实现发动机轻量化的技术途径及实际应用

现今，实现发动机轻量化的途径主要有以下几点：选用铝合金/镁合金、工程塑料等轻质材料替代灰铸铁等传统材料；功能组件，如外附件的结构形式、组成的优化和轻量化；功能相近组件、部件的集成化或模块化；对发动机中的那些关键零件，如曲轴、连杆等进行结构优化。

新一代中等排量系列发动机的轻量化简析

排量为1.8L和2.0L的EA113、EA188等系列的汽油发动机，作为德国大众品牌中级轿车的主供发动机，自上世纪九十年代中开始批量生产以来，直至前几年才渐渐被取代，服役了十年有余。本世纪初，德国大众和奥迪先后推出了EA111和EA888两个中、小排量系列的发动机，前者包括1.4L MPI(多点电喷)、1.6L MPI和1.4L TSI(涡轮增压+燃油直喷机型)等三款，后者包括1.8L TSI和2.0L TSI这二款，而EA211则是德国大众近几年推出的一款最新系列的小排量发动机，包含了从1.0L~1.6L的多种MPI和TSI机型。其与上世纪九十年代生产的EA113、EA188等系列发动机对比，实现了较大幅度的轻量化。

众所周知，大众和奥迪的发动机因其技术先进、性能优越而在业界享有盛誉，而在总成、组件和零件的轻量化方面不断取得的进展即是其中的具体体现之一。例如，相比EA113、EA188系列发动机中所采用的整体式四气门和五气门(材料为冷激铸铁)凸轮轴，为了有效地减轻重量，EA888发动机采用了轻量化的中空凸轮轴。为此，应用了全新的装配式毛坯件制造工艺，方法是将预制凸轮和相关部件装配到一根钢管上，焊接固定其轴向和角向位置。另外，通过曲轴、连杆等零件结构的局部优化，也达到了一定程度减轻重量的目的。

在发动机轻量化方面，很少有应用铝合金气缸体的情况。鉴于大众汽车的发动机，尤其是占比日益增大的TSI(涡轮增压+燃油直喷)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，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、奥迪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，出于轻量化的考虑，采取了薄壁铸造技术生产的缸体，在确保发动机强度和性能的前提下有效地降低了重量。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。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、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，维护更换更为方便。

现代小排量汽车发动机轻量化的案例剖析

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。归纳起来，主要有以下几点：

1.产品中首次采用了铝合金气缸体，以替代传统的灰铸铁气缸体。

2.对功能组件，如外附件的结构、组成形式进行了优化。如，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；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，另两个均为塑料件，从而大大减轻了后者重量；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，显然后者集成在发动机外附件结构、组成的优化示例化程度较前者更高。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。

3.对发动机中的一些关键零件进行结构优化：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。EA211曲轴的结构优化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减少扇板数量，从传统的8片减少到4片；减小扇板的宽度，并进行形状优化；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；在每个连杆轴颈上加钻了去重孔。

其它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%。

EA211发动机连杆的结构优化也十分明显，在确保工件强度和刚性的前提下，其杆部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，经结构优化后的这部分形状变成了锲形；其它还有若干处也体现了去重、优化，如连杆小大头孔凸缘部分的削薄处理等。与上述EA211发动机曲轴的情况相似，经结构优化后的连杆重量较之EA11也有了明显的减轻。

相比EA111，由于全新的EA211系列发动机更多地采用了如铝合金一类的轻质材料，又在组件和零部件的集成化、结构优化上有了很大的突破，使后者的重量整整减轻了约22kg，即达到18%左右，而燃油消耗也相应地下降了8%~10%。再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，包括发动机总成的轻量化，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，又是企业适应社会可持续发展的必然趋势。