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柴油機輕量化 提升燃油經濟性

發布時間:2015/2/10 15:54:11    瀏覽次數:695次

  在重型卡車發動機中適當選用鋁合金材料可有效減重,提升燃油經濟性。

  諸如重型卡車等公路車輛對輕量化的需求日益增長。今年,新型商用卡車必須滿足溫室效應氣體(GHG)排放法規和燃油經濟標準,而這些標準到2018年將會更加嚴苛。

  為滿足柴油排放要求,卡車制造商增配的柴油顆粒過濾器(diesel particulate filter,DPF)和選擇性催化還原(selective catalytic reduction,SCR)系統導致整車重量增加數百磅。為滿足減少制動距離的法規要求,制造商不得不加大剎車鼓的尺寸,這便又導致了重量增加。某種程度上受燃油經濟性和GHG排放標準影響,車輛的空氣動力系統得到了改進,提高了車輛效率,但這些部件通常重達數百磅。

  降怠速計劃推動了輔助動力裝置(auxiliary power unit,APU)的采用,但是電池裝置和柴油驅動裝置會導致卡車重量增加500磅。轉化為天然氣可在短短兩年內實現投資回報,但相關附件會導致卡車增重2000磅。

  而另一方面,為吸引司機所采用的高級內飾導致卡車至少增重100磅,這也正是車隊所關心的重要問題。綜上,高端的“節能高效型”卡車要比標準卡車重2390磅。

  因此,這便有了大量的減重空間,其中大部分可通過替換鋼材和其他材料來實現。鍛鋁車輪可替換鋼制車輪,鐵輪轂可由鑄鋁輪轂取代。此外,還可選用鍛鋁備用車輪和模塑成形的復合材料車身壁板,采用6x2驅動形式。6x2僅有一個驅動橋,可減重400磅。

  此外,采用最新的金屬材料和加工技術,也有望實現發動機減重。


常用鋁合金


  鋁在柴油機制造中的使用由來已久,但并不像在汽油機中那么常見。柴油航空發動機制造商DeltaHawk已有十年以上生產鑄鋁發動機缸體和缸蓋的經驗。奔馳汽車于2005年開始在柴油機中采用鑄鋁缸體,2014款Sprinter商用車的發動機即采用了鑄鋁缸蓋以及帶有蠕墨鑄鐵缸套的缸體。

  最近,全新的康明斯5升ISV5.0柴油機采用了鋁制進氣歧管,鋁制活塞以及高強度鋁合金缸蓋(參見2014年3月《柴油機進展》)。

  與標準的鑄鐵材料相比,鋁的密度較低,為0.1磅/立方英寸,而灰鑄鐵為0.26磅/立方英寸。鋁具有耐腐蝕性,散熱能力是鐵的三倍,機加容易且可循環利用。從制造角度來說,鋁更易于鑄造復雜的冷卻水套。

  鋁的缺點是硬度低,耐磨性和減振性差,且與鑄鐵相比,鋁不耐高溫。

  然而,美國鑄造協會一篇題為“250攝氏度高溫下鑄造鋁合金的發展現狀”(作者為D.J. Weiss, G.A. Gegel and K.S. Sadayappan)的文章認為,在鋁中添加鈧可提高其高溫性能。鋁鈧合金在250攝氏度(482華氏度)所表現出的機械性能比鍛鋁合金2618高3.6倍,比鑄鋁合金354高2.1倍。


采用鑄鋁缸蓋及鑄鐵缸套的發動機


  采用鑄鋁缸蓋及鑄鐵缸套的發動機


由Al-SiC 石墨復合材料(一種金屬基復合材料)制成的缸套。


  由Al-SiC 石墨復合材料(一種金屬基復合材料)制成的缸套。


自然凝固仿真可在設計階段發現鑄造時可能出現問題的區域


  自然凝固仿真可在設計階段發現鑄造時可能出現問題的區域


流體仿真可體現鑄造過程中的某些金屬特性


  流體仿真可體現鑄造過程中的某些金屬特性


有限元仿真可預測鑄鋁發動機缸體的性能


  有限元仿真可預測鑄鋁發動機缸體的性能

  通過改變金屬合金中成分含量可以較好地改善其性能。將鋁合金A356中的硅含量由常規的7%降至4%,此時強度不變,但延伸率由75%增至100%。這預示著該合金可延長進氣歧管和缸蓋的壽命。

  200系列鋁合金通過添加銅和其他元素來改善性能,其中206添加了鈦;201添加了銀;224添加了鈦、鋯和釩;242添加了鈦、鎳和鉻。這些合金的高溫特性優于常見的鋁硅合金。此外,發動機設計中的關鍵設計參數——低周疲勞特性,在A206合金中得到了顯著改善。

  氣缸中采用鋼或鐵制襯墊很常見,Eck工業集團一直致力于開發由鋁復合材料(鋁基體中含有碳化硅和石墨)制成的襯墊。碳化硅提供硬度和耐磨性,石墨提供潤滑能力,從而最小化油量,并避免油竄氣。對配備鐵制缸套和配備鋁復合材料缸套的鑄鋁壓縮機進行測試,結果表明由于鋁復合材料缸套的傳導性優于鐵制缸套,氣缸溫度下降60~80華氏度。將鐵置換成鋁后,重量也得到了減輕。

  鋁碳化硅復合材料,即一種金屬基復合材料(MMC),也已被應用到鋁制缸體的主軸承蓋中。與鋁相比,金屬基復合材料的硬度要高20%~50%,且熱膨脹系數較低。

  鑄鋁技術也有了長足的進展,有望進一步實現柴油機輕量化。柴油機建模和仿真技術日益成熟。3D打印技術不僅有助于工程師們可視化地表達新設計,而且可大幅縮短生產樣機用時。在鑄造領域中,模擬金屬流動的仿真工具也得到極大地改進。分析人員可精確地預測區域的孔隙率、高速充填物、溫度,以及某些合金的力學特性。自然的仿真模型可基于概念設計的CAD模型來顯示存在氣孔的相關區域。

  當仿真分析開始時,鑄造工程師們就會和設計工程師們一起工作,以便掌握那些需要具備最優材料特性的區域,以及進料口和回填管所處位置之間的區域。在仿真階段開展這種合作關系,可有效提升鑄造性能,以及制造過程的可重復性和可靠性。

  金屬流動仿真軟件公司與鑄造廠合作,以確保其模型能夠真實模擬實際問題。并非所有材料的流動性均相同,特別是鋁硅合金和鋁銅合金。諸如鋁銅合金A206,其具備相當高的強度、疲勞、高溫特性,但是由于不含硅,其流動性和凝固方式與常見的鑄鋁合金A356極為不同。

  隨著仿真技術的提高,工程師可通過仿真方式來預測鑄造過程中的金屬特性。

  隨著對產品性能、燃油經濟性和減排需求的日益增加,制造商們將不斷思考為其產品減重的方法。設計工程師們與鑄造工程師們聯手,可有效推動柴油機輕量化的發展,不斷實現柴油機技術革新。

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