JX4D20柴油機的輕量化技術

曹輝，陳劼

(江鈴汽車股份有限公司動力傳動開發部,江西南昌 330030)

0 引言

減輕汽車自身的質量是降低汽車排放、提高燃燒效率的最有效措施之一。輕量化技術在歐美主流國家已經研發多年，是汽車發展的必然趨勢，在動力、節油、安全、操控等方面將全面提升汽車性能[1]。

汽車輕量化是一個系統工程，它涉及整車設計、工程材料和制造工藝等各個領域。發動機是整車的心臟，它在整車系統零部件中的重要度、成本及質量，均處于重要位置，堪稱第一關鍵系統。減輕發動機的質量，對降低整車的油耗、改善操控性能有很大的貢獻[2]。

JX4D20汽車柴油發動機是為匹配某公司馭勝SUV及域虎Pickup系列車型而開發的新型柴油發動機。在JX4D20柴油機的開發中，輕量化技術應用是其創新技術之一，首先通過小排量設計及VGT 渦輪增壓技術達到既降低發動機的質量，又獲得良好行駛動力、降低油耗及減少排放的目的；其次采用輕量化的材料和緊湊的零部件結構設計來降低發動機總成的質量，同時采用先進的集成與模塊化設計技術，通過減少零件種類進而達到輕量化的目的。

1 柴油機輕量化技術路線

發動機輕量化設計最直接的方法即小排量設計。發動機小排量設計是指在原先大3D尺寸發動機的基礎上，通過一系列的先進技術，減小發動機的排量，使得發動機的3D尺寸縮小，即實現發動機的小型化，但是發動機的性能沒有降低，升功率甚至有所提高。進而達到既降低發動機的質量，又獲得良好行駛動力、降低油耗及減少排放的目的。同時，發動機零部件也進行小型化設計。

渦輪增壓實際上不是一個新的技術，它在過去是用來增加性能的。但現在應用該技術，更多的是為了小型化設計，減輕發動機的質量，而且不會降低駕乘者的體驗，用更小尺寸的發動機來保持其性能，這樣就可以使用更少的燃油，并且減少排放[3]。渦輪增壓可以大幅度提高功率和扭矩，而裝配可變截面增壓器(Variable Geometry Turbocharger，VGT)與裝配非可變截面增壓器(Waste Gate Turbocharger，WGT)相比，由于渦輪增壓器內部葉片開合角度的伺服元件為電子加電動機模塊，可以通過檢測VGT電動機模塊位置傳感器和增壓壓力傳感器的實時信號，實現對增壓器葉片角度、增壓壓力的雙重閉環控制，大大提高系統的控制精度，而電動機的速度優勢可以提高增壓器葉片的響應速度，能夠把渦輪遲滯現象(Turbo Lag)減輕到最小的程度，最大功率可再增加大約35%以上。這意味著小排量的發動機經增壓后，可以產生較大排量發動機相同的功率，另外還能提高燃油經濟性和降低尾氣排放。

采用低密度的材料和緊湊的零部件結構設計來降低發動機總成的質量是基本的技術路線。輕量化的零部件設計一是采用低密度的材料，二是通過零部件結構設計降低質量。采用低密度的材料是減輕發動機質量最直接的方法，如用鋁合金、鎂合金替代鑄鐵材料，用球墨鑄鐵替代碳鋼，用工程塑料、碳化纖維替代鋁合金等[4]。因為鎂及塑料更輕，鎂合金及工程塑料在發動機上的應用也越來越廣泛。發動機子系統采用集成與模塊化設計，不同功能件集成于一體，達到減少發動機零件數目、縮小3D尺寸的目的，進而可顯著減少發動機的質量。集成與模塊化設計也可降低發動機故障頻次，實現卓越的可靠性，節省維修時間，同時也方便拆裝。

2 JX4D20柴油機輕量化技術的應用

JX4D20柴油機應用小排量設計實現輕量化。在2.4 L的基礎上，通過縮小缸徑和行程，變更為2.0 L的排量，兩者的3D尺寸基本相同，但是JX4D20柴油機采用了新一代的效率更高的Honeywell 可變幾何截面VGT增壓器(見圖1)，因此排量2.0 L的JX4D20柴油機的性能沒有降低，其最大功率達到103 kW，最大扭矩達到了360 N·m，而且外特性BSFC油耗及NEDC循環油耗也可降低0.5%～1% 。

圖1 高效的可變幾何截面VGT增壓器與VGT 葉片調節示意

表1是JX4D24及JX4D20柴油機性能參數比較。JX4D24柴油機增壓器從FGT變更為VGT，升功率由37.5 kW/L提高到43 kW/L，提高了約15%，最大扭矩由300 N·m提高到375 N·m，提高了約25%。而由2.4 L的FGT增壓器柴油機(JX4D24A4L)，變更為小排量2.0 L升的VGT增壓器柴油機(JX4D20D5L)，升功率由37.5 kW/L提高到51.5 kW/L，提高了約37%，最大扭矩由300 N·m提高到360 N·m，提高了約20%。

表1 JX4D24及JX4D20柴油機性能參數比較

在JX4D20柴油機輕量化設計開發中，結構零部件盡可能選用鋁合金、粉墨冶金、球墨鑄鐵、工程塑料(PA66)等低密度的輕量化材料，通過計算機CAE有限元分析，優化零部件的結構強度和剛度，降低多余的質量。JX4D20柴油機結構零部件主要制造材料相對于4 ℃下同體積水的密度(比重)見表2。

表2 JX4D20柴油機結構零部件主要制造材料相對于4 ℃下同體積水的密度

發動機結構件中，鋁合金材料輕量化效果最為明顯，一般可減重30%以上[5]。如缸蓋、缸體裙架、凸輪室、支座與支架類零件等采用低密度的鋁合金材料(AlSi10Mg、AlSi9Cu3等)。

其他的低密度輕量化材料的應用措施還有：曲軸采用球墨鑄鐵材料(球墨鑄鐵密度低于鍛鋼)；連桿、鏈輪及鏈輪座、氣門座圈、氣門導管、噴油器壓塊采用粉末冶金燒結材料替代碳鋼；進氣歧管、凸輪室罩蓋、節溫器總成、機油收集器、管路零件等采用工程塑料(PA66)；正時鏈輪蓋采用薄鋼板沖壓件替代鋁合金材料。低密度輕量化材料的技術應用見圖2。

圖2 低密度輕量化材料的技術應用

通過計算機CAE有限元分析，將不同的功能性零部件集成與模塊化設計而降低發動機質量，達到減少發動機零件數目、縮小3D尺寸的目的。在JX4D20柴油機輕量化設計開發中，通過集成與模塊化設計降低零部件的質量技術措施有：鑄鐵上缸體與鋁合金缸體裙架(組合為缸體總成)、鋼管與粉末冶金組合的空心結構凸輪軸、鋁合金框架支承氣門搖臂總成、薄壁正時鏈及鏈輪正時系統、兩柱塞結構高壓油泵替代三柱塞結構高壓油泵、空調壓縮機與轉向泵集成、真空泵與水泵集成、前端輪系附件安裝支架集成。功能性零部件集成與模塊化設計降低質量的技術應用見圖3。

圖3 功能性零部件集成與模塊化設計降低質量的技術應用

3 JX4D20柴油機輕量化技術的效益

最直接的效益是降低了發動機總成的質量。與同排量同類機型比較(見表3)，發動機的質量僅為205 kg，降低質量約15 kg，減輕自身質量也即節省了材料，節省了能源消耗。

表3 與同排量同類機型參數比較

降低發動機的零件質量獲得了更高的性價比高(見表4)。JX4D24柴油機通過優化設計、合理選用新型材料及新的工藝，用鋁合金替代鑄鐵、用粉墨冶金替代碳鋼、用工程塑料替代鋁合金等，同時采用集成與模塊化設計，達到減少發動機零件數目、縮小3D尺寸的目的，減輕了質量又獲得了優異的性能，更適合大批量生產，而且制造工藝節能、環保。

表4 采用低密度的材料的性價比

間接的效益是降低了整車的油耗并改善排放，經驗數據表明：汽車整備質量每減少100 kg，百公里油耗可降低0.3～0.9 L，降低油耗也即降低了CO2排放。JX4D20柴油機搭載的一款 SUV4×2車型試驗實測數據：其整車整備質量(GM)由1 950 kg降到1 855 kg，質量降低95 kg；整車排放綜合油耗可由8.8 L/100 km降到8.0 L/100 km，可節省油耗0.8 L/100 km，節省油耗達9%，其中如發動機質量降低15 kg，占整車質量比例約16%，發動機輕量化對油耗的貢獻即達1.5%。而且降低發動機的零件質量對前置發動機前輪驅動的車非常有利，如果發動機太重，會使前、后輪載荷分配比不合理，同時對前橋的質量要求會更高， 整車前橋設計成本上升。

4 總結

JX4D20柴油機通過小排量、VGT 渦輪增壓、低密度的材料、緊湊的零部件結構、集成與模塊化等技術達到了輕量化的設計目的。JX4D20柴油機輕量化設計開發印證了采用低密度的材料和緊湊的零部件結構設計來降低發動機總成的質量是基本的技術路線，而功能性零部件集成與模塊化設計，對降低發動機總成的質量又有顯著的幫助，采用新的更高增壓效率和更好低速響應性能的電子控制VGT增壓器是小排量設計大幅度提升功率的技術關鍵，升功率的提升又促進了發動機的輕量化。JX4D24D4L柴油機由于采用了輕量化設計，提高了發動機的動力性能，燃油消耗達到第3階段乘用車燃料消耗量標準，廢氣排放達到了輕型車國V排放標準。