新材料与工艺手册

[动力系统轻量化] 不要骗我!“全铝发动机”竟然不是全铝的?

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发表于 2017-2-20 10:13:43 | 显示全部楼层 |阅读模式

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      “全铝发动机”似乎成为了厂商们拿来宣传的科技亮点,然而大多数人所认为的“全铝发动机”真的完全是铝合金打造的吗?

不要骗我!“全铝发动机”竟然不是全铝的?
  轻,毋庸置疑是铝材料的一大特点,汽车上所用的铝其实都是以铝合金形式存在的,因为纯铝是很软的,而铝合金却能达到很高的强度。全铝发动机、铝合金轮圈、全铝车身、铝合金悬架……为了轻量化,如今工程师们把汽车上很多曾经的钢铁部件都替换成了铝合金材料,而全铝发动机更是越来越普及,其中也包括如上汽、江淮、比亚迪等等不少中国品牌。

  从1866年德国工程师尼古拉斯·奥托(Nikolous Otto)发明了四冲程内燃机开始,打造发动机所用的材料和工艺都在不断地进化,如今铝合金已成为了汽车发动机上常见的材质。对于普通消费者来说,或许并不知道发动机内部是什么,“全铝发动机”是完全由铝合金零件组成的吗?显然,如轴承、正时齿链、起动机、气门、气门弹簧等等部件不可能是铝合金。

- 铝合金缸体和缸盖是什么?
  简单来说,支撑发动机主体骨架的腔体就是发动机的缸体,它的上方便是缸盖。缸盖一方面与活塞、缸体组成汽油燃烧的燃烧室,另一方面可以用来安装固定正时系统、喷油系统、点火系统等部件。缸体和缸盖是发动机中重量占比最大的一部分,所以从轻量化的角度来说,它们是车企们最愿意开刀的一部分。

  早期缸体和缸盖大部分都是由铸铁材质制造的,虽然铸铁缸体和缸盖具有较高的强度和耐磨性,且成本相对较低,但如今在铝合金材质面前早已失去了霸主地位。从铸铁换成铝合金,不仅能够大幅降低重量,还能改善发动机的冷却性能,对整车的动力性和燃油经济性都有一定的提升。



  相比铸铁材质,铝合金材质虽然在成本上不占优势,但随着目前大批量、规模化生产,这对于车企来说或许已不再是太大的问题,因此,“全铝发动机”也成为了当今的主流。
- “全铝发动机”为什么要加上引号?
  之所以我们给“全铝发动机”加上了引号,因为厂商们的宣传和人们普遍的认知并不是完全准确的,即便是按大多数人的认知逻辑——缸体和缸盖是铝合金材质的发动机就可以称为全铝发动机,目前来看,缸体中铸铁材质的曲轴轴承座和缸套依然不能完全被铝合金材质所替代

  作为缸体的一部分,曲轴轴承座使用了铸铁材质,严格意义上来讲,缸体就不能算作完全的铝合金缸体了。铝合金的特性决定了它不能胜任下轴承座的工作,而受力相对较小的上轴承座则可以使用更轻量化的铝合金材质。除此之外,缸体上的缸套也是不能使用铝合金的部件之一。
  “拉缸”是我们常常听到的一种发动机故障,所说的“缸”就是发动机的气缸,导致拉缸的原因有很多,比如由于冷却液缺失、机油量过低、气缸内进入异物或者活塞环故障等问题,最终都有可能损坏气缸内壁,从而汽车不能再正常行驶甚至熄火。这里提到的气缸内壁,一般来说就是发动机的缸套,而即便是厂商们口中的“全铝发动机”,缸套却不是铝合金材质,大多仍为铸铁材质。

  缸套一定是铸铁材质的吗?铸铁缸套曾经是发动机内不可或缺的一部分,然而有一天,电弧喷涂技术出现了,某些发动机内竟然看不到缸套了。

  宝马最新的B系列发动机、新款福特野马Shelby GT350上的5.2L V8发动机(Voodoo)、新款日产英菲尼迪Q50上的3.0T V6发动机(VR30DETT)等均取消了传统的铸铁缸套,采用这种电弧喷涂技术,气缸内壁被喷涂上一层合金涂层或者其它复合材料,涂层一般只有0.2-0.3mm厚,除了耐磨性和导热性有了提升,相比铸铁缸套也更能提高轻量化水平。

  基于对轻量化水平的追求,厂商们似乎对钢铁材质嫉恶如仇,想法设法地将它们替换成铝合金,或者干脆像铸铁缸套一样被取消掉。那么除了发动机的缸体和缸盖上大量采用铝合金外,如今还有哪些发动机部件逐渐淘汰了钢铁材质呢?
2 哪些钢铁部件被替代了?

那些被铝合金替换掉的钢铁部件
- 涡轮增压器也能是铝的!?
  加装涡轮增压系统是提升发动机性能的一种手段,在压榨发动机动力的背后,涡轮增压器和排气歧管则需要耐受上千摄氏度的高温,这对于铝合金的材质机理来说显然是破坏性的,所以目前大多数发动机虽然在缸体和缸盖等部分选用了轻量化的铝合金,但涡轮增压器依然为铸铁材质。然而,在人们都坚信涡轮增压器必须是笨重“铁疙瘩”的时候,有一家企业对涡轮增压器的轻量化追求却耿耿于怀。

  宝马最新的B系列发动机(B38、B48、B58等)将排气歧管和涡轮增压器融为一体,材质是铝合金,没错就是铝合金。难道铝合金材料能够耐受上千摄氏度的高温了吗?

  宝马的铝合金涡轮增压器来自于“好基友”大陆集团,这家供应商是第一个将铝合金材质的涡轮增压器应用于汽车。加入水冷系统后,不仅能让铝合金材质满足温度要求,还能让整个增压器壳体受热均匀,防止局部损害,对增压效果也有一定积极影响。宝马与大陆合作开发涡轮增压器的意义远不止于此,要知道目前很多汽油发动机的涡轮增压器技术都是由柴油机上过渡而来的,而此次合作代表了宝马针对汽油发动机而从零开发了涡轮增压器。

  “铝合金涡轮增压器+水冷系统”的方案无疑会让宝马发动机的轻量化水平和燃效都有提升,但较高的成本问题也是让宝马纠结的一点,好在宝马的B系列发动机遵循了模块化生产的原则,不管是三缸的1.5T B38、四缸的2.0T B48,还是六缸的3.0T B58都能共享很多技术和硬件,所以未来成本或许不再是大问题。
- 不只是减重——活塞及活塞连杆
  活塞是发动机中最不容易的一位小兄弟,它忍受着最恶劣的工作环境——高温、高压以及燃料的腐蚀性,而且还与气缸壁不断地发生着摩擦打斗,所以发动机对这位小兄弟的身板要求很高,它的强度、刚度、耐高温性、耐磨性、耐腐蚀性等都必须能够扛住这样恶劣的环境。

  铸铁是最经济实惠的材质选择,高强度和高温对于铸铁材质的活塞及活塞连杆来说都是小菜一碟。然而它的缺点也比较明显,由于铸铁材料的质量相对较大,所以活塞在往复运动时,发动机要克服活塞及活塞连杆本身的惯性力也较大。


发动机哪些钢铁零部件还不能被替换?
  前面我们看到很多发动机零部件都被铝合金替代了,那钢铁材质真的会被完全淘汰吗?目前来看,显然是不能。铝合金在强度、耐高温、疲劳特性等方面仍然与钢铁材质有着差距,所以这也是为什么发动机的零部件不能完全由铝合金来打造的原因。
- 曲轴必须是钢铁材料?
  曲轴也是一个比较悲催的角色,其相当于一个转换力的工具,它一边忍受着自身的离心力和往复惯性力,一边承受着活塞连杆疯狂地上下运动,将活塞连杆的推动力转换成扭矩并向外输出。它旋转的速度也就是发动机的转速,一般来说乘用车的发动机转速能达到8000-9000rpm,甚至更高,可想而知,曲轴也必须是一个不怕重活、累活的汉子。

  目前,铝合金材料的强度、耐疲劳性还难以满足发动机的需求,曲轴只有锻钢和铸钢两种材料,锻造工艺比铸造工艺生产的曲轴在强度上要更高,所以现在的汽车发动机曲轴大多采用了锻钢。当然,无论是锻造曲轴和铸造曲轴,最后都需要机加工来最终成形。

- 不能轻量化的零件?——飞轮
  在任何一台汽车发动机上,你都能看到一个很大的钢制轮盘,这就是飞轮,从尺寸上也能看出它的重量不轻。然而在发动机融入大量铝合金的今天,飞轮为什么没有被“轻量化”呢?

  因此,具有足够的转动惯量是飞轮必备的条件。质量越大,转动惯量越大,为了让发动机结构更紧凑,钢铁材质显然要比铝合金更合适。
  另外,除了发动机的曲轴、凸轮轴和飞轮,其实还有很多铝合金不能代替的钢铁部件,例如正时齿链、气门以及气门弹簧等等,所以现阶段来看,发动机上还不能完全淘汰钢铁材质,未来想要提升轻量化水平,除了改变材料外,或许我们还能从结构设计方面下手。
总结
  轻量化水平无疑是发动机甚至整车制造中一直追求的重点,如今铝合金已经替代了曾经看似不可能被替代的钢铁部件,随着材料技术的发展,铝合金在材料强度上已经有了很大的提升,尤其是锻造铝合金,但耐热性和疲劳特性依然是与钢铁不在一个级别的,所以为了让铝合金在发动机上体现出轻量化优势,所以厂商们不得不在其他方面相应的增加技术弥补,例如宝马的铝合金涡轮增压器需要额外一套的水冷系统。厂商们口中的“全铝发动机”并非是所有钢铁零部件换成了铝合金材质,在某些部分钢铁材质依然是最佳的选择,想要提升整车的轻量化水平,或许还更多的解决方案。

发表于 2017-2-27 14:15:19 | 显示全部楼层
太天真了呵呵呵
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华阳碳纤维
发表于 2017-3-31 09:07:48 | 显示全部楼层
不可能有全鋁的吧~ 就物理現象而言~ 謝了
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唐山钢铁
发表于 2018-2-26 10:51:00 | 显示全部楼层
Thanks for sharing
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华阳碳纤维
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