JX4D20柴油機(jī)的輕量化技術(shù)

曹輝，陳劼

(江鈴汽車股份有限公司動(dòng)力傳動(dòng)開(kāi)發(fā)部,江西南昌 330030)

0 引言

減輕汽車自身的質(zhì)量是降低汽車排放、提高燃燒效率的最有效措施之一。輕量化技術(shù)在歐美主流國(guó)家已經(jīng)研發(fā)多年，是汽車發(fā)展的必然趨勢(shì)，在動(dòng)力、節(jié)油、安全、操控等方面將全面提升汽車性能[1]。

汽車輕量化是一個(gè)系統(tǒng)工程，它涉及整車設(shè)計(jì)、工程材料和制造工藝等各個(gè)領(lǐng)域。發(fā)動(dòng)機(jī)是整車的心臟，它在整車系統(tǒng)零部件中的重要度、成本及質(zhì)量，均處于重要位置，堪稱第一關(guān)鍵系統(tǒng)。減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量，對(duì)降低整車的油耗、改善操控性能有很大的貢獻(xiàn)[2]。

JX4D20汽車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)是為匹配某公司馭勝SUV及域虎Pickup系列車型而開(kāi)發(fā)的新型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。在JX4D20柴油機(jī)的開(kāi)發(fā)中，輕量化技術(shù)應(yīng)用是其創(chuàng)新技術(shù)之一，首先通過(guò)小排量設(shè)計(jì)及VGT 渦輪增壓技術(shù)達(dá)到既降低發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量，又獲得良好行駛動(dòng)力、降低油耗及減少排放的目的；其次采用輕量化的材料和緊湊的零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)降低發(fā)動(dòng)機(jī)總成的質(zhì)量，同時(shí)采用先進(jìn)的集成與模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，通過(guò)減少零件種類進(jìn)而達(dá)到輕量化的目的。

1 柴油機(jī)輕量化技術(shù)路線

發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化設(shè)計(jì)最直接的方法即小排量設(shè)計(jì)。發(fā)動(dòng)機(jī)小排量設(shè)計(jì)是指在原先大3D尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，通過(guò)一系列的先進(jìn)技術(shù)，減小發(fā)動(dòng)機(jī)的排量，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的3D尺寸縮小，即實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的小型化，但是發(fā)動(dòng)機(jī)的性能沒(méi)有降低，升功率甚至有所提高。進(jìn)而達(dá)到既降低發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量，又獲得良好行駛動(dòng)力、降低油耗及減少排放的目的。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)零部件也進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)。

渦輪增壓實(shí)際上不是一個(gè)新的技術(shù)，它在過(guò)去是用來(lái)增加性能的。但現(xiàn)在應(yīng)用該技術(shù)，更多的是為了小型化設(shè)計(jì)，減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量，而且不會(huì)降低駕乘者的體驗(yàn)，用更小尺寸的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)保持其性能，這樣就可以使用更少的燃油，并且減少排放[3]。渦輪增壓可以大幅度提高功率和扭矩，而裝配可變截面增壓器(Variable Geometry Turbocharger，VGT)與裝配非可變截面增壓器(Waste Gate Turbocharger，WGT)相比，由于渦輪增壓器內(nèi)部葉片開(kāi)合角度的伺服元件為電子加電動(dòng)機(jī)模塊，可以通過(guò)檢測(cè)VGT電動(dòng)機(jī)模塊位置傳感器和增壓壓力傳感器的實(shí)時(shí)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)增壓器葉片角度、增壓壓力的雙重閉環(huán)控制，大大提高系統(tǒng)的控制精度，而電動(dòng)機(jī)的速度優(yōu)勢(shì)可以提高增壓器葉片的響應(yīng)速度，能夠把渦輪遲滯現(xiàn)象(Turbo Lag)減輕到最小的程度，最大功率可再增加大約35%以上。這意味著小排量的發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)增壓后，可以產(chǎn)生較大排量發(fā)動(dòng)機(jī)相同的功率，另外還能提高燃油經(jīng)濟(jì)性和降低尾氣排放。

采用低密度的材料和緊湊的零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)降低發(fā)動(dòng)機(jī)總成的質(zhì)量是基本的技術(shù)路線。輕量化的零部件設(shè)計(jì)一是采用低密度的材料，二是通過(guò)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)降低質(zhì)量。采用低密度的材料是減輕發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量最直接的方法，如用鋁合金、鎂合金替代鑄鐵材料，用球墨鑄鐵替代碳鋼，用工程塑料、碳化纖維替代鋁合金等[4]。因?yàn)殒V及塑料更輕，鎂合金及工程塑料在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。發(fā)動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)采用集成與模塊化設(shè)計(jì)，不同功能件集成于一體，達(dá)到減少發(fā)動(dòng)機(jī)零件數(shù)目、縮小3D尺寸的目的，進(jìn)而可顯著減少發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量。集成與模塊化設(shè)計(jì)也可降低發(fā)動(dòng)機(jī)故障頻次，實(shí)現(xiàn)卓越的可靠性，節(jié)省維修時(shí)間，同時(shí)也方便拆裝。

2 JX4D20柴油機(jī)輕量化技術(shù)的應(yīng)用

JX4D20柴油機(jī)應(yīng)用小排量設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)輕量化。在2.4 L的基礎(chǔ)上，通過(guò)縮小缸徑和行程，變更為2.0 L的排量，兩者的3D尺寸基本相同，但是JX4D20柴油機(jī)采用了新一代的效率更高的Honeywell 可變幾何截面VGT增壓器(見(jiàn)圖1)，因此排量2.0 L的JX4D20柴油機(jī)的性能沒(méi)有降低，其最大功率達(dá)到103 kW，最大扭矩達(dá)到了360 N·m，而且外特性BSFC油耗及NEDC循環(huán)油耗也可降低0.5%～1% 。

圖1 高效的可變幾何截面VGT增壓器與VGT 葉片調(diào)節(jié)示意

表1是JX4D24及JX4D20柴油機(jī)性能參數(shù)比較。JX4D24柴油機(jī)增壓器從FGT變更為VGT，升功率由37.5 kW/L提高到43 kW/L，提高了約15%，最大扭矩由300 N·m提高到375 N·m，提高了約25%。而由2.4 L的FGT增壓器柴油機(jī)(JX4D24A4L)，變更為小排量2.0 L升的VGT增壓器柴油機(jī)(JX4D20D5L)，升功率由37.5 kW/L提高到51.5 kW/L，提高了約37%，最大扭矩由300 N·m提高到360 N·m，提高了約20%。

表1 JX4D24及JX4D20柴油機(jī)性能參數(shù)比較

在JX4D20柴油機(jī)輕量化設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，結(jié)構(gòu)零部件盡可能選用鋁合金、粉墨冶金、球墨鑄鐵、工程塑料(PA66)等低密度的輕量化材料，通過(guò)計(jì)算機(jī)CAE有限元分析，優(yōu)化零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，降低多余的質(zhì)量。JX4D20柴油機(jī)結(jié)構(gòu)零部件主要制造材料相對(duì)于4 ℃下同體積水的密度(比重)見(jiàn)表2。

表2 JX4D20柴油機(jī)結(jié)構(gòu)零部件主要制造材料相對(duì)于4 ℃下同體積水的密度

發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件中，鋁合金材料輕量化效果最為明顯，一般可減重30%以上[5]。如缸蓋、缸體裙架、凸輪室、支座與支架類零件等采用低密度的鋁合金材料(AlSi10Mg、AlSi9Cu3等)。

其他的低密度輕量化材料的應(yīng)用措施還有：曲軸采用球墨鑄鐵材料(球墨鑄鐵密度低于鍛鋼)；連桿、鏈輪及鏈輪座、氣門座圈、氣門導(dǎo)管、噴油器壓塊采用粉末冶金燒結(jié)材料替代碳鋼；進(jìn)氣歧管、凸輪室罩蓋、節(jié)溫器總成、機(jī)油收集器、管路零件等采用工程塑料(PA66)；正時(shí)鏈輪蓋采用薄鋼板沖壓件替代鋁合金材料。低密度輕量化材料的技術(shù)應(yīng)用見(jiàn)圖2。

圖2 低密度輕量化材料的技術(shù)應(yīng)用

通過(guò)計(jì)算機(jī)CAE有限元分析，將不同的功能性零部件集成與模塊化設(shè)計(jì)而降低發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，達(dá)到減少發(fā)動(dòng)機(jī)零件數(shù)目、縮小3D尺寸的目的。在JX4D20柴油機(jī)輕量化設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，通過(guò)集成與模塊化設(shè)計(jì)降低零部件的質(zhì)量技術(shù)措施有：鑄鐵上缸體與鋁合金缸體裙架(組合為缸體總成)、鋼管與粉末冶金組合的空心結(jié)構(gòu)凸輪軸、鋁合金框架支承氣門搖臂總成、薄壁正時(shí)鏈及鏈輪正時(shí)系統(tǒng)、兩柱塞結(jié)構(gòu)高壓油泵替代三柱塞結(jié)構(gòu)高壓油泵、空調(diào)壓縮機(jī)與轉(zhuǎn)向泵集成、真空泵與水泵集成、前端輪系附件安裝支架集成。功能性零部件集成與模塊化設(shè)計(jì)降低質(zhì)量的技術(shù)應(yīng)用見(jiàn)圖3。

圖3 功能性零部件集成與模塊化設(shè)計(jì)降低質(zhì)量的技術(shù)應(yīng)用

3 JX4D20柴油機(jī)輕量化技術(shù)的效益

最直接的效益是降低了發(fā)動(dòng)機(jī)總成的質(zhì)量。與同排量同類機(jī)型比較(見(jiàn)表3)，發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量?jī)H為205 kg，降低質(zhì)量約15 kg，減輕自身質(zhì)量也即節(jié)省了材料，節(jié)省了能源消耗。

表3 與同排量同類機(jī)型參數(shù)比較

降低發(fā)動(dòng)機(jī)的零件質(zhì)量獲得了更高的性價(jià)比高(見(jiàn)表4)。JX4D24柴油機(jī)通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)、合理選用新型材料及新的工藝，用鋁合金替代鑄鐵、用粉墨冶金替代碳鋼、用工程塑料替代鋁合金等，同時(shí)采用集成與模塊化設(shè)計(jì)，達(dá)到減少發(fā)動(dòng)機(jī)零件數(shù)目、縮小3D尺寸的目的，減輕了質(zhì)量又獲得了優(yōu)異的性能，更適合大批量生產(chǎn)，而且制造工藝節(jié)能、環(huán)保。

表4 采用低密度的材料的性價(jià)比

間接的效益是降低了整車的油耗并改善排放，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：汽車整備質(zhì)量每減少100 kg，百公里油耗可降低0.3～0.9 L，降低油耗也即降低了CO2排放。JX4D20柴油機(jī)搭載的一款 SUV4×2車型試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)：其整車整備質(zhì)量(GM)由1 950 kg降到1 855 kg，質(zhì)量降低95 kg；整車排放綜合油耗可由8.8 L/100 km降到8.0 L/100 km，可節(jié)省油耗0.8 L/100 km，節(jié)省油耗達(dá)9%，其中如發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量降低15 kg，占整車質(zhì)量比例約16%，發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化對(duì)油耗的貢獻(xiàn)即達(dá)1.5%。而且降低發(fā)動(dòng)機(jī)的零件質(zhì)量對(duì)前置發(fā)動(dòng)機(jī)前輪驅(qū)動(dòng)的車非常有利，如果發(fā)動(dòng)機(jī)太重，會(huì)使前、后輪載荷分配比不合理，同時(shí)對(duì)前橋的質(zhì)量要求會(huì)更高， 整車前橋設(shè)計(jì)成本上升。

4 總結(jié)

JX4D20柴油機(jī)通過(guò)小排量、VGT 渦輪增壓、低密度的材料、緊湊的零部件結(jié)構(gòu)、集成與模塊化等技術(shù)達(dá)到了輕量化的設(shè)計(jì)目的。JX4D20柴油機(jī)輕量化設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)印證了采用低密度的材料和緊湊的零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)降低發(fā)動(dòng)機(jī)總成的質(zhì)量是基本的技術(shù)路線，而功能性零部件集成與模塊化設(shè)計(jì)，對(duì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)總成的質(zhì)量又有顯著的幫助，采用新的更高增壓效率和更好低速響應(yīng)性能的電子控制VGT增壓器是小排量設(shè)計(jì)大幅度提升功率的技術(shù)關(guān)鍵，升功率的提升又促進(jìn)了發(fā)動(dòng)機(jī)的輕量化。JX4D24D4L柴油機(jī)由于采用了輕量化設(shè)計(jì)，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，燃油消耗達(dá)到第3階段乘用車燃料消耗量標(biāo)準(zhǔn)，廢氣排放達(dá)到了輕型車國(guó)V排放標(biāo)準(zhǔn)。