低成本、动力强的铝合金发动机的研究


铝 合金在汽车轻量化进程中起着重要作用,其应用范围从车身铝板材到铸铝的动力总成和结构件。虽然大多数行业专家认为未来汽车

和卡车的铝材料用量将继续增长,但是在创新驱动的行业中,材料和制造方法之间的市场份额竞争激烈,受到成本敏感度较高的制约。与之前的成果相比,一种制造封闭式发动机的新方法可以大大降低成本。

汽车轻量化是OEM符合未来CAFE(公司平均燃油经济性)要求的关键因素,但并非唯一因素。通常通过引入涡轮增压技术,生产更小排量的发动机可以在不牺牲车辆性能的情况下提高燃油经济性。单位发动机排量(单位功率)的功率增加意味着对整车系统提出更高要求,而且,特别的挑战在于发动机缸盖部分要有足够的强度和刚度。过去,发动机设计者必须在相对昂贵的低压铸造工艺生产的高强度的封闭式发动机设计方案和更经济的压铸(HPDC)工艺生产的开放式设计方案之间进行选择。压铸工艺更具成本吸引力,但是目前压铸工艺仅能够生产开放式发动机缸盖,缺乏横向气缸壁的支撑和刚性封闭选项。因此,当强制要求较高的单位输出时,发动机设计人员往往别无选择,只能选择通过低压铸造方法生产封闭式缸盖设计方案,并且每件产品将比高压压铸工艺高出80美元。

铝合金发动机缸体生产方法
多年来,在大众市场和小众应用领域,铝合金一直是发动机缸体材料的热门选择。与传统铸铁缸体相比,这种材料可以大大减轻重量,因此它已成为中小型发动机的首选材料。 压铸与低压铸造的根本区别在于,压铸工艺,钢制模具可以反复使用(更换前通常生产80,000个或更多压铸件),而低压铸造方法在生产铸件时通常需要消耗全部或部分铸型(由型砂与粘合剂混合制备)。压铸模具再利用的内在要求是,所有的铸件几何形状朝一个方向开放,以便在铝合金凝固后可以将成形铸件取出,与模具分离。 开口不在同一方向的铸件几何形状被认为是凸出的或闭合几何形状。

低压铸造的关键优势在于其铸造“封闭”几何形状的能力,比压铸具有更高的设计灵活性。但是,每个铸件生产过程中铸型的消耗、更长的生产周期和更大的占地空间要求,将导致巨大的成本支出:与压铸相比,每件铸件成本增加80美元。低压铸造发展战略可能意味着大批量发动机生产中将额外增加1亿美元或更高的成本。

另外,低压铸造工艺通常不能生产在压铸中可实现的壁厚非常薄的铸件。因此,通常生产出让汽车轻量化工程师感到失望的较重产品。

开放和封闭式发动机
术语“开放式”和“封闭式”区别在于是否有材料将气缸壁的顶部桥接到发动机缸体周边。如果这种桥接材料不存在,发动机被认为是开放式设计。如果这种桥接存在,则认为是封闭或半封闭的设计。人们可以想象,封闭式发动机铸件对铸造工艺根本要求是需要把铸件从钢质模具中取出。

使用传统的压铸模具(无滑块或可溶芯)生产所需的凸出或封闭几何结构的铸件的创新方法,取决于铸件加强梁即气缸水套通道的最大深度。
这些加强梁是气缸和发动机本体之间必要的连接。

如果保持原状,这些加强梁会深入发动机的水套通道中,阻塞冷却剂的流动路径。

随后的加工步骤,将加强梁加工成连接梁,为封闭式气缸提供支撑,同时允许冷却剂在连接梁下以及沿气缸壁畅通无阻地流动。

铝加强梁对冷却剂阻塞部分是通过发动机缸体侧面的开口去除的。为了使开口的直径最小,可以使用半圆形的“T”形几何形状。这就保留了缸体侧面有价值的表面区域,用于安装凸台并满足浇铸特点,同时加强与气缸壁的连接面积,保持期望的水套横截面尺寸。

这种额外的半圆形加工方法产生了增量成本,但是只需原来每件80美元的一小部分且能生产出相似的几何形状。

然后,使用芯塞将缸体侧面的加工孔堵塞。这些塞子(有时被称为防冻塞)作为发动机缸体中密封低压通道的低成本可靠的方法已有50多年的历史。

这种新型半封闭压铸造成形法的另一个好处是,引入的加强梁在压铸过程中可以显著改善铝液的流动路径。CAE模拟表明,显著改进的流动型态将改善整个气缸盖表面的材料性能,特别是有问题的补充区域;仿真模拟也表明气缸壁孔隙度的质量显著提升,可能会减少喷吹技术的实施

挑战和潜在收益
其他挑战是,发动机缸体压铸的功率系数提高,在气缸壁/轴承盖区域需要更大的强度。然而,创新技术也在解决这个问题,以及现在使用的增材制造方法大大提高了目前压铸模具的冷却能力,从而在这些关键铸造领域改进了机械性能。
目前,发动机设计师需要考虑很多因素。然而,当今,每件铸件价格降低几美元都说明了显著的胜利,那么,从发动机价格中减少80美元的可能性为探索新的解决方案提供了强大的动力。