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2024.05.16

第8期(后篇)超越原裝!采用最新技術(shù)增強(qiáng)發(fā)動機(jī)動力

目錄

? 處于“異常磨損”狀態(tài)的氣缸內(nèi)壁
? 珩磨加工氣缸內(nèi)壁
? 引領(lǐng)世界的“珩磨專家”們

汽車行業(yè)迎來了百年一遇的大變革期。豐田汽車集齊所有部門,展開了史無前例的劃時代挑戰(zhàn)。

其中之一就是2022年春天,從公司內(nèi)各生產(chǎn)工廠聚集各色各樣的人才,在元町工廠開啟了“初代皇冠修復(fù)翻新項目”。

豐田時報為您介紹該項目背后的意義,并帶來修復(fù)翻新現(xiàn)場最近距離的報道。在第8期后篇中,我們將聚焦來自上鄉(xiāng)工廠、下山工廠的珩磨團(tuán)隊,他們利用最先進(jìn)的珩磨加工技術(shù)完美修復(fù)了發(fā)動機(jī),并獲得了比原裝發(fā)動機(jī)更強(qiáng)勁的動力。

處于“異常磨損”狀態(tài)的氣缸內(nèi)壁

正如前篇所述,要直面各種課題的發(fā)動機(jī)修復(fù)翻新項目組,接下來將要面對的是難度極大的氣缸異常磨損問題。

成員們將發(fā)動機(jī)完全分解后,仔細(xì)檢查拆卸下來的活塞、活塞環(huán)、機(jī)油環(huán),發(fā)現(xiàn)這些零件的表面都出現(xiàn)了很大的傷痕,還發(fā)現(xiàn)了多處帶有積碳(黑煤印記)的地方。

上圖為拆解下來的活塞和活塞環(huán)。

這代表著發(fā)動機(jī)由于冷卻不足,使機(jī)油無法正常為活塞和氣缸潤滑,導(dǎo)致發(fā)動機(jī)出現(xiàn)了異常磨損現(xiàn)象。

這種狀態(tài)下,即便是更換全新的活塞或活塞環(huán),發(fā)動機(jī)也不能恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

發(fā)動機(jī)項目組成員們?yōu)榇硕噶顺?。如前篇中為大家介紹的一般,這臺發(fā)動機(jī)上留有多次因發(fā)動機(jī)過熱而導(dǎo)致的痕跡。所以修復(fù)翻新時不但要將活塞、活塞環(huán)、機(jī)油環(huán)等零件全部換新,就連因異常磨損而劃傷的氣缸內(nèi)壁也要進(jìn)行重新修復(fù)。

上圖為拆解后的發(fā)動機(jī)組,拍照時還處于活塞插入的狀態(tài)。

實際上,一臺發(fā)動機(jī)如果多次發(fā)生了發(fā)動機(jī)過熱問題,最保險的處理方式還是進(jìn)行整體更換。因為發(fā)動機(jī)組本身可能會因高溫而導(dǎo)致變形,從而發(fā)生冷卻水泄漏和漏油現(xiàn)象。

但是,面對一臺70多年前的老古董,修復(fù)翻新項目組實在找不到另一臺備用發(fā)動機(jī),因此只能絞盡腦汁修復(fù)氣缸,使發(fā)動機(jī)恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

珩磨加工氣缸內(nèi)壁

因此,為了修復(fù)翻新這臺老式發(fā)動機(jī),成員們活用了當(dāng)代豐田引以為豪的最新技術(shù)和know-how。對氣缸內(nèi)壁進(jìn)行了珩磨加工。

所謂珩磨一般是指,加工刀具刀刃的一種磨削加工形式。而針對發(fā)動機(jī)氣缸的珩磨加工是指,使用一種被稱為珩磨機(jī)的機(jī)械,對圓柱形氣缸內(nèi)壁進(jìn)行的一種精密加工方法。

具體來說就是在珩磨機(jī)的珩磨頭(工具)上安裝多個珩磨條,用珩磨頭反復(fù)打磨被固定住的發(fā)動機(jī)組氣缸內(nèi)壁,使內(nèi)壁的表面能夠得到微米級單位的研磨加工,最終呈現(xiàn)出最合適的形狀。這項精密的加工工序,對發(fā)動機(jī)的綜合性能將起到?jīng)Q定性作用,可以說是制造發(fā)動機(jī)技術(shù)的精髓所在。

上圖為被固定在珩磨機(jī)上的發(fā)動機(jī)組,以及珩磨頭特寫。

順帶一提,在加工發(fā)動機(jī)內(nèi)壁時,還有一種被稱為“鉆孔加工”的技術(shù)。這種工藝能夠?qū)飧變?nèi)壁表面以0.1毫米的程度進(jìn)行幅度較大的切削加工。通常被用于氣缸內(nèi)壁出現(xiàn)較大劃痕,發(fā)動機(jī)組無法直接繼續(xù)使用的情況下。

此外,還會在想要實現(xiàn)發(fā)動機(jī)馬力提升,擴(kuò)大內(nèi)壁直徑時使用這種加工方式。通過鉆孔加工擴(kuò)大氣缸直徑,增加容積,從而帶來提高發(fā)動機(jī)排量的效果。不過,與之相比珩磨加工工藝無疑是最為精細(xì)的一種加工方式。

對氣缸內(nèi)壁的珩磨加工,并非單純地用砂輪研磨氣缸內(nèi)壁,消除表面的凹凸,使其平滑這么簡單。

當(dāng)活塞在氣缸內(nèi)上下移動時,氣缸內(nèi)壁上有一層機(jī)油形成的油膜。這層油膜會起到潤滑的作用,使上下高速運(yùn)轉(zhuǎn)的活塞與活塞環(huán),能夠在不與氣缸內(nèi)壁直接接觸的情況下保持順暢運(yùn)動。

因此,氣缸內(nèi)壁的表面不能是光滑的狀態(tài),需要適度的、細(xì)微的擁有一定凹凸(粗糙)度,這種狀態(tài)才有助于機(jī)油掛在表面。

但如果氣缸內(nèi)壁表面的粗糙度過大,就會破壞活塞環(huán)的密合性,在活塞環(huán)和氣缸內(nèi)壁之間出現(xiàn)“縫隙”。

這會導(dǎo)致燃燒的氣體從間隙進(jìn)入曲軸箱,引起機(jī)油劣化,最終出現(xiàn)“竄機(jī)油”現(xiàn)象,或發(fā)動機(jī)機(jī)油進(jìn)入燃燒室中,導(dǎo)致所謂的“燒機(jī)油”故障。

這樣一來,殘留在氣缸內(nèi)壁表面的多余機(jī)油,在接觸到高溫燃燒氣體后也會燃燒,使氣缸內(nèi)壁表面出現(xiàn)殘留的燃燒渣滓,影響活塞無法順暢地運(yùn)動,最終會出現(xiàn)“拉缸”現(xiàn)象。另外,尾氣中還會混入因機(jī)油燃燒而產(chǎn)生的白煙,這些煙霧與煤渣會損害尾氣凈化觸媒,降低凈化功能,使發(fā)動機(jī)出現(xiàn)致命故障。

也就是說,氣缸內(nèi)壁需要在保證活塞環(huán)和機(jī)油環(huán)緊密貼合的同時,將表面加工出適當(dāng)?shù)拇植诙龋ò纪共黄降臓顟B(tài)),以便于在其表面掛住微米級薄厚的油膜。如果能實現(xiàn)這一點,發(fā)動機(jī)就能擁有絕佳的性能和耐久度。

引領(lǐng)世界的“珩磨專家”們

在來自上鄉(xiāng)、下山工廠發(fā)動機(jī)制造技術(shù)部RE維修科岡田孝行課長的監(jiān)督下,由三輪隆幸工長領(lǐng)導(dǎo)的珩磨團(tuán)隊將負(fù)責(zé)這項精細(xì)工作,該團(tuán)隊成員還包括佐藤拓也EX和中林廣夢。他們是珩磨加工方面的專家,曾前往世界各地的發(fā)動機(jī)工廠傳授這項技術(shù)。

三輪工長

內(nèi)壁珩磨加工的內(nèi)壁表面光潔程度完全取決于加工前工件表面的狀況(形狀、粗糙度和硬度)以及所用砂輪的鋒利度。我們很高興能參與這項工作,在無法進(jìn)行試加工、只能一錘定音的情況下,我們用技術(shù)和know-how幫助修復(fù)翻新了這款值得紀(jì)念的初代皇冠。

團(tuán)隊在發(fā)動機(jī)上采用了最先進(jìn)的珩磨加工技術(shù),將表面粗糙度控制在1μm(1μm=1/1000mm)級別。

發(fā)動機(jī)缸體被安裝在公司內(nèi)部研發(fā)的珩磨加工機(jī)上,隨后帶砂輪的圓柱形工具則會插入氣缸,該旋轉(zhuǎn)工具會緊貼汽缸內(nèi)壁并上下移動,同時注入磨削用冷卻液,以微米為單位仔細(xì)研磨汽缸內(nèi)壁。

岡田課長

帶有砂輪的旋轉(zhuǎn)工具上安裝有扭力測試儀(即扭矩傳感器)。傳感器提供的信息顯示了加工過程中汽缸內(nèi)壁表面所承受的切削負(fù)荷。

為了驗證切削負(fù)荷與加工精度之間的關(guān)系,并確保加工質(zhì)量和砂輪的鋒利度,以三輪工長為首的團(tuán)隊成員通過不斷改進(jìn)加工方法來應(yīng)對發(fā)動機(jī)缸體的所有變化。

上圖為正在測定珩磨加工后精度的中林廣夢。

上圖為正在判斷測量結(jié)果的佐藤拓也EX。

旋轉(zhuǎn)工具上的砂輪有三種類型,分別是金剛石砂輪、CBN(超高壓燒結(jié)體)砂輪和WA(白剛玉材料和晶粒)砂輪?,F(xiàn)場展示了使用這三種砂輪的三種旋轉(zhuǎn)工具,以及在售車型的發(fā)動機(jī)缸體在珩磨加工前后的樣品。

近距離一看,加工前后氣缸內(nèi)壁的差異顯而易見。如果仔細(xì)觀察加工前的內(nèi)壁表面,可以看到切削工具造成的細(xì)小痕跡,而加工后的內(nèi)壁則光亮如鏡。

珩磨加工前(左圖),珩磨加工后(右圖)。

三輪工長

在修復(fù)翻新初代皇冠之前,豐田修復(fù)翻新了初代PUBLICA。和之前的情況一樣,在修復(fù)翻新沒有備用零件的發(fā)動機(jī)缸體時,必須盡量減少加工余量(加工表面的深度)。這次也是一樣,在達(dá)到理想狀態(tài)的同時,必須盡量減少加工余量。

您可以在下方視頻中觀看具體過程。

修復(fù)翻新作業(yè)完成后,當(dāng)R型發(fā)動機(jī)重新組裝并首次點火時,在場的所有人都親身體驗到了珩磨加工的成果:發(fā)動機(jī)發(fā)出的聲音非常平穩(wěn),與成員們之前聽到的R型發(fā)動機(jī)的聲音完全不同。此外,修復(fù)翻新后的發(fā)動機(jī)的動力也超出了預(yù)期。

其實,考慮到汽油發(fā)動機(jī)的歷史,超乎預(yù)期也不足為奇。70年前,初代皇冠誕生時的發(fā)動機(jī)與今天的發(fā)動機(jī)相比,原材料和結(jié)構(gòu)不同,而且當(dāng)時氣缸內(nèi)壁的精密加工技術(shù)也完全不如現(xiàn)在的技術(shù)。

利用現(xiàn)代技術(shù),在初代皇冠的R型發(fā)動機(jī)上實現(xiàn)了更強(qiáng)的轉(zhuǎn)速和馬力,這與它誕生時的水平相比簡直是天壤之別。這正是原本的制造商豐田公司才能做到的事情:在原裝基礎(chǔ)上對發(fā)動機(jī)進(jìn)行完美的修復(fù)翻新。

隨著汽車電動化程度的不斷提高,我們遺憾地發(fā)現(xiàn)很多人開始輕視發(fā)動機(jī),將其視為“過去的技術(shù)”。

然而,內(nèi)燃機(jī)已有100多年的發(fā)展歷史,制造技術(shù)也在不斷飛躍進(jìn)步。發(fā)動機(jī)珩磨加工技術(shù)可謂發(fā)動機(jī)制造技術(shù)的精髓和前沿。

如果能像本次修復(fù)翻新項目一樣,將這項技術(shù)應(yīng)用到老式發(fā)動機(jī)上,使車輛擁有在其制造時無法想象的性能、可信賴性和耐久性,那么您就可以一直駕駛您的愛車。這項技術(shù)為老車修復(fù)翻新領(lǐng)域翻開了全新的一頁。

從左往右分別是:三輪隆幸工長、中林廣夢、佐藤拓也EX、岡田孝行課長。

(文章:澀谷康人)

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