现代内燃机增材制造技术(2)
6、机油循环
研究人员采用机油循环概念的主要目标是减少压力损失，以便使发动机在正常运行和冷起动期间，具有更强的性能优势。通过采用AM技术，研究人员设计出了无明显偏转现象的新型油道方案(图5)。气缸盖和曲轴箱中的油道(直径范围为3~8 mm)可实现直接打印。弯曲的通道和平缓变化的横截面会使气缸盖和曲轴箱内部管道系统的压力损失降低约22%。
图5 基础发动机的润滑系统
研究人员通过采用反向虹吸管，以防止主油道在非工作时间排放机油，从而改善了冷起动期间的配气机构组件的供油效果(图5)。
最初的拓扑研究表明，带有空心隔板的曲轴箱具有足够高的刚度。随后，研究人员对设计方案进行了调整，将曲轴箱的中空部分设计为回油通道。
7、排气道隔热
AM技术的设计自由度有利于研究人员直接将各种结构集成到生产过程中。研究人员有针对性地对具有气隙和较少导热横截面的绝缘晶格元件进行了设计，从而优化了排气道的隔热效果(图6)，并可减少进入气缸盖冷却液的排气热量。在额定功率条件下，该隔热系统可使流入气缸盖的热流量减少5%。这可以缩短排气后处理系统的预热时间，并提高涡轮入口温度。
图6 排气道隔热系统
通过有限元分析，研究人员对排气道主要结构的分布情况进行了优化，目的是在材料边界范围内使排气道壁温实现最大化，同时使壁温分布更均匀。最高壁温会达到约200 ℃，仍远低于材料极限温度。
8、曲轴箱盖
德国Fraunhofer化学技术研究所的研究人员选用了铝塑混合设计方案，并对由高性能纤维增强复合材料制成的曲轴箱进气侧和排气侧的侧壁进行了优化。大量塑料组件是由玻璃纤维增强的酚醛树脂模制化合物注塑而成。研究人员选择了热固性塑料作为材料，这是由于其密度较低，对油和乙二醇具有较好的耐腐蚀性，同时具有良好的机械性能，并能承受较高的工作温度，几乎没有发生蠕变的趋势。
热固性侧壁结构的设计重点是需要采用功能高度集成的轻质结构设计方案。冷却液通道、机械驱动的水泵、机油滤清器、机油冷却器，以及冷却液的分配模块等均集成在该结构中。
研究人员为1款曲轴箱的侧壁选用了玻璃纤维增强酚醛树脂材料，使其质量比采用传统铝侧壁的曲轴箱要轻15%，同时研究人员选用了硅基粘合剂来密封冷端。与其他粘合剂相比，该粘合剂具有更高的断裂延伸率，可以补偿热固性塑料与铝的不同热膨胀特性。通过采用自成型螺栓，研究人员直接将冷端的侧壁固定在曲轴箱上。
为了改善噪声-振动-平顺性(NVH)，研究人员采用了振动解耦元件，并将热端(排气侧)的侧壁安装到曲轴箱上。这些解耦元件可通过螺栓固定在铝材料上，并通过弹性体将热固性侧壁压紧在曲轴箱上。研究人员采用弹性密封件对热端与曲轴箱进行了密封。热端和冷端采用了不同的连接技术，研究人员由此可以在LeiMot原型机的基础上比较这2种连接技术。
9、声学
在发动机运行时，局部较弱的结构元件具有较高的振动幅度，这对轻型发动机项目是1项重要挑战。针对动态结构的计算表明，研究人员需要加强曲轴箱的扭转运动和剪切运动。因此，从最初的发动机概念开始，研究人员就持续对其NVH特性进行了评估，并将其结果用于设计和耐久性计算中。
LeiMot曲轴箱增加了针对气门罩和油底壳的辐射现象，而发动机的主要声辐射常出现在上述部件中。应注意的是，新型曲轴箱侧盖不会增加空气传播的噪声辐射。研究表明，分离后的侧盖与牢固连接的侧盖之间的差异可忽略不计，并且不会产生明显的共振现象。气门罩和油底壳的辐射仍占据主导地位。
研究人员通过优化，使曲轴箱质量减少超过21%，并与空气A加权噪声声压级增加的2.3 dB形成了对比。减少的质量是主要激励来源之一。通过隔板之间的加强肋和平衡轴周围的管状结构，研究人员可以对附加剪切模式进行调整，从而使固有频率维持在1 100 Hz左右。
结语
研究人员通过采用LPBF等新制造工艺，可进一步减轻柴油机质量。与现有的大众EA288 evo系列2.0 L柴油机相比，LeiMot研究项目可使气缸盖和曲轴箱的质量减轻约21%。
除了减轻质量之外，参与LeiMot项目的研究人员还通过采用以下措施来提高整机效率：(1)减少水泵和机油泵所消耗的功率；(2)改善活塞-缸套组件的摩擦；(3)通过排气道隔热降低冷起动时的排放；(4)通过排气道隔热提高涡轮增压器的涡轮功率。
2021年，FEV公司将制造出5个LeiMot产品原型，并通过机械和热力学试验对其进行检验。LeiMot研究项目有力证明了新制造工艺的设计可行性。此外，该项目还有助于研究人员探索用于内燃机开发的新方法。
在中短期内，大批量通过AM技术生产的组件(例如LeiMot研究项目所开发的组件)依然很难与大众市场的传统制造工艺进行竞争。在飞机部件制造等小批量生产过程中，AM技术已成功应用于小型部件中。AM技术也可以为传统制造工艺带来好处，例如可将用于砂芯的花丝结构集成到传统铸造工艺中。
未来，研究人员还可以采用混合解决方案，将AM技术与传统制造工艺结合在一起，从而进一步提升制造品质。
(责任编辑：admin)
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