發動機機體的輕量化技術

為了減少燃油消耗和降低二氧化碳排放，汽車的輕量化已經成為眾所關注的焦點之一。研究表明，汽車整備質量．每減少100 kg，百公里油耗可降低0.3~0.6 L。此外，汽車輕量化還可以提高汽車動力性，節省材料，降低成本。有人預計，到2010年汽車整備質量平均將減輕17%，即250 kg;轎車整備質量將從目前的平均1300 kg左右降至1000 kg。

發動機的輕量化，除了上述目的以外，還涉及到整車的質量分布（汽車行駛動力學）。將汽油機改換成柴油機時，往往會使發動機變重（堅固的結構、渦輪增壓器、增壓空氣冷卻器、噴油裝置等），導致前橋軸荷增加，使得整車的均衡性受到了破壞。所以，轎車發動機的輕量北已經成為整車開發中一個不可忽視的問題。

發動機輕量化的途徑，首先是提高升功率，以降低發動機單位功率的質量。最先進的功率密度指標已逼近1 kg/kW 。以轎車柴油機為例，如果20世紀90年代初升功率還只是在20-30 kW/L徘徊，那么自從20世紀末開始，其上升趨勢可謂“突飛猛進”。如今，柴油機最大爆發壓力已經達到20 MPa,升功率達到60 kW/L。

鋁合金機體鑄造工藝的討論

鋁合金機體的鑄造工藝從原理上可以分成多次使用的鑄型（金屬型）和一次使用的鑄型（砂型）。砂芯的制造方法也有所不同。當今在大批量生產中最為常用的是砂型重力鑄造和壓鑄。砂型重力鑄造在成型方面提供了最大的自由度，可以采用封閉的氣缸蓋連接面（閉式頂板）。如果生產件數較高（年產20萬件以上），那么壓鑄是一種經濟的解決方案。壓鑄能以很短的節拍、精細的表面質量和精確的尺寸實現鑄件薄壁結構。然而，由于熔融金屬充型壓力很高不能使用砂芯，水套通常必須往上敞開（開式頂板）。這意味著氣缸筒缺乏徑向的支撐。但是，即使如此也未必會導致氣缸筒嚴重變形?，F在，甚至直噴式柴油機都可以做成開式頂板結構。此外，壓鑄快速的充型過程易導致氣泡的生成，以致無法通過熱時效硬化改善力學性能。這個缺點可以利用擠壓鑄造加以避免，因為這種工藝采用的壓力較低，使得充型過程明顯地減緩，有可能進行補縮。此外，壓鑄對于水套的長度有著間接的影響。由于氣缸直徑、拉桿螺栓的位置、密封法蘭最小寬度以及必需的通常為0.5°的起模斜度等因素，實際制成的壓鑄機體的水套通常至多只能覆蓋活塞行程的70%。這會降低通過活塞環的熱流量，提高機油的熱負荷。在機體結構方面，壓鑄有一些局限性。不過這些均可通過技術手段加以控制。機體是否采用壓鑄的工藝，首先還是取決于生產批量。

對于高負荷發動機來說，選擇砂型鑄造更能通過合適的造型工藝、合金優化和熱處理來生產可靠、耐久的發動機機體。從零件成本看，充分利用砂型鑄造在成型方面較大的自由度，還可以將各種功能整合到氣缸體中去，在總體上減輕質量，提高經濟效益。

鋁合金機體結構必須解決的問題

灰鑄鐵氣缸體改用鋁合金鑄造，必須滿足一些額外的要求，分述如下

1確保氣缸筒滑移表面耐磨，不易變形

2滿足傳遞力流的要求

3控制主軸承間隙的擴大

4鋁合金較低的彈性模量對聲學和振動的影響

發動機機體通過材料和結構實現輕量化的途徑

1針對氣缸筒滑移表面的措施

2確保力流傳遞和控制主軸承間隙的措施

3確保結構動態特性的措施

性價比分析

對分別采用灰鑄鐵、蠕墨鑄鐵、鋁合金制造的2.0 L 4缸發動機進行了性價比分析，結果如表1。

按照年產40萬件計算，則采用蠕墨鑄鐵時，成本提高38%，毛坯成本和機加工成本以相同的程度提高；采用鋁合金機體時，成本提高62%，主要是材料價格較高。鋁合金在機加工方面的成本優點由于多種混合加工而被大大削弱了。

性價比分析表明，鋁合金結構具有較大的潛力。只有當總體布置非常緊湊（氣缸中心距較?。r，蠕墨鑄鐵所擁有的優勢的材料性能才會突現出來。