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2024.05.16

第8期(后篇)超越原装!采用最新技术增强发动机动力

目录

处于“异常磨损”状态的气缸内壁
珩磨加工气缸内壁
引领世界的“珩磨专家”们

汽车行业迎来了百年一遇的大变革期。丰田汽车集齐所有部门,展开了史无前例的划时代挑战。

其中之一就是2022年春天,从公司内各生产工厂聚集各色各样的人才,在元町工厂开启了“初代皇冠修复翻新项目”。

丰田时报为您介绍该项目背后的意义,并带来修复翻新现场最近距离的报道。在第8期后篇中,我们将聚焦来自上乡工厂、下山工厂的珩磨团队,他们利用最先进的珩磨加工技术完美修复了发动机,并获得了比原装发动机更强劲的动力。

处于“异常磨损”状态的气缸内壁

正如前篇所述,要直面各种课题的发动机修复翻新项目组,接下来将要面对的是难度极大的气缸异常磨损问题。

成员们将发动机完全分解后,仔细检查拆卸下来的活塞、活塞环、机油环,发现这些零件的表面都出现了很大的伤痕,还发现了多处带有积碳(黑煤印记)的地方。

上图为拆解下来的活塞和活塞环。

这代表着发动机由于冷却不足,使机油无法正常为活塞和气缸润滑,导致发动机出现了异常磨损现象。

这种状态下,即便是更换全新的活塞或活塞环,发动机也不能恢复正常运转。

发动机项目组成员们为此而犯了愁。如前篇中为大家介绍的一般,这台发动机上留有多次因发动机过热而导致的痕迹。所以修复翻新时不但要将活塞、活塞环、机油环等零件全部换新,就连因异常磨损而划伤的气缸内壁也要进行重新修复。

上图为拆解后的发动机组,拍照时还处于活塞插入的状态。

实际上,一台发动机如果多次发生了发动机过热问题,最保险的处理方式还是进行整体更换。因为发动机组本身可能会因高温而导致变形,从而发生冷却水泄漏和漏油现象。

但是,面对一台70多年前的老古董,修复翻新项目组实在找不到另一台备用发动机,因此只能绞尽脑汁修复气缸,使发动机恢复正常运转。

珩磨加工气缸内壁

因此,为了修复翻新这台老式发动机,成员们活用了当代丰田引以为豪的最新技术和know-how。对气缸内壁进行了珩磨加工。

所谓珩磨一般是指,加工刀具刀刃的一种磨削加工形式。而针对发动机气缸的珩磨加工是指,使用一种被称为珩磨机的机械,对圆柱形气缸内壁进行的一种精密加工方法。

具体来说就是在珩磨机的珩磨头(工具)上安装多个珩磨条,用珩磨头反复打磨被固定住的发动机组气缸内壁,使内壁的表面能够得到微米级单位的研磨加工,最终呈现出最合适的形状。这项精密的加工工序,对发动机的综合性能将起到决定性作用,可以说是制造发动机技术的精髓所在。

上图为被固定在珩磨机上的发动机组,以及珩磨头特写。

顺带一提,在加工发动机内壁时,还有一种被称为“钻孔加工”的技术。这种工艺能够将气缸内壁表面以0.1毫米的程度进行幅度较大的切削加工。通常被用于气缸内壁出现较大划痕,发动机组无法直接继续使用的情况下。

此外,还会在想要实现发动机马力提升,扩大内壁直径时使用这种加工方式。通过钻孔加工扩大气缸直径,增加容积,从而带来提高发动机排量的效果。不过,与之相比珩磨加工工艺无疑是最为精细的一种加工方式。

对气缸内壁的珩磨加工,并非单纯地用砂轮研磨气缸内壁,消除表面的凹凸,使其平滑这么简单。

当活塞在气缸内上下移动时,气缸内壁上有一层机油形成的油膜。这层油膜会起到润滑的作用,使上下高速运转的活塞与活塞环,能够在不与气缸内壁直接接触的情况下保持顺畅运动。

因此,气缸内壁的表面不能是光滑的状态,需要适度的、细微的拥有一定凹凸(粗糙)度,这种状态才有助于机油挂在表面。

但如果气缸内壁表面的粗糙度过大,就会破坏活塞环的密合性,在活塞环和气缸内壁之间出现“缝隙”。

这会导致燃烧的气体从间隙进入曲轴箱,引起机油劣化,最终出现“窜机油”现象,或发动机机油进入燃烧室中,导致所谓的“烧机油”故障。

这样一来,残留在气缸内壁表面的多余机油,在接触到高温燃烧气体后也会燃烧,使气缸内壁表面出现残留的燃烧渣滓,影响活塞无法顺畅地运动,最终会出现“拉缸”现象。另外,尾气中还会混入因机油燃烧而产生的白烟,这些烟雾与煤渣会损害尾气净化触媒,降低净化功能,使发动机出现致命故障。

也就是说,气缸内壁需要在保证活塞环和机油环紧密贴合的同时,将表面加工出适当的粗糙度(凹凸不平的状态),以便于在其表面挂住微米级薄厚的油膜。如果能实现这一点,发动机就能拥有绝佳的性能和耐久度。

引领世界的“珩磨专家”们

在来自上乡、下山工厂发动机制造技术部RE维修科冈田孝行课长的监督下,由三轮隆幸工长领导的珩磨团队将负责这项精细工作,该团队成员还包括佐藤拓也EX和中林广梦。他们是珩磨加工方面的专家,曾前往世界各地的发动机工厂传授这项技术。

三轮工长

内壁珩磨加工的内壁表面光洁程度完全取决于加工前工件表面的状况(形状、粗糙度和硬度)以及所用砂轮的锋利度。我们很高兴能参与这项工作,在无法进行试加工、只能一锤定音的情况下,我们用技术和know-how帮助修复翻新了这款值得纪念的初代皇冠。

团队在发动机上采用了最先进的珩磨加工技术,将表面粗糙度控制在1μm(1μm=1/1000mm)级别。

发动机缸体被安装在公司内部研发的珩磨加工机上,随后带砂轮的圆柱形工具则会插入气缸,该旋转工具会紧贴汽缸内壁并上下移动,同时注入磨削用冷却液,以微米为单位仔细研磨汽缸内壁。

冈田课长

带有砂轮的旋转工具上安装有扭力测试仪(即扭矩传感器)。传感器提供的信息显示了加工过程中汽缸内壁表面所承受的切削负荷。

为了验证切削负荷与加工精度之间的关系,并确保加工质量和砂轮的锋利度,以三轮工长为首的团队成员通过不断改进加工方法来应对发动机缸体的所有变化。

上图为正在测定珩磨加工后精度的中林广梦。

上图为正在判断测量结果的佐藤拓也EX。

旋转工具上的砂轮有三种类型,分别是金刚石砂轮、CBN(超高压烧结体)砂轮和WA(白刚玉材料和晶粒)砂轮。现场展示了使用这三种砂轮的三种旋转工具,以及在售车型的发动机缸体在珩磨加工前后的样品。

近距离一看,加工前后气缸内壁的差异显而易见。如果仔细观察加工前的内壁表面,可以看到切削工具造成的细小痕迹,而加工后的内壁则光亮如镜。

珩磨加工前(左图),珩磨加工后(右图)。

三轮工长

在修复翻新初代皇冠之前,丰田修复翻新了初代PUBLICA。和之前的情况一样,在修复翻新没有备用零件的发动机缸体时,必须尽量减少加工余量(加工表面的深度)。这次也是一样,在达到理想状态的同时,必须尽量减少加工余量。

您可以在下方视频中观看具体过程。

修复翻新作业完成后,当R型发动机重新组装并首次点火时,在场的所有人都亲身体验到了珩磨加工的成果:发动机发出的声音非常平稳,与成员们之前听到的R型发动机的声音完全不同。此外,修复翻新后的发动机的动力也超出了预期。

其实,考虑到汽油发动机的历史,超乎预期也不足为奇。70年前,初代皇冠诞生时的发动机与今天的发动机相比,原材料和结构不同,而且当时气缸内壁的精密加工技术也完全不如现在的技术。

利用现代技术,在初代皇冠的R型发动机上实现了更强的转速和马力,这与它诞生时的水平相比简直是天壤之别。这正是原本的制造商丰田公司才能做到的事情:在原装基础上对发动机进行完美的修复翻新。

随着汽车电动化程度的不断提高,我们遗憾地发现很多人开始轻视发动机,将其视为“过去的技术”。

然而,内燃机已有100多年的发展历史,制造技术也在不断飞跃进步。发动机珩磨加工技术可谓发动机制造技术的精髓和前沿。

如果能像本次修复翻新项目一样,将这项技术应用到老式发动机上,使车辆拥有在其制造时无法想象的性能、可信赖性和耐久性,那么您就可以一直驾驶您的爱车。这项技术为老车修复翻新领域翻开了全新的一页。

从左往右分别是:三轮隆幸工长、中林广梦、佐藤拓也EX、冈田孝行课长。

(文章:涩谷康人)

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