發動機輕量化途徑及工藝創新探究

童身亮

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

關鍵詞：發動機;輕量化;途徑

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

0? 引言

根據相關研究，汽油乘用車的質量每降低100kg，百公里就能夠節省燃油0.39L，而汽車每質量降低10%，便能夠節省燃油6～8%，減少排放將近4%。乘用車中，發動機的質量可以占到12%左右，通過對發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。在對發動機進行輕量化處理的過程中，應當以可靠性與安全性為前提，通過對結構、工藝以及材料等進行優化設計，從而實現發動機輕量化的目標。

1? 發動機輕量化途徑

發動機輕量化主要是從結構與材料上進行，通過采用拓撲優化的方法對相關的零部件結構進行分析，對零件的尺寸以及形狀進行優化，從而降低零件的質量與成本;通過采用輕量化的材料以及先進的工藝技術，能夠對發動機中的部分零件進行輕量化處理。在實際執行的過程中，應將材料與工藝技術結合，從而達到最佳的優化效果。

2? 結構優化途徑

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部，能夠實現排氣歧管內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致的內部零件之間的摩擦，使發動機能夠在較短的時間內達到工作狀態，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置，還能夠使發動機的質量降低3～5kg，并且由于減少的是發動機頂部的質量，因此對降低整車的重心也有較大幫助。

2.2 空心凸輪軸

傳統的凸輪軸為一體式并且使用的材料單一，經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，比傳統的一體式凸輪軸應用性更好。

2.3 缸體鑄造油道

傳統的缸體回油道利用機械加工打通缸體頂部與曲軸箱的內部，對加工刀具有著較為嚴苛的要求，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量。發動機的缸體采用鑄造成型油道是發動機發展的一個重要方向，但如果采用傳統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場的環境，因此應用性較差。②將造型線與組芯相結合的生產工藝，建立殼芯的生產線，這種工藝適用性較高，因此應用的比較廣泛。

2.4 適用3D打印優化結構

國外的雷諾卡車公司，在設計一款發動機的過程中，通過利用3D打印技術制造發動機的部分零部件，使得發動機的整體質量減少了將近120kg，同時3D打印的零件其耐久性等已經得到測試，能夠滿足發動機的運行要求。通過對3D打印技術的進一步研究，雷諾卡車公司的工程師已經能夠對發動機進行整體的虛擬設計，發動機中的搖臂與凸輪軸的軸承利用的都是3D打印技術完成制造，并且在臺架上進行了600h的運行測試，相關性能指標能夠滿足要求。通過科學合理的應用3D打印技術，能夠為發動機輕量化制造提供新的方向，發動機的廠家能夠使用分層材料完成部分零部件的制造，從而降低發動機的裝配操作強度并對發動機部件的數量進行較大的優化。采用這種技術具有諸多好處，其能夠對發動機的零部件進行優化與整合，雷諾卡車公司通過在發動機中應用3D打印技術，使發動機的零部件數量減少了將近200個，占總數量的近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打印技術還對交流發電機以及發動機線束的支架進行了一定程度的優化，從而使發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，其在現有技術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：減少扇板的數量，由原來的八片減少到四片;縮短扇板的寬度并優化扇板的形狀;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整，采用圓角進行優化，并增加多個凹坑等。通過采用上述方式，上汽大眾的某型發動機曲軸重量相較上一代產品能夠減重15～20%。其他發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動機研發了一種X形的輕型活塞，這種活塞在裙部以及對應的膨脹處等都呈現出X形狀。通過采用這種X形的活塞，能使得活塞的質量降低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?，鉸接式活塞在質量上的優勢越明顯。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，從而能夠使發動機的總高度有所下降。

通過對發動機的附件進行輕量化處理，也能夠降低發動機的質量。比如有的企業對鏈條以及張緊器進行了材料以及工藝上的優化，從而使整個鏈條系統的質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化設計，結構的質量能夠降低10～20%。

3? 材料創新

材料在發動機輕量化上有很重要的應用，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，在結構優化的基礎上能夠保證結構的強度更高，質量更低。通過使用高強度的結構鋼，能夠使得零件進行更緊湊的設計，并且體積更小，從而能夠降低發動機的質量。其中鋁合金多應用在氣缸體、缸蓋以及活塞上等多個發動機零件上，而鎂合金多應用在鏈條室以及氣門上。根據相關研究報告，在汽車上使用0.45kg的鋁就能夠降低整車質量約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新，對汽車的輕量化有重要意義。

3.1 缸孔噴涂技術

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

缸套噴涂技術利用電弧噴涂或者等離子噴涂等熱噴涂技術，將合金涂層或其他的復合材料噴涂在經粗化處理的鋁合金發動機缸孔內壁上，從而替代傳統的鑄鐵缸套。通過采用這種缸套噴涂技術，使發動機的缸體為一體式的鋁合金缸體，涂層的厚度只有0.3mm，能夠降低發動機的整機質量，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境中運行，從而更容易達到尾氣排放的相關要求。此外其質量更低，相較于灰鑄鐵發動機，一臺裝配完成的蠕墨鑄鐵發動機其重量能夠低9%左右。

隨著國Ⅵ排放標準的執行，對發動機的熱效率以及噴射壓力等有了更高的要求。而提高發動機的熱效率，將是發動機下階段技術發展的重要工作。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%。通過應用蠕墨鑄鐵，對推動國Ⅵ時期的技術發展有重要幫助。

目前國內的大型柴油機企業已經開始使用蠕墨鑄鐵制造發動機的缸體與缸蓋，但由于蠕墨鑄鐵的加工難度較大，因此對刀具有著較為嚴格的要求。而導致蠕墨鑄鐵加工困難的原因有多種，具體包括：①蠕墨鑄鐵的熱傳導性較差，在加工的過程中所產生的切削熱不能及時散出，從而使刀具磨損比較嚴重。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生粘結。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攻關。

3.3 應用非金屬材料

現階段，發動機的主要材料為優質鑄鐵或者鋁合金等，不過隨著材料技術的快速發展，部分復合材料已經應用于發動機的制造中。目前發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，不過有的企業已經開始玻纖復合材料的油底殼。相較于鋼材與鋁合金，玻纖增強復合材料的密度更低，因此能夠減重，并且通過采用注塑成型的工藝，能夠對收集器以及機油濾清器等進行集成，對發動機內部的布局優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，從而能夠使發動機的燃油利用率與工作性能得到一定程度的提升。

4? 結語

發動機輕量化是未來汽車行業發展的趨勢，不僅是為了降低生產成本，同時對節能減排也有重要意義。因此，應從結構、工藝、材料等多個方面繼續深入研究，從而使發動機輕量化的相關技術更加成熟，促進汽車行業的可持續發展。

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