重卡用柴油機(jī)輕量化技術(shù)

祝龍林 文/圖

要實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的輕量化，應(yīng)該根據(jù)產(chǎn)品定位，優(yōu)化設(shè)計(jì)能力和制造工藝水平進(jìn)行整體考慮，同時(shí)考慮成本因素，在滿(mǎn)足性能要求的前提下，選擇最合適的輕量化方法，實(shí)現(xiàn)減輕質(zhì)量的目的。

目前重卡主要通過(guò)3種途徑實(shí)現(xiàn)節(jié)能：一是采用新能源，二是應(yīng)用發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)節(jié)能技術(shù)，三是采用輕量化設(shè)計(jì)。其中輕量化設(shè)計(jì)是投入最少、見(jiàn)效最快的方法，有研究發(fā)現(xiàn)重卡整備質(zhì)量減少10%，油耗可降低4%～6%，同時(shí)重卡的舒適性也會(huì)有所提高。在重卡輕量化技術(shù)中，發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化技術(shù)是其中重要的一個(gè)方面。發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化技術(shù)主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)總成及零件輕量化設(shè)計(jì)、零件輕量化材料選擇以及輕量化制造工藝3個(gè)方面。

國(guó)內(nèi)外重卡用柴油機(jī)質(zhì)量現(xiàn)狀

由于發(fā)動(dòng)機(jī)排量各不相同，發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量指標(biāo)一般用升質(zhì)量來(lái)表示，即單位排量所具有的質(zhì)量(kg/L)，用來(lái)評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)是否緊湊、質(zhì)量是否合理。圖1和圖2示出了國(guó)內(nèi)外主流重卡柴油機(jī)的質(zhì)量指標(biāo)情況。從中可以看出，國(guó)內(nèi)外主流重卡柴油機(jī)的總體升質(zhì)量水品處于78～116 kg/L，其中國(guó)外為78～90 kg/L，國(guó)內(nèi)為85～116 kg/L，國(guó)外柴油機(jī)質(zhì)量明顯輕于國(guó)內(nèi)柴油機(jī)。

實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)輕量化的途徑

目前實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化的主要途徑有以下幾點(diǎn)：一是選用鋁合金、鎂合金、工程塑料等輕質(zhì)材料替代灰鑄鐵等傳統(tǒng)材料；二是集成功能組件，如外附件的結(jié)構(gòu)形式、組成的優(yōu)化和輕量化；三是功能相近的組件、部件的集成化或模塊化；四是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中的關(guān)鍵零件，如曲軸、連桿等進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1.輕量化設(shè)計(jì)

輕量化設(shè)計(jì)思路是輕量化設(shè)計(jì)的前提條件，首先要分析可行性，從原理上進(jìn)行設(shè)計(jì)。發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化主要是要求發(fā)動(dòng)機(jī)小型化，柴油機(jī)小型化主要采用共軌直噴技術(shù)(CRS)、渦輪增壓技術(shù)和可變氣門(mén)正時(shí)技術(shù)(VTEC)。渦輪增壓技術(shù)主要包括普通渦輪增壓、可變截面增壓(VGT)和雙級(jí)渦輪增壓，實(shí)驗(yàn)表明采用雙級(jí)渦輪增壓柴油機(jī)，其升功率和最大平均有效壓力可以提升10%，柴油機(jī)在整車(chē)上的占用空間可以節(jié)省15%。其他一些技術(shù)就是從零件原理上進(jìn)行輕量化，比如奔馳OM471歐Ⅵ發(fā)動(dòng)機(jī)采用整體式氣缸蓋，且氣缸蓋集成進(jìn)氣管和雙頂置凸輪軸，同時(shí)凸輪和凸輪軸采用熱壓裝配工藝，大大減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量。

集成式設(shè)計(jì)是輕量化設(shè)計(jì)的又一重要思路。比如一體式曲軸減振器(曲軸減振器集成曲軸皮帶輪)，不但具有減振功能，而且還具有皮帶輪的功能，可以驅(qū)動(dòng)皮帶，進(jìn)行動(dòng)力傳遞。

減少零件種類(lèi)也是柴油機(jī)輕量化技術(shù)的一種。比如柴油機(jī)附件支架采用集成式支架(空調(diào)壓縮機(jī)與發(fā)電機(jī)支架集成一體)，可以有效減輕柴油機(jī)質(zhì)量。

另外一種輕量化技術(shù)就是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化對(duì)柴油機(jī)零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)減重、提高模態(tài)頻率和增加強(qiáng)度和剛度的目的。

2.輕量化材料

輕量化材料指的是低密度、高強(qiáng)度，在整車(chē)上應(yīng)用后可提升單位面積承載質(zhì)量的材料，目前柴油機(jī)中最常用的輕量化材料有蠕墨鑄鐵、鋁合金、高強(qiáng)度鋼和復(fù)合材料等，高強(qiáng)度鋼又分為傳統(tǒng)高強(qiáng)度鋼和先進(jìn)高強(qiáng)度鋼2大類(lèi)，鋁合金又分為鑄造鋁合金和變形鋁合金2大類(lèi)，復(fù)合材料中目前應(yīng)用較多的是聚合物基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

表1 柴油機(jī)主要零件的輕量化材料對(duì)應(yīng)表

從表1可以看出，鋁及其合金作為一種輕質(zhì)材料在柴油機(jī)上應(yīng)用范圍較廣，日益受到柴油機(jī)制造企業(yè)的青睞，這類(lèi)材料具有密度小、比強(qiáng)度高、彈性好、熱導(dǎo)性好、加工簡(jiǎn)單、耐磨、耐腐蝕性、回收率高等特點(diǎn)。

蠕墨鑄鐵是重卡用大功率柴油機(jī)缸體、缸蓋材料的首選，是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，相對(duì)于目前使用的球鐵材料，蠕墨鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)具有以下特點(diǎn)：發(fā)動(dòng)機(jī)工作負(fù)荷不變，可減小壁厚，從而減輕質(zhì)量；如果設(shè)計(jì)不變，可以增加柴油機(jī)工作負(fù)荷；性質(zhì)變化小，可降低安全系數(shù)；降低氣缸體的變形，延長(zhǎng)“四配套”件的壽命；改善噪聲、振動(dòng)和不平順性。

3.輕量化制造工藝

輕量化制造工藝是將設(shè)計(jì)、材料變?yōu)楫a(chǎn)品的重要技術(shù)手段，也是銜接材料與結(jié)構(gòu)的橋梁。高強(qiáng)度鋼一般采用熱成形、液壓成形、輥軋成形、拼焊技術(shù)等；鋁合金一般采用低壓及差壓鑄造、壓力鑄造、擠壓鑄造、半固態(tài)鑄造、擠壓、液壓、鍛壓成形等；非金屬材料一般采用壓縮成型、注塑成型、樹(shù)脂傳遞成型等。

柴油機(jī)皮帶輪以前都采用鑄造工藝成形，隨著制造工藝水平的提高，旋壓成形技術(shù)被越來(lái)越多的企業(yè)采用。旋壓成形的優(yōu)點(diǎn)在于：產(chǎn)品精度高，表面光潔度好；材料利用率高，產(chǎn)品成本低；工藝和裝備簡(jiǎn)單、所需噸位小。旋壓成形技術(shù)作為具有減重、高效、節(jié)材、節(jié)能等特點(diǎn)的先進(jìn)制造技術(shù)，在柴油機(jī)輕量化研究方面具有重要意義。目前最先進(jìn)的旋壓技術(shù)叫做“鏟旋”，采用邊鏟邊旋邊堆積的方法，能直接從平板毛坯旋制出雙筒厚壁零件，最后用多楔型旋輪旋出外圍齒形。

綜上所述，要實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的輕量化，應(yīng)該根據(jù)產(chǎn)品定位，優(yōu)化設(shè)計(jì)能力和制造工藝水平，同時(shí)考慮成本因素，在滿(mǎn)足性能要求的前提下，選擇最合適的輕量化方法，實(shí)現(xiàn)減輕質(zhì)量的目的。