新材料与工艺手册

现代汽车发动机及其组件的轻量化

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发表于 2013-4-28 00:00:00 | 显示全部楼层 |阅读模式

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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。
       

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

        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1.4 TSI等三款,后者包括1.8 TSI和2.0 TSI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1.4 TSI小排量发动机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1.8 TSI/2.0 TSI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。
        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。
        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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