柴油机轻量化 提升燃油经济性

在重型卡车发动机中适当选用铝合金材料可有效减重，提升燃油经济性。 　　诸如重型卡车等公路车辆对轻量化的需求日益增长。今年，新型商用卡车必须满足温室效应气体（GHG）排放法规和燃油经济标准，而这些标准到2018年将会更加严苛。 　　为满足柴油排放要求，卡车制造商增配的柴油颗粒过滤器（diesel particulate filter，DPF）和选择性催化还原（selective catalytic reduction，SCR）系统导致整车重量增加数百磅。为满足减少制动距离的法规要求，制造商不得不加大刹车鼓的尺寸，这便又导致了重量增加。某种程度上受燃油经济性和GHG排放标准影响，车辆的空气动力系统得到了改进，提高了车辆效率，但这些部件通常重达数百磅。 　　降怠速计划推动了辅助动力装置（auxiliary power unit，APU）的采用，但是电池装置和柴油驱动装置会导致卡车重量增加500磅。转化为天然气可在短短两年内实现投资回报，但相关附件会导致卡车增重2000磅。 　　而另一方面，为吸引司机所采用的高级内饰导致卡车至少增重100磅，这也正是车队所关心的重要问题。综上，高端的“节能高效型”卡车要比标准卡车重2390磅。 　　因此，这便有了大量的减重空间，其中大部分可通过替换钢材和其他材料来实现。锻铝车轮可替换钢制车轮，铁轮毂可由铸铝轮毂取代。此外，还可选用锻铝备用车轮和模塑成形的复合材料车身壁板，采用6x2驱动形式。6x2仅有一个驱动桥，可减重400磅。 　　此外，采用最新的金属材料和加工技术，也有望实现发动机减重。 　　铝在柴油机制造中的使用由来已久，但并不像在汽油机中那么常见。柴油航空发动机制造商DeltaHawk已有十年以上生产铸铝发动机缸体和缸盖的经验。奔驰汽车于2005年开始在柴油机中采用铸铝缸体，2014款Sprinter商用车的发动机即采用了铸铝缸盖以及带有蠕墨铸铁缸套的缸体。 　　最近，全新的康明斯5升ISV5.0柴油机采用了铝制进气歧管，铝制活塞以及高强度铝合金缸盖（参见2014年3月《柴油机进展》）。 　　与标准的铸铁材料相比，铝的密度较低，为0.1磅/立方英寸，而灰铸铁为0.26磅/立方英寸。铝具有耐腐蚀性，散热能力是铁的三倍，机加容易且可循环利用。从制造角度来说，铝更易于铸造复杂的冷却水套。 　　铝的缺点是硬度低，耐磨性和减振性差，且与铸铁相比，铝不耐高温。 　　然而，美国铸造协会一篇题为“250摄氏度高温下铸造铝合金的发展现状”（作者为D.J. Weiss, G.A. Gegel and K.S. Sadayappan）的文章认为，在铝中添加钪可提高其高温性能。铝钪合金在250摄氏度（482华氏度）所表现出的机械性能比锻铝合金2618高3.6倍，比铸铝合金354高2.1倍。 采用铸铝缸盖及铸铁缸套的发动机 由Al-SiC 石墨复合材料（一种金属基复合材料）制成的缸套。 自然凝固仿真可在设计阶段发现铸造时可能出现问题的区域 流体仿真可体现铸造过程中的某些金属特性 有限元仿真可预测铸铝发动机缸体的性能 　　通过改变金属合金中成分含量可以较好地改善其性能。将铝合金A356中的硅含量由常规的7%降至4%，此时强度不变，但延伸率由75%增至100%。这预示着该合金可延长进气歧管和缸盖的寿命。 　　200系列铝合金通过添加铜和其他元素来改善性能，其中206添加了钛；201添加了银；224添加了钛、锆和钒；242添加了钛、镍和铬。这些合金的高温特性优于常见的铝硅合金。此外，发动机设计中的关键设计参数——低周疲劳特性，在A206合金中得到了显著改善。 　　气缸中采用钢或铁制衬垫很常见，Eck工业集团一直致力于开发由铝复合材料（铝基体中含有碳化硅和石墨）制成的衬垫。碳化硅提供硬度和耐磨性，石墨提供润滑能力，从而最小化油量，并避免油窜气。对配备铁制缸套和配备铝复合材料缸套的铸铝压缩机进行测试，结果表明由于铝复合材料缸套的传导性优于铁制缸套，气缸温度下降60~80华氏度。将铁置换成铝后，重量也得到了减轻。 　　铝碳化硅复合材料，即一种金属基复合材料（MMC），也已被应用到铝制缸体的主轴承盖中。与铝相比，金属基复合材料的硬度要高20%~50%，且热膨胀系数较低。 　　铸铝技术也有了长足的进展，有望进一步实现柴油机轻量化。柴油机建模和仿真技术日益成熟。3D打印技术不仅有助于工程师们可视化地表达新设计，而且可大幅缩短生产样机用时。在铸造领域中，模拟金属流动的仿真工具也得到极大地改进。分析人员可精确地预测区域的孔隙率、高速充填物、温度，以及某些合金的力学特性。自然的仿真模型可基于概念设计的CAD模型来显示存在气孔的相关区域。 　　当仿真分析开始时，铸造工程师们就会和设计工程师们一起工作，以便掌握那些需要具备最优材料特性的区域，以及进料口和回填管所处位置之间的区域。在仿真阶段开展这种合作关系，可有效提升铸造性能，以及制造过程的可重复性和可靠性。 　　金属流动仿真软件公司与铸造厂合作，以确保其模型能够真实模拟实际问题。并非所有材料的流动性均相同，特别是铝硅合金和铝铜合金。诸如铝铜合金A206，其具备相当高的强度、疲劳、高温特性，但是由于不含硅，其流动性和凝固方式与常见的铸铝合金A356极为不同。 　　随着仿真技术的提高，工程师可通过仿真方式来预测铸造过程中的金属特性。 　　随着对产品性能、燃油经济性和减排需求的日益增加，制造商们将不断思考为其产品减重的方法。设计工程师们与铸造工程师们联手，可有效推动柴油机轻量化的发展，不断实现柴油机技术革新。