发动机轻量化途径及工艺创新探究

童身亮

摘要：汽车轻量化对于促进汽车节能减排以及推动汽车行业可持续发展有重要的意义，而发动机作为汽车中重量最大的部件，通过对发动机轻量化的途径进行研究，对相关的加工制造工艺进行创新，从而能够提高汽车轻量化技术的发展水平。

关键词：发动机;轻量化;途径

中图分类号：U464.04                                     文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）05-0033-02

0  引言

根据相关研究，汽油乘用车的质量每降低100kg，百公里就能够节省燃油0.39L，而汽车每质量降低10%，便能够节省燃油6～8%，减少排放将近4%。乘用车中，发动机的质量可以占到12%左右，通过对发动机进行轻量化的处理，能够使汽车的动力性得到较大的提升，同时还能够降低汽车的驾驶成本等。在对发动机进行轻量化处理的过程中，应当以可靠性与安全性为前提，通过对结构、工艺以及材料等进行优化设计，从而实现发动机轻量化的目标。

1  发动机轻量化途径

发动机轻量化主要是从结构与材料上进行，通过采用拓扑优化的方法对相关的零部件结构进行分析，对零件的尺寸以及形状进行优化，从而降低零件的质量与成本;通过采用轻量化的材料以及先进的工艺技术，能够对发动机中的部分零件进行轻量化处理。在实际执行的过程中，应将材料与工艺技术结合，从而达到最佳的优化效果。

2  结构优化途径

2.1 气缸盖集成排气歧管

通过将排气歧管集成到气缸盖内部，能够实现排气歧管内的热废气与缸盖水套之间良好的热交换，从而能够快速的完成暖机，降低由于冷启动所导致的内部零件之间的摩擦，使发动机能够在较短的时间内达到工作状态，进而可以降低油耗减少排放。此外，将气缸盖排气歧管进行内置，还能够使发动机的质量降低3～5kg，并且由于减少的是发动机顶部的质量，因此对降低整车的重心也有较大帮助。

2.2 空心凸轮轴

传统的凸轮轴为一体式并且使用的材料单一，经锻造或者铸造后再进行多道切削工序加工完成，重量较大。而通过对凸轮轴进行空心化处理，则能够在一定程度降低重量。某型号发动机通过使用的是组合式空心凸轮轴，这种凸轮轴利用铁基粉末冶金材料做成凸轮，采用滚花过盈连接或者滚花连接的方式将凸轮与空心钢管固定在一起。相较于铸铁件，空心凸轮轴的质量能够降低将近30%，并且成本更低，对整机的性能有较大的提升帮助，比传统的一体式凸轮轴应用性更好。

2.3 缸体铸造油道

传统的缸体回油道利用机械加工打通缸体顶部与曲轴箱的内部，对加工刀具有着较为严苛的要求，并且由于缸顶较窄的油孔直对曲轴，会使得流回的润滑油会溅到曲轴上，进而加大了曲轴的运动阻力。而通过采用回油道铸造缸体，能够增大缸体的强度以及整个缸体的抗变形能力，使得缸体更加紧凑，从而能够减小缸体的质量。发动机的缸体采用铸造成型油道是发动机发展的一个重要方向，但如果采用传统的浇筑方式难度较大，因此研究出了新的浇筑工艺。目前采用的以立浇工艺为主，立浇工艺主要有以下两种：①纯组芯工艺，采用的是直接浇筑的方式，这种工艺不能够保证现场的环境，因此应用性较差。②将造型线与组芯相结合的生产工艺，建立壳芯的生产线，这种工艺适用性较高，因此应用的比较广泛。

2.4 适用3D打印优化结构

国外的雷诺卡车公司，在设计一款发动机的过程中，通过利用3D打印技术制造发动机的部分零部件，使得发动机的整体质量减少了将近120kg，同时3D打印的零件其耐久性等已经得到测试，能够满足发动机的运行要求。通过对3D打印技术的进一步研究，雷诺卡车公司的工程师已经能够对发动机进行整体的虚拟设计，发动机中的摇臂与凸轮轴的轴承利用的都是3D打印技术完成制造，并且在台架上进行了600h的运行测试，相关性能指标能够满足要求。通过科学合理的应用3D打印技术，能够为发动机轻量化制造提供新的方向，发动机的厂家能够使用分层材料完成部分零部件的制造，从而降低发动机的装配操作强度并对发动机部件的数量进行较大的优化。采用这种技术具有诸多好处，其能够对发动机的零部件进行优化与整合，雷諾卡车公司通过在发动机中应用3D打印技术，使发动机的零部件数量减少了将近200个，占总数量的近25%，此外还对80个缸体的零件以及45个缸盖的零件进行了集成。此外，雷诺卡车公司利用3D打印技术还对交流发电机以及发动机线束的支架进行了一定程度的优化，从而使发动机的重量能够明显降低。

2.5 曲轴轻量化

在曲轴轻量化上，上汽大众相对比较成熟，其在现有技术条件能够达到的情况下，将零部件的轻量化工作做到了极致。其主要采取的措施包括：减少扇板的数量，由原来的八片减少到四片;缩短扇板的宽度并优化扇板的形状;减小主轴颈的尺寸;在连杆轴径上钻去重孔。此外，还对过渡部位的形状进行调整，采用圆角进行优化，并增加多个凹坑等。通过采用上述方式，上汽大众的某型发动机曲轴重量相较上一代产品能够减重15～20%。其他发动机制造商研究出主轴颈以及拐颈为空的中空曲轴，从而使曲轴的重量能够减少15%左右。

2.6 活塞轻量化

国外某公司为宝马的一款发动机研发了一种X形的轻型活塞，这种活塞在裙部以及对应的膨胀处等都呈现出X形状。通过采用这种X形的活塞，能使得活塞的质量降低100g左右，并且不会改变活塞的压缩高度以及连杆长度。同时X形活塞的摩擦面积更小，进而能够减少发动机工作过程中活塞的机械磨损与燃油的消耗量。完成整体组装后，相较于传统的收缩窗式活塞，采用X形活塞能够减重96g。

还有一种轻量化的活塞为钢顶铝裙铰接活塞，这种活塞的活塞顶与活塞轴相互独立，活塞顶相对于裙部能够进行独立的自由摆动。活塞的直径越大，铰接式活塞在质量上的优势越明显。如果活塞的直径低于80mm，则使用纯铝的活塞较轻;如果活塞的直径等于80mm，铰接式活塞与纯铝的活塞质量大致相同;如果活塞的直径超过80mm，则铰接式活塞更轻，比活塞式轻20%左右。此外，钢顶铝裙铰接活塞的压缩高比更低，从而能够使发动机的总高度有所下降。

通过对发动机的附件进行轻量化处理，也能够降低发动机的质量。比如有的企业对链条以及张紧器进行了材料以及工艺上的优化，从而使整个链条系统的质量有一定程度的下降。对链条自身来说能够降低重量25～30%，通过对张紧器进行优化设计，结构的质量能够降低10～20%。

3  材料创新

材料在发动机轻量化上有很重要的应用，通常会使用铝合金以及镁合金材料取代密度较大的铸铁材料，在结构优化的基础上能够保证结构的强度更高，质量更低。通过使用高强度的结构钢，能够使得零件进行更紧凑的设计，并且体积更小，从而能够降低发动机的质量。其中铝合金多应用在气缸体、缸盖以及活塞上等多个发动机零件上，而镁合金多应用在链条室以及气门上。根据相关研究报告，在汽车上使用0.45kg的铝就能够降低整车质量约1kg，如果汽车整车都采用铝制，则比钢制的能够降低重量约40%。因此通过对材料进行创新，对汽车的轻量化有重要意义。

3.1 缸孔喷涂技术

随着汽车轻量化的发展需求越来越迫切，铝合金发动机在汽车中的应用开始逐渐变得广泛起来。因为铝合金的耐磨性与相关力学性能低于铸铁材料，使得传统的铝合金发动机需要镶嵌铸铁缸套，从而保证发动机的使用性能。如果使用铸铁缸套，由于缸套和缸体间材料的热容性不同，从而对铝合金发动机缸体的耐用性会产生较大的影响。为了解决这种问题，国外相关汽车企业开发出一种新的工艺技术，即缸孔喷涂技术，也叫无缸套技术。

缸套喷涂技术利用电弧喷涂或者等离子喷涂等热喷涂技术，将合金涂层或其他的复合材料喷涂在经粗化处理的铝合金发动机缸孔内壁上，从而替代传统的铸铁缸套。通过采用这种缸套喷涂技术，使发动机的缸体为一体式的铝合金缸体，涂层的厚度只有0.3mm，能够降低发动机的整机质量，减小活塞与缸孔之间的摩擦磨损，并且具有较好的热传导性，能够明显降低燃油消耗量与CO2的排放量。

3.2 蠕墨铸铁缸体缸盖

蠕墨铸铁属于高强度材料，其力学性能以及铸造工艺性能在球磨铸铁与灰口铸铁之间，比较适合制造发动机的缸体以及缸盖等对制造强度有较高要求并且需要承受热循环负荷的零部件。因为蠕墨铸铁的强度与刚度较高，因此气缸能够在压力更高的环境中运行，从而更容易达到尾气排放的相关要求。此外其质量更低，相较于灰铸铁发动机，一台装配完成的蠕墨铸铁发动机其重量能够低9%左右。

随着国Ⅵ排放标准的执行，对发动机的热效率以及喷射压力等有了更高的要求。而提高发动机的热效率，将是发动机下阶段技术发展的重要工作。国Ⅵ时期我国柴油机的热效率为46～48%，而国Ⅵ后将提高到50～55%。通过应用蠕墨铸铁，对推动国Ⅵ时期的技术发展有重要帮助。

目前国内的大型柴油机企业已经开始使用蠕墨铸铁制造发动机的缸体与缸盖，但由于蠕墨铸铁的加工难度较大，因此对刀具有着较为严格的要求。而导致蠕墨铸铁加工困难的原因有多种，具体包括：①蠕墨铸铁的热传导性较差，在加工的过程中所产生的切削热不能及时散出，从而使刀具磨损比较严重。②采用蠕墨铸铁制造的零件，穷铸造硬皮中含有铁素体，刀具在切削时容易与切削刃发生粘结。③同灰铸铁相比，蠕墨铸铁中没有硫化物，因此不能够沉积到刀具的切削刃上，从而没有良好的润滑效果。④蠕墨铸铁具有较高的强度，因此在实际加工过程中需要较高的切削功率。在多种因素的影响下，切削蠕墨铸铁的刀具使用寿命远远低于切削灰铸铁的刀具使用寿命，因此还需要进行技术攻关。

3.3 应用非金属材料

现阶段，发动机的主要材料为优质铸铁或者铝合金等，不过随着材料技术的快速发展，部分复合材料已经应用于发动机的制造中。目前发动机的油底壳主要采用冲压成型的钢制油底壳或者采用压铸成型的铝合金油底壳，不过有的企业已经开始玻纤复合材料的油底壳。相较于钢材与铝合金，玻纤增强复合材料的密度更低，因此能够减重，并且通过采用注塑成型的工藝，能够对收集器以及机油滤清器等进行集成，对发动机内部的布局优化以及降低制造装配费用有较大帮助。相较于铸铝油底壳，采用玻纤复合增强材料的油底壳重量能够降低约40%。

此外，采用塑料进气歧管，对于发动机的轻量化也有一定帮助。塑料的进气歧管重量更低，并且内壁更加光滑，能够改善气体的流动性，提升进气效率，具备较好的隔热效果，从而能够使发动机的燃油利用率与工作性能得到一定程度的提升。

4  结语

发动机轻量化是未来汽车行业发展的趋势，不仅是为了降低生产成本，同时对节能减排也有重要意义。因此，应从结构、工艺、材料等多个方面继续深入研究，从而使发动机轻量化的相关技术更加成熟，促进汽车行业的可持续发展。

参考文献：

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