在重型卡車發(fā)動(dòng)機(jī)中適當(dāng)選用鋁合金材料可有效減重，提升燃油經(jīng)濟(jì)性。
諸如重型卡車等公路車輛對(duì)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(yīng)氣體（GHG）排放法規(guī)和燃油經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)，而這些標(biāo)準(zhǔn)到2018年將會(huì)更加嚴(yán)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（dieselparticulatefilter，DPF）和選擇性催化還原（selectivecatalyticreduction，SCR）系統(tǒng)導(dǎo)致整車重量增加數(shù)百磅。為滿足減少制動(dòng)距離的法規(guī)要求，制造商不得不加大剎車鼓的尺寸，這便又導(dǎo)致了重量增加。某種程度上受燃油經(jīng)濟(jì)性和GHG排放標(biāo)準(zhǔn)影響，車輛的空氣動(dòng)力系統(tǒng)得到了改進(jìn)，提高了車輛效率，但這些部件通常重達(dá)數(shù)百磅。
降怠速計(jì)劃推動(dòng)了輔助動(dòng)力裝置（auxiliarypowerunit，APU）的采用，但是電池裝置和柴油驅(qū)動(dòng)裝置會(huì)導(dǎo)致卡車重量增加500磅。轉(zhuǎn)化為天然氣可在短短兩年內(nèi)實(shí)現(xiàn)投資回報(bào)，但相關(guān)附件會(huì)導(dǎo)致卡車增重2000磅。
而另一方面，為吸引司機(jī)所采用的高級(jí)內(nèi)飾導(dǎo)致卡車至少增重100磅，這也正是車隊(duì)所關(guān)心的重要問題。綜上，高端的“節(jié)能高效型”卡車要比標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)。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(fù)合材料車身壁板，采用6x2驅(qū)動(dòng)形式。6x2僅有一個(gè)驅(qū)動(dòng)橋，可減重400磅。
此外，采用最新的金屬材料和加工技術(shù)，也有望實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)減重。
鋁在柴油機(jī)制造中的使用由來已久，但并不像在汽油機(jī)中那么常見。柴油航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商DeltaHawk已有十年以上生產(chǎn)鑄鋁發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸蓋的經(jīng)驗(yàn)。奔馳汽車于2005年開始在柴油機(jī)中采用鑄鋁缸體，2014款Sprinter商用車的發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)采用了鋁制進(jìn)氣歧管，鋁制活塞以及高強(qiáng)度鋁合金缸蓋（參見2014年3月《柴油機(jī)進(jìn)展》）。
與標(biāo)準(zhǔn)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(jī)加容易且可循環(huán)利用。從制造角度來說，鋁更易于鑄造復(fù)雜的冷卻水套。
鋁的缺點(diǎn)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(xié)會(huì)一篇題為“250攝氏度高溫下鑄造鋁合金的發(fā)展現(xiàn)狀”（作者為D.J.Weiss,G.A.GegelandK.S.Sadayappan）的文章認(rèn)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(xiàn)出的機(jī)械性能比鍛鋁合金2618高3.6倍，比鑄鋁合金354高2.1倍。
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(guī)的7%降至4%，此時(shí)強(qiáng)度不變，但延伸率由75%增至100%。這預(yù)示著該合金可延長進(jìn)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(yōu)于常見的鋁硅合金。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)——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(yè)集團(tuán)一直致力于開發(fā)由鋁復(fù)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(duì)配備鐵制缸套和配備鋁復(fù)合材料缸套的鑄鋁壓縮機(jī)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明由于鋁復(fù)合材料缸套的傳導(dǎo)性優(yōu)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(fù)合材料，即一種金屬基復(fù)合材料（MMC），也已被應(yīng)用到鋁制缸體的主軸承蓋中。與鋁相比，金屬基復(fù)合材料的硬度要高20%~50%，且熱膨脹系數(shù)較低。
鑄鋁技術(shù)也有了長足的進(jìn)展，有望進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)輕量化。柴油機(jī)建模和仿真技術(shù)日益成熟。3D打印技術(shù)不僅有助于工程師們可視化地表達(dá)新設(shè)計(jì)，而且可大幅縮短生產(chǎn)樣機(jī)用時(shí)。在鑄造領(lǐng)域中，模擬金屬流動(dòng)的仿真工具也得到極大地改進(jìn)。分析人員可精確地預(yù)測(cè)區(qū)域的孔隙率、高速充填物、溫度，以及某些合金的力學(xué)特性。自然的仿真模型可基于概念設(shè)計(jì)的CAD模型來顯示存在氣孔的相關(guān)區(qū)域。
當(dāng)仿真分析開始時(shí)，鑄造工程師們就會(huì)和設(shè)計(jì)工程師們一起工作，以便掌握那些需要具備最優(yōu)材料特性的區(qū)域，以及進(jìn)料口和回填管所處位置之間的區(qū)域。在仿真階段開展這種合作關(guān)系，可有效提升鑄造性能，以及制造過程的可重復(fù)性和可靠性。
金屬流動(dòng)仿真軟件公司與鑄造廠合作，以確保其模型能夠真實(shí)模擬實(shí)際問題。并非所有材料的流動(dòng)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(dāng)高的強(qiáng)度、疲勞、高溫特性，但是由于不含硅，其流動(dòng)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(shù)的提高，工程師可通過仿真方式來預(yù)測(cè)鑄造過程中的金屬特性。
隨著對(duì)產(chǎn)品性能、燃油經(jīng)濟(jì)性和減排需求的日益增加，制造商們將不斷思考為其產(chǎn)品減重的方法。設(shè)計(jì)工程師們與鑄造工程師們聯(lián)手，可有效推動(dòng)柴油機(jī)輕量化的發(fā)展，不斷實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)技術(shù)革新。
