（上海大眾動(dòng)力總成有限公司，上海201807）

綠色制造在內(nèi)燃機(jī)行業(yè)的應(yīng)用實(shí)踐

朱正德

（上海大眾動(dòng)力總成有限公司，上海201807）

現(xiàn)今，輕量化與綠色制造已成為內(nèi)燃機(jī)、汽車等行業(yè)發(fā)展過(guò)程中的一種趨勢(shì)，且兩者之間有著密不可分的關(guān)系。本文以其中的大總成發(fā)動(dòng)機(jī)為例，介紹了企業(yè)是如何通過(guò)2種不同途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)零部件的輕量化，以及由此帶來(lái)的在很大程度上體現(xiàn)了綠色制造理念的生產(chǎn)工藝的轉(zhuǎn)變和技術(shù)上的提高。雖然文中列舉和進(jìn)行的分析僅是個(gè)案，但充分反映了這種趨勢(shì)。

輕量化綠色制造浸滲與監(jiān)控微量潤(rùn)滑技術(shù)

1 什么是“綠色制造”？

“綠色”作為一個(gè)泛用詞匯，現(xiàn)今已大量用于各個(gè)領(lǐng)域。人們所追求的“綠色建筑”、“綠色食品”乃至“綠色”產(chǎn)品真是林林總總，不一而足。那么，什么又是“綠色制造”呢？大多數(shù)人認(rèn)為那主要是指在執(zhí)行時(shí)對(duì)環(huán)境的污染較小的那些生產(chǎn)工藝，但這種看法顯然有些偏頗。事實(shí)上，它的范圍要寬泛得多，其它凡有利于節(jié)約成本、降低資源消耗的工藝均在此列，其中當(dāng)然也包括很多服務(wù)于輕量化零部件的制造技術(shù)。

如何來(lái)看待減輕一臺(tái)內(nèi)燃機(jī)自身重量的意義呢？以一臺(tái)誕生于2010年中期的新一代小排量汽油發(fā)動(dòng)機(jī)與其前一代同類產(chǎn)品的對(duì)比為例，由于前者更多地采用了如鋁合金一類的輕質(zhì)材料，在零部件的模塊化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化上也有了很大的突破，故其重量整整輕了22 kg，即減輕達(dá)18%，而燃油消耗也相應(yīng)地下降了8%～10%。再?gòu)膬烧叩奶寂欧潘絹?lái)看，減排效果也很明顯，前者每公里CO2的排放量可減少10 g左右。

2 內(nèi)燃機(jī)的輕量化及其主要途徑

內(nèi)燃機(jī)的輕量化主要通過(guò)選用鋁合金、鎂合金、工程塑料等輕質(zhì)材料作為結(jié)構(gòu)材料，和對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以及功能相近部件的集成化、模塊化這樣兩個(gè)途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。客觀地說(shuō)，內(nèi)燃機(jī)，特別是轎車發(fā)動(dòng)機(jī)的輕量化已持續(xù)很長(zhǎng)一段時(shí)間了，即使不少20世紀(jì)80、90年代才批量生產(chǎn)的汽車企業(yè)，從其產(chǎn)品及發(fā)展中也都能看出。但那個(gè)時(shí)期的輕量化主要還是體現(xiàn)在部分零部件選用輕質(zhì)材料替代傳統(tǒng)材料方面，典型的例子就是將鋁合金較多地應(yīng)用于中小排量發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋和進(jìn)氣歧管等零部件的制造上。之后，進(jìn)氣歧管又出現(xiàn)了以玻纖增強(qiáng)尼龍一類工程塑料替代已采用多年的鋁合金的趨勢(shì)，而各類罩（殼）蓋、油底殼等也已較多地選用了鋁合金、工程塑料。

雖然至今在以德國(guó)大眾不久前推出的新系列中等排量及以上的發(fā)動(dòng)機(jī)中仍采用鑄鐵缸體，然而正是出于輕量化的考慮，其缸體采取了薄壁鑄造技術(shù)。從而在確保發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度和性能的前提下有效地降低了重量。此外，大眾汽車的產(chǎn)品部門(mén)還對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中任何一個(gè)可能降低重量的部件都潛心開(kāi)發(fā)。比如：在1.8TSI/2.0TSI新系列渦輪增壓燃油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)中，采用了一個(gè)鋁合金附件支架來(lái)組合安裝發(fā)電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)、皮帶張緊器、機(jī)油濾清器等多個(gè)部件。這種設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)零件都單獨(dú)使用一個(gè)支架相比，大幅降低了重量。而通過(guò)減少零件數(shù)量還降低了用戶的成本，維護(hù)更換也更為方便。

德國(guó)大眾汽車的“藍(lán)色驅(qū)動(dòng)技術(shù)”項(xiàng)目是一系列節(jié)能、環(huán)保、面向未來(lái)的先進(jìn)汽車技術(shù)的集合，而誕生于2010年中期的新一代的EA211小排量汽油發(fā)動(dòng)機(jī)系列就是上述“藍(lán)驅(qū)”項(xiàng)目的一個(gè)重要組成部分。由于采用了諸多新穎的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和結(jié)構(gòu)上的輕量化和優(yōu)化措施，使EA211較之早幾年的EA111在綜合性能上，包括能耗、減排上都有了明顯的提升，相比人們熟悉的20世紀(jì)80、90年代大眾系發(fā)動(dòng)機(jī)更是不可同日而語(yǔ)。

新系列EA211的發(fā)動(dòng)機(jī)中，那些主要零件都體現(xiàn)出了輕量化，如：全鋁氣缸體、經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的曲軸（見(jiàn)圖1）、連桿（見(jiàn)圖2）等，從與之對(duì)應(yīng)的EA111工件的對(duì)比可以看出之間的鮮明差異。EA211發(fā)動(dòng)機(jī)系列產(chǎn)品中首次采用了鋁合金氣缸體，以替代傳統(tǒng)的灰鑄鐵氣缸體。

迄止20世紀(jì)80、90年代，在德國(guó)大眾的主流產(chǎn)品中，以EA113、EA188、EA827等系列為代表的中、小排量發(fā)動(dòng)機(jī)所采用的仍然都是整體式四氣門(mén)和五氣門(mén)凸輪軸，一般選擇的材料都為冷激鑄鐵。但為了有效地減輕重量，自20世紀(jì)90年代末起，無(wú)論是排量為1.8和2.0的EA888系列，還是排量為1.4和1.6的EA111系列，更不用說(shuō)最新一代的EA211系列，采用的都是輕量化的裝配式中空凸輪軸。為此，執(zhí)行了全新的裝配式毛坯件制造工藝，方法是將預(yù)制凸輪和相關(guān)部件裝配到一根鋼管上，焊接固定其軸向和角向位置（見(jiàn)圖3）。

圖1 EA111和EA211系列發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸對(duì)比

圖2 EA111（上）和EA211（下）連桿對(duì)比

圖3 裝配式中空凸輪軸

再剖析一下EA211曲軸（見(jiàn)圖1）的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。可以這樣講，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)部門(mén)已經(jīng)在技術(shù)允許的情況下，通過(guò)工件減重以達(dá)到輕量化做到了極致。采取的主要措施有以下一些：

（1）減少平衡塊數(shù)量，從傳統(tǒng)的8塊減少到4塊；

（2）減小平衡塊寬度，并進(jìn)行形狀優(yōu)化；

（3）縮小主軸頸的尺寸，平均縮小10%；EA111機(jī)型曲軸的主軸頸外徑為Φ50 mm，EA211減小為Φ45 mm；

（4）在每個(gè)連桿軸頸上加鉆了去重孔。

其他細(xì)節(jié)上的結(jié)構(gòu)優(yōu)化就更多了，如改變過(guò)渡部位的形狀，采取圓角優(yōu)化，增加多處凹坑等等。如此，兩者在自重上相比，新一代EA211的曲軸重量較之EA111平均要減輕15%～20%。

3 輕量化產(chǎn)品戰(zhàn)略和綠色制造理念推動(dòng)內(nèi)燃機(jī)制造技術(shù)發(fā)展

3.1 完善輕合金零件的制造工藝及監(jiān)控措施

相比鑄鐵，鋁合金等輕質(zhì)材料在形成鑄件過(guò)程中較易引起內(nèi)部缺陷。內(nèi)部缺陷往往會(huì)在機(jī)加工時(shí)暴露出來(lái)，從而導(dǎo)致滲漏過(guò)大而產(chǎn)生廢品。有時(shí)還會(huì)是批量的，從而造成工時(shí)、原材料和能源的嚴(yán)重浪費(fèi)。為此，目前使用最為普遍的一種有針對(duì)性地工藝措施就是浸滲處理。所謂“浸滲”，就是指：在一定條件下把浸滲劑滲透到鋁合金等輕質(zhì)材料鑄件的微孔隙中，在經(jīng)過(guò)了固化之后，可以使?jié)B入孔隙中的填料與鑄件孔隙內(nèi)壁連成一體，堵住微孔，使零件能滿足加壓、防滲、防漏等條件的一種工藝技術(shù)。但為了對(duì)零件的狀態(tài)及下一步的處理方法作出正確判斷，仍然需要通過(guò)泄漏檢測(cè)的方式以進(jìn)行驗(yàn)證。下面就以某小排量發(fā)動(dòng)機(jī)的鋁缸體為例，對(duì)這一過(guò)程予以說(shuō)明。

該工件在進(jìn)入中間清洗工位之前，已經(jīng)完成了全部粗加工工序，而在執(zhí)行下一道安裝主軸承蓋、以及之后的各道精加工工序之前，設(shè)置了如圖4所示的一個(gè)密封測(cè)試工位。該工位除了對(duì)鋁缸體的低壓油道、水道和高壓油道進(jìn)行泄漏檢測(cè)，以檢驗(yàn)它們的密封性外，也相當(dāng)于設(shè)立了一道關(guān)口，根據(jù)測(cè)得的泄漏值來(lái)決定是否需要對(duì)這個(gè)工件實(shí)施浸滲處理。

圖4 鋁缸體浸滲處理的界定、認(rèn)可說(shuō)明

從表1可見(jiàn)，對(duì)工件而言，所設(shè)定的甄別界限共有二項(xiàng)，第一項(xiàng)是被檢部位的泄漏率，以低壓油道為例，泄漏率為30 mL/min。第二項(xiàng)甄別界限是以這個(gè)被檢部位為對(duì)象，判別該鋁缸體雖然存在泄漏，是否有通過(guò)浸滲處理進(jìn)行補(bǔ)救的必要。

表1 根據(jù)泄漏測(cè)得值確定的浸滲甄別界限

3.2 采用體現(xiàn)綠色制造理念、環(huán)保節(jié)能的微量潤(rùn)滑技術(shù)

微量潤(rùn)滑技術(shù)的應(yīng)用，在國(guó)外一些工業(yè)強(qiáng)國(guó)始于20世紀(jì)90年代末，開(kāi)始時(shí)僅限鑄件加工領(lǐng)域，此后才逐漸擴(kuò)展到鋼件和鋁制件。但這項(xiàng)與綠色制造理念相吻合的先進(jìn)工藝在國(guó)內(nèi)制造業(yè)進(jìn)入實(shí)用階段則還是近幾年的事。使用微量潤(rùn)滑的初衷之一就是構(gòu)建一個(gè)潔凈的工作環(huán)境。顯然，由于沒(méi)有油膩濕滑的地面、且所有切屑都是干燥的，因此，只需每隔2到3周對(duì)機(jī)床進(jìn)行一次清潔就足夠了。第二個(gè)初衷是以之前幾乎不可想象的力度達(dá)到了節(jié)約和保護(hù)資源的目標(biāo)，而冷卻潤(rùn)滑劑使用量大幅度降低，以及制備和廢棄處理工作量的大大減少也真正實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)環(huán)保的“綠色”生產(chǎn)。

以某汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廠的缸蓋生產(chǎn)線為例：?jiǎn)闻_(tái)加工中心處于循環(huán)的冷卻潤(rùn)滑液約為400 L/min，若按20臺(tái)機(jī)床算，則需從相應(yīng)的流體回路中攝取8 000 L/min潤(rùn)滑液。為此就需要使用容量高達(dá)350 m3的冷卻潤(rùn)滑液設(shè)備，以及用于放置所需的場(chǎng)地，算下來(lái)生產(chǎn)一個(gè)缸蓋的消耗量約4.3 L。而在應(yīng)用微量潤(rùn)滑時(shí)，僅7～10 mL就足夠了，尤其是若每臺(tái)機(jī)床有兩個(gè)主軸，則每個(gè)主軸每小時(shí)所用的僅略微多于每軸每小時(shí)17 mL。此外，在生產(chǎn)過(guò)程中所采用的“在兩個(gè)加工間歇中切斷潤(rùn)滑劑輸送”的技術(shù)有效地節(jié)約了資源，還明顯減少了用水量。由于省去了冷卻潤(rùn)滑液系統(tǒng)回路的循環(huán)泵，同時(shí)用于部件清潔和切屑干燥的資源消耗量也急劇減少，因此生產(chǎn)過(guò)程的總能源需求量得以顯著降低。

在曲軸的粗加工階段，加工深孔即斜油孔是一道十分重要的工序。迄至本世紀(jì)初，即使在一些國(guó)內(nèi)一線的、主流汽車發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)，所采取的依然是“槍鉆”這種已沿用多年的傳統(tǒng)工藝，正因?yàn)樗哂懈咝Э煽康忍攸c(diǎn)，至使在很多工廠里現(xiàn)今仍被采用。但隨著對(duì)環(huán)保、綠色制造的考量和日益重視，其投入和使用成本高，在加工過(guò)程中冷卻（潤(rùn)滑）液的消耗量大等種種不足也引起更大關(guān)注。于是一些在技術(shù)理念上領(lǐng)先的企業(yè)在做新的生產(chǎn)線或新的生產(chǎn)能力的規(guī)劃時(shí)，就一改原來(lái)的槍鉆為“高速深孔鉆”工藝，從而為利用了微量潤(rùn)滑技術(shù)創(chuàng)造了條件。

執(zhí)行槍鉆工藝時(shí)，采用的是傳統(tǒng)潤(rùn)滑方式，單單一套體積龐大的潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)就十分昂貴，且后續(xù)的使用成本也相當(dāng)高。另一方面，還必須有大流量、高壓力、高過(guò)濾精度的潤(rùn)滑冷卻液，否則就會(huì)影響油膜的建立并造成排屑的困難。這主要是與經(jīng)過(guò)槍鉆加工后的孔壁會(huì)呈現(xiàn)一定程度的螺旋狀密切相關(guān)。此種表面形狀對(duì)排屑造成不利影響，在曲軸斜油孔這樣的徑長(zhǎng)比很大的孔的加工中顯得就更突出了，參見(jiàn)圖5。另外，因?yàn)闃屻@是偏心的，故必須配有鉆套，而采取微量潤(rùn)滑后，改為雙刃高速鋼麻花鉆就不再需要鉆套。進(jìn)而，由于微量潤(rùn)滑的油霧本身質(zhì)量就很小，且因加工中受力對(duì)稱，形成的孔壁就較光滑，見(jiàn)圖6。相應(yīng)的工藝試驗(yàn)則表明，應(yīng)用微量潤(rùn)滑還明顯地改善了工件清潔度。這是因?yàn)榇藭r(shí)切屑將更容易在加工中排出，有利于切屑回收，而且在清洗過(guò)程中也更不易殘留。事實(shí)上，這種切削可以認(rèn)為是準(zhǔn)干式的，相比傳統(tǒng)方式不但使用成本更低，且霧化的潤(rùn)滑油也更利于油膜的建立。

3.3 改進(jìn)加工工藝、加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理以精減清洗工序

隨著對(duì)產(chǎn)品清潔度的日益重視，生產(chǎn)線上的清洗工序也受到了更多的關(guān)注，尤其是象發(fā)動(dòng)機(jī)中的那些關(guān)鍵零件。但另一方面清洗工序產(chǎn)生的大量的、必須予以處理的污水對(duì)那些有社會(huì)責(zé)任心的企業(yè)形成了壓力。為此，近年來(lái)一些主流汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廠在規(guī)劃新生產(chǎn)線時(shí)，出現(xiàn)了通過(guò)采用或改進(jìn)相關(guān)加工工藝，以及加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理，以達(dá)到精減所設(shè)置清洗工序數(shù)量的趨勢(shì)。仍以一家技術(shù)理念領(lǐng)先的企業(yè)為例，不同于其建廠時(shí)的“一期規(guī)劃”，在之后的生產(chǎn)綱領(lǐng)更大的二期、三期中，他們?cè)诳紤]相應(yīng)的連桿、曲軸2條生產(chǎn)線清洗工序的設(shè)置時(shí)，相比國(guó)內(nèi)極大部分同類企業(yè)、乃至自身較早的“一期”都有明顯減少，體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

（1）取消了連桿生產(chǎn)線的終清洗工位（全線已無(wú)清洗工序）；

（2）取消曲軸生產(chǎn)線的中間清洗工位（全線只有終清洗工位）。

事實(shí)上，就如前所述，正因?yàn)樵谇S的粗加工階段，將加工深孔的方式由采用傳統(tǒng)的槍鉆工藝改變成雙刃高速鋼深孔麻花鉆方式，并有效地利用了微量潤(rùn)滑技術(shù)的同時(shí)，還明顯地改善了工件清潔度，這也為取消曲軸生產(chǎn)線的中間清洗工提供了條件。

Application and Practice of Green Manufacture in Internal Combustion Engine

Zhu Zhengde
（Shanghai Volkswagen Powertrain Co.,Ltd,Shanghai 201807,China）

Now light weight and green manufacture have become a development direction in internal combustion engine and automobile industries.Light weight and green manufacture are integrated.How to achieve engine components of light weight with two different methods and how light weight design bringing green manufacture concept to processing change and processing technology advancement are explained with some examples of Volkswagen engines.Though individual,these examples given here do reflect such trend.

light weight,green manufacture,impregnation and control,micro-lubricating technology

圖5 槍鉆加工后的孔壁

圖6 雙刃麻花鉆加工后的孔壁

來(lái)稿日期：2013-12-30

朱正德（1945-），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橛?jì)量與檢測(cè)。

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.03.008