? 結(jié)構(gòu)優(yōu)化途徑

2.1 氣缸蓋集成排氣歧管

通過將排氣歧管集成到氣缸蓋內(nèi)部，能夠?qū)崿F(xiàn)排氣歧管內(nèi)的熱廢氣與缸蓋水套之間良好的熱交換，從而能夠快速的完成暖機，降低由于冷啟動所導(dǎo)致的內(nèi)部零件之間的摩擦，使發(fā)動機能夠在較短的時間內(nèi)達到工作狀態(tài)，進而可以降低油耗減少排放。此外，將氣缸蓋排氣歧管進行內(nèi)置，還能夠使發(fā)動機的質(zhì)量降低3～5kg，并且由于減少的是發(fā)動機頂部的質(zhì)量，因此對降低整車的重心也有較大幫助。

2.2 空心凸輪軸

傳統(tǒng)的凸輪軸為一體式并且使用的材料單一，經(jīng)鍛造或者鑄造后再進行多道切削工序加工完成，重量較大。而通過對凸輪軸進行空心化處理，則能夠在一定程度降低重量。某型號發(fā)動機通過使用的是組合式空心凸輪軸，這種凸輪軸利用鐵基粉末冶金材料做成凸輪，采用滾花過盈連接或者滾花連接的方式將凸輪與空心鋼管固定在一起。相較于鑄鐵件，空心凸輪軸的質(zhì)量能夠降低將近30%，并且成本更低，對整機的性能有較大的提升幫助，比傳統(tǒng)的一體式凸輪軸應(yīng)用性更好。

2.3 缸體鑄造油道

傳統(tǒng)的缸體回油道利用機械加工打通缸體頂部與曲軸箱的內(nèi)部，對加工刀具有著較為嚴(yán)苛的要求，并且由于缸頂較窄的油孔直對曲軸，會使得流回的潤滑油會濺到曲軸上，進而加大了曲軸的運動阻力。而通過采用回油道鑄造缸體，能夠增大缸體的強度以及整個缸體的抗變形能力，使得缸體更加緊湊，從而能夠減小缸體的質(zhì)量。發(fā)動機的缸體采用鑄造成型油道是發(fā)動機發(fā)展的一個重要方向，但如果采用傳統(tǒng)的澆筑方式難度較大，因此研究出了新的澆筑工藝。目前采用的以立澆工藝為主，立澆工藝主要有以下兩種：①純組芯工藝，采用的是直接澆筑的方式，這種工藝不能夠保證現(xiàn)場的環(huán)境，因此應(yīng)用性較差。②將造型線與組芯相結(jié)合的生產(chǎn)工藝，建立殼芯的生產(chǎn)線，這種工藝適用性較高，因此應(yīng)用的比較廣泛。

2.4 適用3D打印優(yōu)化結(jié)構(gòu)

國外的雷諾卡車公司，在設(shè)計一款發(fā)動機的過程中，通過利用3D打印技術(shù)制造發(fā)動機的部分零部件，使得發(fā)動機的整體質(zhì)量減少了將近120kg，同時3D打印的零件其耐久性等已經(jīng)得到測試，能夠滿足發(fā)動機的運行要求。通過對3D打印技術(shù)的進一步研究，雷諾卡車公司的工程師已經(jīng)能夠?qū)Πl(fā)動機進行整體的虛擬設(shè)計，發(fā)動機中的搖臂與凸輪軸的軸承利用的都是3D打印技術(shù)完成制造，并且在臺架上進行了600h的運行測試，相關(guān)性能指標(biāo)能夠滿足要求。通過科學(xué)合理的應(yīng)用3D打印技術(shù)，能夠為發(fā)動機輕量化制造提供新的方向，發(fā)動機的廠家能夠使用分層材料完成部分零部件的制造，從而降低發(fā)動機的裝配操作強度并對發(fā)動機部件的數(shù)量進行較大的優(yōu)化。采用這種技術(shù)具有諸多好處，其能夠?qū)Πl(fā)動機的零部件進行優(yōu)化與整合，雷諾卡車公司通過在發(fā)動機中應(yīng)用3D打印技術(shù)，使發(fā)動機的零部件數(shù)量減少了將近200個，占總數(shù)量的近25%，此外還對80個缸體的零件以及45個缸蓋的零件進行了集成。此外，雷諾卡車公司利用3D打印技術(shù)還對交流發(fā)電機以及發(fā)動機線束的支架進行了一定程度的優(yōu)化，從而使發(fā)動機的重量能夠明顯降低。

2.5 曲軸輕量化

在曲軸輕量化上，上汽大眾相對比較成熟，其在現(xiàn)有技術(shù)條件能夠達到的情況下，將零部件的輕量化工作做到了極致。其主要采取的措施包括：減少扇板的數(shù)量，由原來的八片減少到四片;縮短扇板的寬度并優(yōu)化扇板的形狀;減小主軸頸的尺寸;在連桿軸徑上鉆去重孔。此外，還對過渡部位的形狀進行調(diào)整，采用圓角進行優(yōu)化，并增加多個凹坑等。通過采用上述方式，上汽大眾的某型發(fā)動機曲軸重量相較上一代產(chǎn)品能夠減重15～20%。其他發(fā)動機制造商研究出主軸頸以及拐頸為空的中空曲軸，從而使曲軸的重量能夠減少15%左右。

2.6 活塞輕量化

國外某公司為寶馬的一款發(fā)動機研發(fā)了一種X形的輕型活塞，這種活塞在裙部以及對應(yīng)的膨脹處等都呈現(xiàn)出X形狀。通過采用這種X形的活塞，能使得活塞的質(zhì)量降低100g左右，并且不會改變活塞的壓縮高度以及連桿長度。同時X形活塞的摩擦面積更小，進而能夠減少發(fā)動機工作過程中活塞的機械磨損與燃油的消耗量。完成整體組裝后，相較于傳統(tǒng)的收縮窗式活塞，采用X形活塞能夠減重96g。

還有一種輕量化的活塞為鋼頂鋁裙鉸接活塞，這種活塞的活塞頂與活塞軸相互獨立，活塞頂相對于裙部能夠進行獨立的自由擺動?；钊闹睆皆酱?，鉸接式活塞在質(zhì)量上的優(yōu)勢越明顯。如果活塞的直徑低于80mm，則使用純鋁的活塞較輕;如果活塞的直徑等于80mm，鉸接式活塞與純鋁的活塞質(zhì)量大致相同;如果活塞的直徑超過80mm，則鉸接式活塞更輕，比活塞式輕20%左右。此外，鋼頂鋁裙鉸接活塞的壓縮高比更低，從而能夠使發(fā)動機的總高度有所下降。

通過對發(fā)動機的附件進行輕量化處理，也能夠降低發(fā)動機的質(zhì)量。比如有的企業(yè)對鏈條以及張緊器進行了材料以及工藝上的優(yōu)化，從而使整個鏈條系統(tǒng)的質(zhì)量有一定程度的下降。對鏈條自身來說能夠降低重量25～30%，通過對張緊器進行優(yōu)化設(shè)計，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量能夠降低10～20%。

3? 材料創(chuàng)新

材料在發(fā)動機輕量化上有很重要的應(yīng)用，通常會使用鋁合金以及鎂合金材料取代密度較大的鑄鐵材料，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上能夠保證結(jié)構(gòu)的強度更高，質(zhì)量更低。通過使用高強度的結(jié)構(gòu)鋼，能夠使得零件進行更緊湊的設(shè)計，并且體積更小，從而能夠降低發(fā)動機的質(zhì)量。其中鋁合金多應(yīng)用在氣缸體、缸蓋以及活塞上等多個發(fā)動機零件上，而鎂合金多應(yīng)用在鏈條室以及氣門上。根據(jù)相關(guān)研究報告，在汽車上使用0.45kg的鋁就能夠降低整車質(zhì)量約1kg，如果汽車整車都采用鋁制，則比鋼制的能夠降低重量約40%。因此通過對材料進行創(chuàng)新，對汽車的輕量化有重要意義。

3.1 缸孔噴涂技術(shù)

隨著汽車輕量化的發(fā)展需求越來越迫切，鋁合金發(fā)動機在汽車中的應(yīng)用開始逐漸變得廣泛起來。因為鋁合金的耐磨性與相關(guān)力學(xué)性能低于鑄鐵材料，使得傳統(tǒng)的鋁合金發(fā)動機需要鑲嵌鑄鐵缸套，從而保證發(fā)動機的使用性能。如果使用鑄鐵缸套，由于缸套和缸體間材料的熱容性不同，從而對鋁合金發(fā)動機缸體的耐用性會產(chǎn)生較大的影響。為了解決這種問題，國外相關(guān)汽車企業(yè)開發(fā)出一種新的工藝技術(shù)，即缸孔噴涂技術(shù)，也叫無缸套技術(shù)。

缸套噴涂技術(shù)利用電弧噴涂或者等離子噴涂等熱噴涂技術(shù)，將合金涂層或其他的復(fù)合材料噴涂在經(jīng)粗化處理的鋁合金發(fā)動機缸孔內(nèi)壁上，從而替代傳統(tǒng)的鑄鐵缸套。通過采用這種缸套噴涂技術(shù)，使發(fā)動機的缸體為一體式的鋁合金缸體，涂層的厚度只有0.3mm，能夠降低發(fā)動機的整機質(zhì)量，減小活塞與缸孔之間的摩擦磨損，并且具有較好的熱傳導(dǎo)性，能夠明顯降低燃油消耗量與CO2的排放量。

3.2 蠕墨鑄鐵缸體缸蓋

蠕墨鑄鐵屬于高強度材料，其力學(xué)性能以及鑄造工藝性能在球磨鑄鐵與灰口鑄鐵之間，比較適合制造發(fā)動機的缸體以及缸蓋等對制造強度有較高要求并且需要承受熱循環(huán)負荷的零部件。因為蠕墨鑄鐵的強度與剛度較高，因此氣缸能夠在壓力更高的環(huán)境中運行，從而更容易達到尾氣排放的相關(guān)要求。此外其質(zhì)量更低，相較于灰鑄鐵發(fā)動機，一臺裝配完成的蠕墨鑄鐵發(fā)動機其重量能夠低9%左右。

隨著國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行，對發(fā)動機的熱效率以及噴射壓力等有了更高的要求。而提高發(fā)動機的熱效率，將是發(fā)動機下階段技術(shù)發(fā)展的重要工作。國Ⅵ時期我國柴油機的熱效率為46～48%，而國Ⅵ后將提高到50～55%。通過應(yīng)用蠕墨鑄鐵，對推動國Ⅵ時期的技術(shù)發(fā)展有重要幫助。

目前國內(nèi)的大型柴油機企業(yè)已經(jīng)開始使用蠕墨鑄鐵制造發(fā)動機的缸體與缸蓋，但由于蠕墨鑄鐵的加工難度較大，因此對刀具有著較為嚴(yán)格的要求。而導(dǎo)致蠕墨鑄鐵加工困難的原因有多種，具體包括：①蠕墨鑄鐵的熱傳導(dǎo)性較差，在加工的過程中所產(chǎn)生的切削熱不能及時散出，從而使刀具磨損比較嚴(yán)重。②采用蠕墨鑄鐵制造的零件，窮鑄造硬皮中含有鐵素體，刀具在切削時容易與切削刃發(fā)生粘結(jié)。③同灰鑄鐵相比，蠕墨鑄鐵中沒有硫化物，因此不能夠沉積到刀具的切削刃上，從而沒有良好的潤滑效果。④蠕墨鑄鐵具有較高的強度，因此在實際加工過程中需要較高的切削功率。在多種因素的影響下，切削蠕墨鑄鐵的刀具使用壽命遠遠低于切削灰鑄鐵的刀具使用壽命，因此還需要進行技術(shù)攻關(guān)。

3.3 應(yīng)用非金屬材料

現(xiàn)階段，發(fā)動機的主要材料為優(yōu)質(zhì)鑄鐵或者鋁合金等，不過隨著材料技術(shù)的快速發(fā)展，部分復(fù)合材料已經(jīng)應(yīng)用于發(fā)動機的制造中。目前發(fā)動機的油底殼主要采用沖壓成型的鋼制油底殼或者采用壓鑄成型的鋁合金油底殼，不過有的企業(yè)已經(jīng)開始玻纖復(fù)合材料的油底殼。相較于鋼材與鋁合金，玻纖增強復(fù)合材料的密度更低，因此能夠減重，并且通過采用注塑成型的工藝，能夠?qū)κ占饕约皺C油濾清器等進行集成，對發(fā)動機內(nèi)部的布局優(yōu)化以及降低制造裝配費用有較大幫助。相較于鑄鋁油底殼，采用玻纖復(fù)合增強材料的油底殼重量能夠降低約40%。

此外，采用塑料進氣歧管，對于發(fā)動機的輕量化也有一定幫助。塑料的進氣歧管重量更低，并且內(nèi)壁更加光滑，能夠改善氣體的流動性，提升進氣效率，具備較好的隔熱效果，從而能夠使發(fā)動機的燃油利用率與工作性能得到一定程度的提升。

4? 結(jié)語

發(fā)動機輕量化是未來汽車行業(yè)發(fā)展的趨勢，不僅是為了降低生產(chǎn)成本，同時對節(jié)能減排也有重要意義。因此，應(yīng)從結(jié)構(gòu)、工藝、材料等多個方面繼續(xù)深入研究，從而使發(fā)動機輕量化的相關(guān)技術(shù)更加成熟，促進汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻：

[1]夏萬芝.發(fā)動機輕量化工藝及結(jié)構(gòu)解析[J].內(nèi)燃機與配件，2019（23）.

[2]楊霖.汽車輕量化途徑與發(fā)展[J].工程技術(shù)（文摘版）：00160.

[3]潘斯寧，黃傳剛，楊雙華，等.發(fā)動機輕量化技術(shù)研究[J].汽車工藝與材料，2013（5）：58-61.

[4]朱正德.實現(xiàn)發(fā)動機輕量化的技術(shù)途徑及實際應(yīng)用[J].汽車與配件，2013（07）：30-31.