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[发动机] 现代汽车发动机及其组件的轻量化

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发表于 2016-2-6 16:54:13 | 显示全部楼层 |阅读模式
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现代汽车发动机及其组件的轻量化

现代汽车发动机及其组件的轻量化

        图1  两款小排量发动机的典型机种

        发动机作为整车最重要的大总成,其减重对于整车的轻量化意义重大。然而,随着发动机性能的不断提高,并不断引入新的系统或强化原有零部件,因此实现发动机的轻量化并非易事。
        一般情况下,汽车自重减轻10%,其燃油效率约可提高15%,而燃油效率的提高意味着汽车的耗油量和排放量降低,由此可知减轻车辆自重是当今汽车、特别是拥有量最大的轿车,实现环保、节能等目标的一种重要途径。发动机作为一部整车最重要的大总成,其轻量化意义重大。另一方面,为了达到控制废气排放和提高动力性等发动机性能的目的,又必须引入新的组件,如涡轮增压器、EGR、后处理器和电控系统等,或强化原有零部件,如喷油泵的加强等,这样一来又会使发动机的重量有所增加。由此可见,要实现发动机轻量化并非易事,决不是通过较单一的措施就能实现的。
        发动机轻量化由来已久
        如今,实现发动机轻量化的途径主要有以下几种方案:
        (1)选用铝合金、镁合金和工程塑料等轻质材料替代灰铸铁等传统材料;
        (2)功能组件(如外附件)的结构形式、组成优化和轻量化;
        (3)功能相近的组件、部件的集成化或模块化;
        (4)对发动机中的关键零件(如曲轴和连杆等)进行结构优化。
        客观地说,轿车发动机的轻量化已持续了很长一段时间,即使很多20世纪八九十年代才建成并开始批量生产的企业,无论是国企、民企或是合资企业,从其产品及其发展中都能看出。但那个时期的轻量化主要还是体现在部分零部件选用轻质材料替代传统材料方面,最典型的例子就是已将铝合金较多地应用于小排量发动机缸盖和进气歧管等部件的制造上。之后,进气歧管又出现了以玻纤增强尼龙一类工程塑料替代已采用多年的铝合金的趋势,而各类罩(壳)盖和油底壳等也已较多地选用了铝合金和工程塑料。尤其是到21世纪初,国内已有不少企业在所生产的小排量发动机产品系列中采用了铝合金缸体。显然,以上这些措施对有效地减轻发动机、特别是轻型发动机的重量发挥了很大作用。
       

现代汽车发动机及其组件的轻量化

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        图2  发动机外附件结构、组成的优化

        新型小排量轿车发动机中的应用
        21世纪初,大众汽车和奥迪汽车先后推出了EA111和EA888两个系列的中小排量发动机,前者包括了1.4MPI(多点电喷)、1.6MPI和1.4TSI等三款,后者包括1.8TSI和2.0TSI这二款,而EA211则是大众汽车近几年推出的一款最新系列的小排量发动机,包含了从1.0~1.6L的多种MPI和TSI机型。通过对以上产品与20世纪90年代生产的发动机,尤其是EA111和EA211两款1.4TSI小排量发动机(见图1)之间在实现轻量化方面所采取措施的对比,较全面地了解前述那些实现轻量化的技术途径是如何具体体现的。
        众所周知,大众汽车和奥迪汽车的发动机因其技术先进、性能优越而在业界享有盛誉,然而,到20世纪末、21世纪初,在发动机轻量化方面,人们却很少见到其产品应用铝合金缸体的情况。显然,这决不可能是产品研发部门漠视或忽视轻量化的原因。鉴于大众汽车发动机,尤其是占比日益增大的TSI机型,其强劲的燃烧爆发力对关键零部件选用材料抵抗热冲击效应的能力及稳定性等提出了很高的要求,故长期以来,无论大中小排量的发动机大多采用铸铁缸体。尽管相比铝合金、镁合金等轻质材料,铸铁在强度、工艺性和成本等方面有着较大的优势,但其比重大则成为发动机轻量化的一大劣势。为此,大众汽车和奥迪汽车采取了一系列有针对性的措施。
        至今,虽然在EA888系列中等排量及以上的发动机中,仍然基本上都用铸铁缸体,然而正是出于轻量化的考虑,EA888采用了薄壁铸造技术生产的缸体。从而在确保发动机强度和性能的前提下有效地降低了重量,为降低油耗带来了直接的好处。此外,大众汽车的产品工程师对发动机中任何一个可能降低重量的部件都潜心开发,比如,在EA888系列的1.8TSI/2.0TSI涡轮增压燃油直喷发动机中,即采用了一个铝合金附件支架来组合安装发电机、空调压缩机、皮带张紧器和机油滤清器等多个部件。这种设计与传统发动机每个零件都单独使用一个支架相比,大幅降低了重量,有助于油耗的降低;紧凑的设计减少了零件数量,也降低了用户的成本,维护更换也更为方便。
       

现代汽车发动机及其组件的轻量化

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        图3  新系列发动机曲轴的结构优化

        至于小排量发动机的轻量化,新推出不久的EA211系列是一个重要的起点,相比之前的小排量发动机产品,大众汽车通过采用诸多创新、有效的技术途径,显著地提升了产品的综合性能。具体可归纳为:
        (1)首次采用了铝合金缸体。
        (2)对功能组件,如外附件的结构和组成形式进行了优化,仅举图2所示与发动机驱动及油底壳两个系统有关的几个组件作为例子来予以说明。
        ①图2上图为驱动器件及相关附件,由于从应用于EA111的金属材质的传动链改成用于EA211的非金属齿形带,加上包括张紧、连接链轮和带轮的不同,已使后者重量有所下降;②驱动系统的外罩部件是一重要的外附件,从图2中图可见,EA111采取的是集成、整体式铝合金链轮罩壳(其中还包含了机油滤清器等功能件),而在EA211中则变成了如图所示的分体式结构,3个外罩件中,除了中间那个安装滤清器的为铝制件,另二个均为塑料件,从而大大减轻了后者重量;③图2下图为另一个功能组件——油底壳,从左、右两者的对比可见,EA111的壳体为薄钢板冲压件,其上还固定了一个用于润滑的由链轮驱动的油泵。而EA211油底壳的材质是铸铝,其上除了带有机油泵外,还固定了一个机油滤清器和一个空调压缩机,显然后者的集成化程度较前者更高。
        但是,事实上究竟选用什么样的轻量化途径还是要根据具体情况。从前面关于EA888系列中等排量发动机的介绍中可知,它所应用的一个铝合金附件支架(类似于图2中的罩壳)将功能相近的组件、部件通过集成化的方式组合起来,与图2下右EA211油底壳的情况相似。反之,从图2中右边EA211在处理链轮罩壳时的方式可看到,通过采取了不同于之前的分体式结构,产生的轻量化效果更好。
        (3)对发动机中的一些关键零件进行结构优化。图3、图4是新系列EA211发动机中两种典型零件曲轴、连杆经结构优化后,与之前EA111中的对应工件进行对比,即可清楚地看出两者之间的鲜明差异。先剖析一下EA211曲轴的结构优化,可以这样讲,设计开发部门已在技术允许的情况下把工件的减重、轻量化做到了极致,所采取的主要措施有四种。
        ①减少扇板数量,从传统的8片减少到4片;
        ②减小扇板的宽度,并进行形状优化;
        ③缩小主轴颈的尺寸,平均缩小10%,如对两款系列产品中的一同类型发动机(1.6L MPI),EA111机型的主轴颈外径为φ50mm,EA211则减为φ45mm;
        ④在每个连杆轴颈上加钻了去重孔。
        其他细节上的结构优化就更多了,如改变过渡部位的形状,采取圆角优化,增加多处凹坑等。如此,两者在自重上相比,新一代EA211发动机的曲轴重量较之EA111平均要减轻15%~20%。
       

现代汽车发动机及其组件的轻量化

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        图4  新系列发动机连杆的结构优化

        EA211发动机连杆的结构优化也十分明显,从图4可以看出:在确保工件强度和刚性的前提下,其杆部、乃至围绕大头孔部分都进行了中间“去肉”即削薄处理,若取杆部中截面观察,呈清晰的“工”字形;小大头孔部的上、下端面,在极大多数情况下都为一组平行面,但图4下表明,经结构优化后的这部分形状变成了锲形;其他还有若干处也体现了去重、优化,如小大头孔凸缘部分的削薄处理等,不一一说明。与上述EA211曲轴情况相似,经结构优化后的连杆重量较之EA11也有了明显的减轻。
        结论
        由于采用了诸多先进的发动机技术,并在轻量化方面采取了一系列创新、有效的措施,新系列的EA211小排量汽油发动机相比EA111在综合性能,包括在备受关注的能耗、减排方面都有了明显的提升。相比EA111,由于全新的EA211系列发动机更多地采用了如铝合金的轻质材料,又在组件和零部件的集成化、结构优化上有了很大的突破,使后者的质量整整减轻了约22kg,即达到18%左右,而燃油消耗也相应地下降了8%~10%。从两者的碳排放水平来看,EA211的减排效果也很明显,以有可比性的1.6L MPI发动机为例,每公里CO2的排放量可减少10g左右。
        由此可见,现代汽车的轻量化,包括发动机的轻量化,既涉及提高产品的开发、设计水平和制造工艺技术以应对商品经济环境下激烈的市场竞争,又是企业适应可持续发展社会需要的一种必然趋势。
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