現代內燃機增材制造技術

德B.LINDEMANN S.GHETTI R.BEY C.KAYACAN

摘要

基于輕型發動機LeiMot研究項目，FEV公司與其合作伙伴共同開發了全新的研究方法，采用了通過增材制造（AM）技術生產的大型發動機部件，同時擴大了塑料應用范圍，減輕整機質量，并優化了其功能。

關鍵詞

內燃機;增材制造技術;塑料;曲軸箱;冷卻

0 前言

通過采用最新的傳統制造工藝，研究人員對以全鋁設計的現代乘用車汽油機和柴油機的成本和質量進行了優化。近年來，這些發動機的質量功率比有了進一步優化。3缸和4缸發動機的質量功率比約為1.1 kg/kW[1]。這一特征代表了材料特性、負荷曲線和結構利用率在既定制造邊界條件下的平衡。這表明傳統制造工藝無法進一步減輕整機質量。在材料及負荷曲線相似或相同的情況下，研究人員將傳統制造工藝替換為激光粉床熔化（LPBF）技術，從而可進一步減輕整機質量。

在由德國聯邦經濟與能源部（BMWi）支持的輕型發動機LeiMot研究項目中，FEV公司將LPBF工藝用于氣缸蓋和曲軸箱的開發進程中。研究人員選擇大眾公司EA288 evo系列2.0 L渦輪增壓直噴（TDI）柴油機作為基礎發動機，并進行了一系列優化，使開發出的新組件符合替代理念。針對該項目中采用增材制造（AM）技術的鋁部件的特點，研究人員選用了該工藝過程中最常用的AlSi10Mg材料。增材制造技術具有更高的自由度，不僅可以減少整機質量，還可用于改善發動機功能。

在開發LeiMot研究項目時，氣缸蓋和曲軸箱的設計從概念到制造過程（包括校準和后處理）始終遵循增材制造技術的邊界條件[2]。

此外，熱固性注塑成型工藝的應用也是開發目標之一。為了合理使用該工藝，研究人員需要開發1種合適的曲軸箱概念。可用的材料為基于玻璃纖維增強酚醛樹脂而開發的纖維增強復合塑料（FRP）。

1 組件概念

研究人員首先對氣缸蓋和曲軸箱進行了功能分解。通過該方式，研究人員可以分析每個功能，并可以根據給定的邊界條件進行設計優化。此外，研究人員需要確保LeiMot氣缸蓋能與大眾曲軸箱實現相互兼容。同時，研究人員必須保留參考發動機的重要接口和組件，尤其是曲柄連桿機構、配氣機構及換氣組件。

研究人員通過專門的設計方法，使厚度不大于2 mm的材料實現了冷卻、潤滑及換氣等功能，晶格結構的厚度明顯小于2 mm。與傳統的鑄造工藝相比，該方法可以根據負荷的不同而采用多種壁厚參數，且不會存在與傳統制造相關的結構弱點。

2 氣缸蓋

研究人員將開發重點首先放在氣缸蓋總體結構上，以便有針對性地對高機械應力區域進行設計。燃燒過程會導致彎曲應力的出現，并使發動機總成承受扭轉應力。因此氣缸蓋結合了采用雙T形梁（IPB）的閉口剪切盒（圖1）[3]。該款最新設計的氣缸蓋質量約為8.5 kg，比參考氣缸蓋輕約22%。

3 曲軸箱與底板

在隔板之間，研究人員為曲軸箱設計了水平支承結構。如果沒有采用局部加固的功能組件（例如水通道或油道等），則可通過十字肋加固開放式結構。此外，研究人員通過采用2條連接管，加固了平衡軸區域的隔板（圖2）。

出于對質量和剛度等方面的考慮，研究人員將參考發動機的深裙式結構設計方案調整為配備有鋁制底板的短裙式結構設計方案。由于采用了鋁制底板，發動機省去了重型鋼制主軸承蓋，同時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，該設計方案可使整機質量減輕約2 kg。

研究人員通過采用拓撲方法，對組件的主要流動路徑進行了優化分析，并為隔板外部等低應力區域設計出了空腔和晶格結構（圖2）。上述分析為受熱負荷和機械負荷影響下的組件邊界優化過程提供了基礎，研究人員后續將在項目中開展深入研究。

研究人員通過對氣缸蓋和曲軸箱底板的設計方案進行計算驗證，得出了相應的評估結果，該款標準符合系列產品的開發要求。

對于接近極限的輕型設計方案而言，研究人員在設計過程中對材料特性進行了深入了解。由于該款材料有著特殊的微觀結構，通過AM技術生產的部件的機械性能與通過傳統鑄造工藝制成的部件的機械性能之間，存在著顯著差異[4]。因此，研究人員通過樣本研究了AM技術所采用的材料在不同溫度條件下的多項機械性能，并將結果用于計算過程中。

在機械應用中，采用晶格結構（圖2）會大幅增加有限元（FE）模型的復雜性，從而延長了計算時間。因此，在整體模型的計算過程中，研究人員通過簡化的替代元素表示晶格結構，這些替代元素具有與所用晶格結構相同的機械性能。

4 冷卻

LeiMot研究項目采用了橫流冷卻的概念，其目的是有針對性地對各個氣缸進行冷卻，同時減少冷卻液的流量。由于發動機在冷起動期間的熱慣性較低，所以加熱時間較短。氣缸蓋的各條管道采用了規定的直徑（要道冷卻），可使冷卻液繞氣門座圈和噴油器軸進行流動（圖3）。冷卻系統所引入的熱量會在高溫點處被直接吸收，并以較高流速進行傳輸。與具有更大容量的水套相比，這些管道的優點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排氣道區域進行充分冷卻，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，這種設計還能對熱負荷較高的排氣側氣門導管進行充分冷卻。與熱力有限元分析進行對比可知，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）。這意味著該設計方案可以降低水泵的驅動功率，同時還可以縮短暖機時間。即使流經氣缸蓋和曲軸箱的冷卻液總流量減少了40%，其最大壁溫仍遠低于采用傳統水套的參考發動機的壁溫。

為進一步改善曲軸箱的冷卻性能并使氣缸溫度實現均勻分布，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，以此對內孔進行冷卻。此外，水套內部為經過充分優化的晶格結構（圖3）。該結構擴大了傳熱面積，改善了冷卻液流動過程，并提高了氣缸剛度。改善后的缸套冷卻系統可使缸套變形更為均勻，并能相應改善摩擦和漏氣現象。

5 機油循環

研究人員采用機油循環概念的主要目標是減少壓力損失，以便使發動機在正常運行和冷起動期間，具有更強的性能優勢。通過采用AM技術，研究人員設計出了無明顯偏轉現象的新型油道方案（圖5）。氣缸蓋和曲軸箱中的油道（直徑范圍為3～8 mm）可實現直接打印。彎曲的通道和平緩變化的橫截面會使氣缸蓋和曲軸箱內部管道系統的壓力損失降低約22%。

研究人員通過采用反向虹吸管，以防止主油道在非工作時間排放機油，從而改善了冷起動期間的配氣機構組件的供油效果（圖5）。

最初的拓撲研究表明，帶有空心隔板的曲軸箱具有足夠高的剛度。隨后，研究人員對設計方案進行了調整，將曲軸箱的中空部分設計為回油通道。

6 排氣道隔熱

AM技術的設計自由度有利于研究人員直接將各種結構集成到生產過程中。研究人員有針對性地對具有氣隙和較少導熱橫截面的絕緣晶格元件進行了設計，從而優化了排氣道的隔熱效果（圖6），并可減少進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的預熱時間，并提高渦輪入口溫度。

通過有限元分析，研究人員對排氣道主要結構的分布情況進行了優化，目的是在材料邊界范圍內使排氣道壁溫實現最大化，同時使壁溫分布更均勻。最高壁溫會達到約200 ℃，仍遠低于材料極限溫度。

7 曲軸箱蓋

德國Fraunhofer化學技術研究所的研究人員選用了鋁塑混合設計方案，并對由高性能纖維增強復合材料制成的曲軸箱進氣側和排氣側的側壁進行了優化。大量塑料組件是由玻璃纖維增強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，對油和乙二醇具有較好的耐腐蝕性，同時具有良好的機械性能，并能承受較高的工作溫度，幾乎沒有發生蠕變的趨勢[5]。

熱固性側壁結構的設計重點是需要采用功能高度集成的輕質結構設計方案。冷卻液通道、機械驅動的水泵、機油濾清器、機油冷卻器，以及冷卻液的分配模塊等均集成在該結構中。

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

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

8 聲學

在發動機運行時，局部較弱的結構元件具有較高的振動幅度，這對輕型發動機項目是1項重要挑戰。針對動態結構的計算表明，研究人員需要加強曲軸箱的扭轉運動和剪切運動。因此，從最初的發動機概念開始，研究人員就持續對其NVH特性進行了評估，并將其結果用于設計和耐久性計算中[6]。

LeiMot曲軸箱增加了針對氣門罩和油底殼的輻射現象，而發動機的主要聲輻射常出現在上述部件中。應注意的是，新型曲軸箱側蓋不會增加空氣傳播的噪聲輻射。研究表明，分離后的側蓋與牢固連接的側蓋之間的差異可忽略不計，并且不會產生明顯的共振現象。氣門罩和油底殼的輻射仍占據主導地位。

研究人員通過優化，使曲軸箱質量減少超過21%，并與空氣A加權噪聲聲壓級增加的2.3 dB形成了對比。減少的質量是主要激勵來源之一。通過隔板之間的加強肋和平衡軸周圍的管狀結構，研究人員可以對附加剪切模式進行調整，從而使固有頻率維持在1 100 Hz左右。

9 結語

研究人員通過采用LPBF等新制造工藝，可進一步減輕柴油機質量。與現有的大眾EA288 evo系列2.0 L柴油機相比，LeiMot研究項目可使氣缸蓋和曲軸箱的質量減輕約21%。

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

2021年，FEV公司將制造出5個LeiMot產品原型，并通過機械和熱力學試驗對其進行檢驗。LeiMot研究項目有力證明了新制造工藝的設計可行性。此外，該項目還有助于研究人員探索用于內燃機開發的新方法。

在中短期內，大批量通過AM技術生產的組件（例如LeiMot研究項目所開發的組件）依然很難與大眾市場的傳統制造工藝進行競爭。在飛機部件制造等小批量生產過程中，AM技術已成功應用于小型部件中。AM技術也可以為傳統制造工藝帶來好處，例如可將用于砂芯的花絲結構集成到傳統鑄造工藝中。

未來，研究人員還可以采用混合解決方案，將AM技術與傳統制造工藝結合在一起，從而進一步提升制造品質。

參考文獻

[1]BEY R，BICK W.Advanced light weight combustion engine concept for passenger car application[C]. Light Weight Composite Solution Conference，Gent，2018.

[2]KRANZ J.Methodik und richtlinien für die konstruktion von laseradditiv gefertigten leichtbaustrukturen[D].Technische Universitt Hamburg-Harburg，2017.

[3]BCHAU N，BICK W，BEY R，u.a. Entwicklung eines zylinderkopfs unter den mglichkeiten der additiven fertigung[C]. 8. VDI-Fachtagung Ventiltrieb und Zylinderkopf，Würzburg， 2019.

[4]ZYGULA K，NOSEK B，PASIOWIEC H，et al.Mechanical properties and microstructure of AlSi10Mg alloy obtained by casting and SLM technique[C]. AGH University of Science and Technology，2018.

[5]BERG L.Phenolharzspritzgieen-anwendungen in modernen PKW antriebsstrangkomponenten[C]. VDI-Konferenz Hochleistungskunststoffe in der Anwendung， Berlin，2017.

[6]NUSSMANN C，STEFFENS C，ATZLER M. Modern tools and methods for low noise engine development[C]. ISMA， Leuven，2010.

李媛媛 譯自 MTZ，2020，81（12）

伍賽特 編輯

（收稿時間：2021-05-06）