德B.LINDEMANN S.GHETTI R.BEY C.KAYACAN

摘要

基于輕型發(fā)動機LeiMot研究項目，F(xiàn)EV公司與其合作伙伴共同開發(fā)了全新的研究方法，采用了通過增材制造（AM）技術(shù)生產(chǎn)的大型發(fā)動機部件，同時擴大了塑料應(yīng)用范圍，減輕整機質(zhì)量，并優(yōu)化了其功能。

關(guān)鍵詞

內(nèi)燃機;增材制造技術(shù);塑料;曲軸箱;冷卻

0 前言

通過采用最新的傳統(tǒng)制造工藝，研究人員對以全鋁設(shè)計的現(xiàn)代乘用車汽油機和柴油機的成本和質(zhì)量進行了優(yōu)化。近年來，這些發(fā)動機的質(zhì)量功率比有了進一步優(yōu)化。3缸和4缸發(fā)動機的質(zhì)量功率比約為1.1 kg/kW[1]。這一特征代表了材料特性、負荷曲線和結(jié)構(gòu)利用率在既定制造邊界條件下的平衡。這表明傳統(tǒng)制造工藝無法進一步減輕整機質(zhì)量。在材料及負荷曲線相似或相同的情況下，研究人員將傳統(tǒng)制造工藝替換為激光粉床熔化（LPBF）技術(shù)，從而可進一步減輕整機質(zhì)量。

在由德國聯(lián)邦經(jīng)濟與能源部（BMWi）支持的輕型發(fā)動機LeiMot研究項目中，F(xiàn)EV公司將LPBF工藝用于氣缸蓋和曲軸箱的開發(fā)進程中。研究人員選擇大眾公司EA288 evo系列2.0 L渦輪增壓直噴（TDI）柴油機作為基礎(chǔ)發(fā)動機，并進行了一系列優(yōu)化，使開發(fā)出的新組件符合替代理念。針對該項目中采用增材制造（AM）技術(shù)的鋁部件的特點，研究人員選用了該工藝過程中最常用的AlSi10Mg材料。增材制造技術(shù)具有更高的自由度，不僅可以減少整機質(zhì)量，還可用于改善發(fā)動機功能。

在開發(fā)LeiMot研究項目時，氣缸蓋和曲軸箱的設(shè)計從概念到制造過程（包括校準(zhǔn)和后處理）始終遵循增材制造技術(shù)的邊界條件[2]。

此外，熱固性注塑成型工藝的應(yīng)用也是開發(fā)目標(biāo)之一。為了合理使用該工藝，研究人員需要開發(fā)1種合適的曲軸箱概念?？捎玫牟牧蠟榛诓ＡЮw維增強酚醛樹脂而開發(fā)的纖維增強復(fù)合塑料（FRP）。

1 組件概念

研究人員首先對氣缸蓋和曲軸箱進行了功能分解。通過該方式，研究人員可以分析每個功能，并可以根據(jù)給定的邊界條件進行設(shè)計優(yōu)化。此外，研究人員需要確保LeiMot氣缸蓋能與大眾曲軸箱實現(xiàn)相互兼容。同時，研究人員必須保留參考發(fā)動機的重要接口和組件，尤其是曲柄連桿機構(gòu)、配氣機構(gòu)及換氣組件。

研究人員通過專門的設(shè)計方法，使厚度不大于2 mm的材料實現(xiàn)了冷卻、潤滑及換氣等功能，晶格結(jié)構(gòu)的厚度明顯小于2 mm。與傳統(tǒng)的鑄造工藝相比，該方法可以根據(jù)負荷的不同而采用多種壁厚參數(shù)，且不會存在與傳統(tǒng)制造相關(guān)的結(jié)構(gòu)弱點。

2 氣缸蓋

研究人員將開發(fā)重點首先放在氣缸蓋總體結(jié)構(gòu)上，以便有針對性地對高機械應(yīng)力區(qū)域進行設(shè)計。燃燒過程會導(dǎo)致彎曲應(yīng)力的出現(xiàn)，并使發(fā)動機總成承受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。因此氣缸蓋結(jié)合了采用雙T形梁（IPB）的閉口剪切盒（圖1）[3]。該款最新設(shè)計的氣缸蓋質(zhì)量約為8.5 kg，比參考氣缸蓋輕約22%。

3 曲軸箱與底板

在隔板之間，研究人員為曲軸箱設(shè)計了水平支承結(jié)構(gòu)。如果沒有采用局部加固的功能組件（例如水通道或油道等），則可通過十字肋加固開放式結(jié)構(gòu)。此外，研究人員通過采用2條連接管，加固了平衡軸區(qū)域的隔板（圖2）。

出于對質(zhì)量和剛度等方面的考慮，研究人員將參考發(fā)動機的深裙式結(jié)構(gòu)設(shè)計方案調(diào)整為配備有鋁制底板的短裙式結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。由于采用了鋁制底板，發(fā)動機省去了重型鋼制主軸承蓋，同時曲軸箱下半部得到了加固。與帶有鋼制主軸承蓋的同類曲軸箱相比，該設(shè)計方案可使整機質(zhì)量減輕約2 kg。

研究人員通過采用拓撲方法，對組件的主要流動路徑進行了優(yōu)化分析，并為隔板外部等低應(yīng)力區(qū)域設(shè)計出了空腔和晶格結(jié)構(gòu)（圖2）。上述分析為受熱負荷和機械負荷影響下的組件邊界優(yōu)化過程提供了基礎(chǔ)，研究人員后續(xù)將在項目中開展深入研究。

研究人員通過對氣缸蓋和曲軸箱底板的設(shè)計方案進行計算驗證，得出了相應(yīng)的評估結(jié)果，該款標(biāo)準(zhǔn)符合系列產(chǎn)品的開發(fā)要求。

對于接近極限的輕型設(shè)計方案而言，研究人員在設(shè)計過程中對材料特性進行了深入了解。由于該款材料有著特殊的微觀結(jié)構(gòu)，通過AM技術(shù)生產(chǎn)的部件的機械性能與通過傳統(tǒng)鑄造工藝制成的部件的機械性能之間，存在著顯著差異[4]。因此，研究人員通過樣本研究了AM技術(shù)所采用的材料在不同溫度條件下的多項機械性能，并將結(jié)果用于計算過程中。

在機械應(yīng)用中，采用晶格結(jié)構(gòu)（圖2）會大幅增加有限元（FE）模型的復(fù)雜性，從而延長了計算時間。因此，在整體模型的計算過程中，研究人員通過簡化的替代元素表示晶格結(jié)構(gòu)，這些替代元素具有與所用晶格結(jié)構(gòu)相同的機械性能。

4 冷卻

LeiMot研究項目采用了橫流冷卻的概念，其目的是有針對性地對各個氣缸進行冷卻，同時減少冷卻液的流量。由于發(fā)動機在冷起動期間的熱慣性較低，所以加熱時間較短。氣缸蓋的各條管道采用了規(guī)定的直徑（要道冷卻），可使冷卻液繞氣門座圈和噴油器軸進行流動（圖3）。冷卻系統(tǒng)所引入的熱量會在高溫點處被直接吸收，并以較高流速進行傳輸。與具有更大容量的水套相比，這些管道的優(yōu)點是增加了燃燒室板的剛度。為了在采用較少冷卻液的情況下對排氣道區(qū)域進行充分冷卻，研究人員在排氣道周圍布置了厚度為5 mm的水套（圖3）。此外，這種設(shè)計還能對熱負荷較高的排氣側(cè)氣門導(dǎo)管進行充分冷卻。與熱力有限元分析進行對比可知，采用相同的水泵，氣缸蓋燃燒室板的溫度最多可降低40 ℃（圖4）。這意味著該設(shè)計方案可以降低水泵的驅(qū)動功率，同時還可以縮短暖機時間。即使流經(jīng)氣缸蓋和曲軸箱的冷卻液總流量減少了40%，其最大壁溫仍遠低于采用傳統(tǒng)水套的參考發(fā)動機的壁溫。

為進一步改善曲軸箱的冷卻性能并使氣缸溫度實現(xiàn)均勻分布，研究人員在缸套間采用了寬2 mm，高3 mm的橢圓形冷卻通道，以此對內(nèi)孔進行冷卻。此外，水套內(nèi)部為經(jīng)過充分優(yōu)化的晶格結(jié)構(gòu)（圖3）。該結(jié)構(gòu)擴大了傳熱面積，改善了冷卻液流動過程，并提高了氣缸剛度。改善后的缸套冷卻系統(tǒng)可使缸套變形更為均勻，并能相應(yīng)改善摩擦和漏氣現(xiàn)象。

5 機油循環(huán)

研究人員采用機油循環(huán)概念的主要目標(biāo)是減少壓力損失，以便使發(fā)動機在正常運行和冷起動期間，具有更強的性能優(yōu)勢。通過采用AM技術(shù)，研究人員設(shè)計出了無明顯偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象的新型油道方案（圖5）。氣缸蓋和曲軸箱中的油道（直徑范圍為3～8 mm）可實現(xiàn)直接打印。彎曲的通道和平緩變化的橫截面會使氣缸蓋和曲軸箱內(nèi)部管道系統(tǒng)的壓力損失降低約22%。

研究人員通過采用反向虹吸管，以防止主油道在非工作時間排放機油，從而改善了冷起動期間的配氣機構(gòu)組件的供油效果（圖5）。

最初的拓撲研究表明，帶有空心隔板的曲軸箱具有足夠高的剛度。隨后，研究人員對設(shè)計方案進行了調(diào)整，將曲軸箱的中空部分設(shè)計為回油通道。

6 排氣道隔熱

AM技術(shù)的設(shè)計自由度有利于研究人員直接將各種結(jié)構(gòu)集成到生產(chǎn)過程中。研究人員有針對性地對具有氣隙和較少導(dǎo)熱橫截面的絕緣晶格元件進行了設(shè)計，從而優(yōu)化了排氣道的隔熱效果（圖6），并可減少進入氣缸蓋冷卻液的排氣熱量。在額定功率條件下，該隔熱系統(tǒng)可使流入氣缸蓋的熱流量減少5%。這可以縮短排氣后處理系統(tǒng)的預(yù)熱時間，并提高渦輪入口溫度。

通過有限元分析，研究人員對排氣道主要結(jié)構(gòu)的分布情況進行了優(yōu)化，目的是在材料邊界范圍內(nèi)使排氣道壁溫實現(xiàn)最大化，同時使壁溫分布更均勻。最高壁溫會達到約200 ℃，仍遠低于材料極限溫度。

7 曲軸箱蓋

德國Fraunhofer化學(xué)技術(shù)研究所的研究人員選用了鋁塑混合設(shè)計方案，并對由高性能纖維增強復(fù)合材料制成的曲軸箱進氣側(cè)和排氣側(cè)的側(cè)壁進行了優(yōu)化。大量塑料組件是由玻璃纖維增強的酚醛樹脂模制化合物注塑而成。研究人員選擇了熱固性塑料作為材料，這是由于其密度較低，對油和乙二醇具有較好的耐腐蝕性，同時具有良好的機械性能，并能承受較高的工作溫度，幾乎沒有發(fā)生蠕變的趨勢[5]。

熱固性側(cè)壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計重點是需要采用功能高度集成的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。冷卻液通道、機械驅(qū)動的水泵、機油濾清器、機油冷卻器，以及冷卻液的分配模塊等均集成在該結(jié)構(gòu)中。

研究人員為1款曲軸箱的側(cè)壁選用了玻璃纖維增強酚醛樹脂材料，使其質(zhì)量比采用傳統(tǒng)鋁側(cè)壁的曲軸箱要輕15%，同時研究人員選用了硅基粘合劑來密封冷端。與其他粘合劑相比，該粘合劑具有更高的斷裂延伸率，可以補償熱固性塑料與鋁的不同熱膨脹特性。通過采用自成型螺栓，研究人員直接將冷端的側(cè)壁固定在曲軸箱上。

為了改善噪聲-振動-平順性（NVH），研究人員采用了振動解耦元件，并將熱端（排氣側(cè)）的側(cè)壁安裝到曲軸箱上。這些解耦元件可通過螺栓固定在鋁材料上，并通過彈性體將熱固性側(cè)壁壓緊在曲軸箱上。研究人員采用彈性密封件對熱端與曲軸箱進行了密封。熱端和冷端采用了不同的連接技術(shù)，研究人員由此可以在LeiMot原型機的基礎(chǔ)上比較這2種連接技術(shù)。

8 聲學(xué)

在發(fā)動機運行時，局部較弱的結(jié)構(gòu)元件具有較高的振動幅度，這對輕型發(fā)動機項目是1項重要挑戰(zhàn)。針對動態(tài)結(jié)構(gòu)的計算表明，研究人員需要加強曲軸箱的扭轉(zhuǎn)運動和剪切運動。因此，從最初的發(fā)動機概念開始，研究人員就持續(xù)對其NVH特性進行了評估，并將其結(jié)果用于設(shè)計和耐久性計算中[6]。

LeiMot曲軸箱增加了針對氣門罩和油底殼的輻射現(xiàn)象，而發(fā)動機的主要聲輻射常出現(xiàn)在上述部件中。應(yīng)注意的是，新型曲軸箱側(cè)蓋不會增加空氣傳播的噪聲輻射。研究表明，分離后的側(cè)蓋與牢固連接的側(cè)蓋之間的差異可忽略不計，并且不會產(chǎn)生明顯的共振現(xiàn)象。氣門罩和油底殼的輻射仍占據(jù)主導(dǎo)地位。

研究人員通過優(yōu)化，使曲軸箱質(zhì)量減少超過21%，并與空氣A加權(quán)噪聲聲壓級增加的2.3 dB形成了對比。減少的質(zhì)量是主要激勵來源之一。通過隔板之間的加強肋和平衡軸周圍的管狀結(jié)構(gòu)，研究人員可以對附加剪切模式進行調(diào)整，從而使固有頻率維持在1 100 Hz左右。

9 結(jié)語

研究人員通過采用LPBF等新制造工藝，可進一步減輕柴油機質(zhì)量。與現(xiàn)有的大眾EA288 evo系列2.0 L柴油機相比，LeiMot研究項目可使氣缸蓋和曲軸箱的質(zhì)量減輕約21%。

除了減輕質(zhì)量之外，參與LeiMot項目的研究人員還通過采用以下措施來提高整機效率：（1）減少水泵和機油泵所消耗的功率;（2）改善活塞-缸套組件的摩擦;（3）通過排氣道隔熱降低冷起動時的排放;（4）通過排氣道隔熱提高渦輪增壓器的渦輪功率。

2021年，F(xiàn)EV公司將制造出5個LeiMot產(chǎn)品原型，并通過機械和熱力學(xué)試驗對其進行檢驗。LeiMot研究項目有力證明了新制造工藝的設(shè)計可行性。此外，該項目還有助于研究人員探索用于內(nèi)燃機開發(fā)的新方法。

在中短期內(nèi)，大批量通過AM技術(shù)生產(chǎn)的組件（例如LeiMot研究項目所開發(fā)的組件）依然很難與大眾市場的傳統(tǒng)制造工藝進行競爭。在飛機部件制造等小批量生產(chǎn)過程中，AM技術(shù)已成功應(yīng)用于小型部件中。AM技術(shù)也可以為傳統(tǒng)制造工藝帶來好處，例如可將用于砂芯的花絲結(jié)構(gòu)集成到傳統(tǒng)鑄造工藝中。

未來，研究人員還可以采用混合解決方案，將AM技術(shù)與傳統(tǒng)制造工藝結(jié)合在一起，從而進一步提升制造品質(zhì)。

參考文獻

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李媛媛 譯自 MTZ，2020，81（12）

伍賽特 編輯

（收稿時間：2021-05-06）