重卡用柴油机轻量化技术

祝龙林 文/图

要实现柴油机的轻量化，应该根据产品定位，优化设计能力和制造工艺水平进行整体考虑，同时考虑成本因素，在满足性能要求的前提下，选择最合适的轻量化方法，实现减轻质量的目的。

目前重卡主要通过3种途径实现节能：一是采用新能源，二是应用发动机先进节能技术，三是采用轻量化设计。其中轻量化设计是投入最少、见效最快的方法，有研究发现重卡整备质量减少10%，油耗可降低4%～6%，同时重卡的舒适性也会有所提高。在重卡轻量化技术中，发动机轻量化技术是其中重要的一个方面。发动机轻量化技术主要包括发动机总成及零件轻量化设计、零件轻量化材料选择以及轻量化制造工艺3个方面。

国内外重卡用柴油机质量现状

由于发动机排量各不相同，发动机的质量指标一般用升质量来表示，即单位排量所具有的质量(kg/L)，用来评价发动机结构是否紧凑、质量是否合理。图1和图2示出了国内外主流重卡柴油机的质量指标情况。从中可以看出，国内外主流重卡柴油机的总体升质量水品处于78～116 kg/L，其中国外为78～90 kg/L，国内为85～116 kg/L，国外柴油机质量明显轻于国内柴油机。

实现柴油机轻量化的途径

目前实现发动机轻量化的主要途径有以下几点：一是选用铝合金、镁合金、工程塑料等轻质材料替代灰铸铁等传统材料；二是集成功能组件，如外附件的结构形式、组成的优化和轻量化；三是功能相近的组件、部件的集成化或模块化；四是对发动机中的关键零件，如曲轴、连杆等进行结构优化。

1.轻量化设计

轻量化设计思路是轻量化设计的前提条件，首先要分析可行性，从原理上进行设计。发动机轻量化主要是要求发动机小型化，柴油机小型化主要采用共轨直喷技术(CRS)、涡轮增压技术和可变气门正时技术(VTEC)。涡轮增压技术主要包括普通涡轮增压、可变截面增压(VGT)和双级涡轮增压，实验表明采用双级涡轮增压柴油机，其升功率和最大平均有效压力可以提升10%，柴油机在整车上的占用空间可以节省15%。其他一些技术就是从零件原理上进行轻量化，比如奔驰OM471欧Ⅵ发动机采用整体式气缸盖，且气缸盖集成进气管和双顶置凸轮轴，同时凸轮和凸轮轴采用热压装配工艺，大大减轻了发动机的质量。

集成式设计是轻量化设计的又一重要思路。比如一体式曲轴减振器(曲轴减振器集成曲轴皮带轮)，不但具有减振功能，而且还具有皮带轮的功能，可以驱动皮带，进行动力传递。

减少零件种类也是柴油机轻量化技术的一种。比如柴油机附件支架采用集成式支架(空调压缩机与发电机支架集成一体)，可以有效减轻柴油机质量。

另外一种轻量化技术就是结构优化设计，结合拓扑优化、形状优化和尺寸优化对柴油机零件进行结构优化设计，实现减重、提高模态频率和增加强度和刚度的目的。

2.轻量化材料

轻量化材料指的是低密度、高强度，在整车上应用后可提升单位面积承载质量的材料，目前柴油机中最常用的轻量化材料有蠕墨铸铁、铝合金、高强度钢和复合材料等，高强度钢又分为传统高强度钢和先进高强度钢2大类，铝合金又分为铸造铝合金和变形铝合金2大类，复合材料中目前应用较多的是聚合物基纤维增强复合材料。

表1 柴油机主要零件的轻量化材料对应表

从表1可以看出，铝及其合金作为一种轻质材料在柴油机上应用范围较广，日益受到柴油机制造企业的青睐，这类材料具有密度小、比强度高、弹性好、热导性好、加工简单、耐磨、耐腐蚀性、回收率高等特点。

蠕墨铸铁是重卡用大功率柴油机缸体、缸盖材料的首选，是未来的发展趋势，相对于目前使用的球铁材料，蠕墨铸铁发动机具有以下特点：发动机工作负荷不变，可减小壁厚，从而减轻质量；如果设计不变，可以增加柴油机工作负荷；性质变化小，可降低安全系数；降低气缸体的变形，延长“四配套”件的寿命；改善噪声、振动和不平顺性。

3.轻量化制造工艺

轻量化制造工艺是将设计、材料变为产品的重要技术手段，也是衔接材料与结构的桥梁。高强度钢一般采用热成形、液压成形、辊轧成形、拼焊技术等；铝合金一般采用低压及差压铸造、压力铸造、挤压铸造、半固态铸造、挤压、液压、锻压成形等；非金属材料一般采用压缩成型、注塑成型、树脂传递成型等。

柴油机皮带轮以前都采用铸造工艺成形，随着制造工艺水平的提高，旋压成形技术被越来越多的企业采用。旋压成形的优点在于：产品精度高，表面光洁度好；材料利用率高，产品成本低；工艺和装备简单、所需吨位小。旋压成形技术作为具有减重、高效、节材、节能等特点的先进制造技术，在柴油机轻量化研究方面具有重要意义。目前最先进的旋压技术叫做“铲旋”，采用边铲边旋边堆积的方法，能直接从平板毛坯旋制出双筒厚壁零件，最后用多楔型旋轮旋出外围齿形。

综上所述，要实现柴油机的轻量化，应该根据产品定位，优化设计能力和制造工艺水平，同时考虑成本因素，在满足性能要求的前提下，选择最合适的轻量化方法，实现减轻质量的目的。