节能减排是汽车轻量化发展的重要目标，汽车发动机缸体作为动力系统的重要部件，其重量的降低对降低油耗、减少排放有着较为重要的意义。Fritz Winter和AVL合作开发了一款轻量化四缸汽油发动机缸体。采用铸铁材料，通过薄壁化设计、尺寸优化等实现减重。
随着汽油和柴油发动机尺寸的不断缩小，导致了发动机缸体需要承受的结构应力逐步增加。铸铁材料具有较好的力学性能，用于发动机缸体较为合适。研究人员选择了一款四缸1.6升排量的铸造铝合金汽油缸体（具体参数见表1），通过优化设计，对比了气缸圆度、摩擦、油耗、成本和NVH等性能。
结构优化
综合考虑重量、成本、可制造性和对发动机运行的影响，对缸体结构进行优化设计。首先通过薄壁化设计弥补铝合金被铸铁材料替换带来的重量变化；其次，对缸体结构进行优化设计，如图1。
由于铸铁和母缸内衬套的抗拉强度较高，因此缸心距可从87 mm减小到84.5 mm。结合其他结构优化，使得发动机总长度可减少12.0 mm，实现减重4.4kg。
同时，通过减小发动机尺寸，还可实现其他发动机部件的重量减轻，同时也降低成本。通过减少曲轴，油底壳，气缸盖和凸轮轴等部件的重量，根据DIN 70020，铸铁缸体和铝合金缸体的重量差异可以进一步减少到1.9 kg。
针对薄壁化缸体结构在工作载荷下的结构刚性、缸孔变形以及热学性能等方面进行了进一步优化，以实现产品性能的稳定。
成型工艺优化
采用Fritz Winter开发的模拟程序，对铸造过程中的工艺参数进行模拟优化，以实现时间和成本效益的最大化。优化参数包括：
- 固化速度对材料微观结构的影响
- 孕育处理对铸铁组织结构的影响
- 模具温度对产品热稳定性的影响
- 材料的化学成分对微观结构及拉伸强度的影响
- 浇注时间、温度等对材料性能的影响。
基于这些参数的优化，该模拟系统可提供最佳的铸造工艺，使得产品的热变形降到最低。
铸造工艺的创新
除了结构设计和参数模拟，轻质发动机缸体的制造还需要满足以下条件：
- 最小化铸造公差（±0.8 mm）
- 最小化壁厚公差（±0.5 mm）
- 实现铸造产品质量的提升
- 达到预期的重量目标
最终的目标是：
- 保护资源的可持续性
- 全球可用性
- 流程和工具的标准化
- 成本效益。
乘用车的铸铁发动机缸体，无论是直列式缸体还是V型缸体，一般都采用湿型砂。新型铸造方法摈弃了传统湿型砂生产线，采用创新技术提升了产品质量和稳定性。同时也解决了生产线的高投资和对原材料的依赖。
产品试制
为了验证开发结果，研究人员依据实际生产条件完成了从铸件的生产到产品精加工等一系列新产品的试制。其中第一批铸件满足所有冶金要求并且显示出非常高的尺寸精度。产品实际重量在标准重量0.4%的误差以内，且拉伸强度增加约5％，硬度增加约4％。
能源消耗
基于终端用户对产品能耗的关注以及相关环保法规的要求，研究人员对新产品生命周期的碳排放进行了评估。结果如图4。
依据Institut für Gießereitechnik等人提出的评估方法，分析表明在制造过程中产生的额外的能量消耗可以用1.9kg的减重和相应的油耗节省来抵消。这个计算涵盖了GDA公布的全球铝合金材料回收率以及铝合金曲轴带来的减重因素。当然，这种能量消耗的平衡需要全生命周期来实现。
在回收方面，铸铁材料无需复杂的处理就直接被使用。而铝合金材料在回收时需要通过处理去程表面杂质。
成本分析
在对价格敏感的车辆类别中，制造商及其供应商的成本压力不断上升，也给产品开发带来了难度。与其他材料相比，铸铁是制造气缸体的最具成本效益的选择。此外，通过薄壁化设计、尺寸优化、消除汽缸涂层等则将进一步提升成本优势。
同时，与高压铸造工艺相比，新工艺仍然具有约28%的成本优势，如图5所示。如果与CPS铸造或低压铸造工艺比较，成本优势将更加明显。
小结
该开发项目的开发展示了铸铁材料在重量、成本和生态方面的潜力。发动机开发商和代工厂之间的密切合作能够将发动机之间的重量差异降至最低，同时实现成本优势。此外，这种新的铸造和制造技术可实现高精度，可持续的全球化生产。
