先進(jìn)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)材料和新工藝
互聯(lián)網(wǎng) jemmyweng 汽車構(gòu)造維修 2007-05-25
現(xiàn)在，我們?cè)谶x擇汽車的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的材料。我們也經(jīng)常會(huì)在許多廠商的推廣宣傳上看到“全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)”這個(gè)耀眼的字眼。為何廠商要炫耀他的全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)，那不是“全鋁”的發(fā)動(dòng)機(jī)材料是什么？全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)有什么好處呢？還有哪些新型的材料被用來制造發(fā)動(dòng)機(jī)部件？這篇文章，我們就來一起討論這個(gè)話題。 傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)無論是缸體還是缸蓋都是采用鑄鐵的，但是鑄鐵有著許多先天的不足，例如重量大、散熱性差、摩擦系數(shù)高等等，所以，許多發(fā)動(dòng)機(jī)廠商都在尋找更適合的材料制造發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)成部件。  輕量化材料：首先我們從材料的輕量化來討論新型發(fā)動(dòng)機(jī)材料的優(yōu)勢(shì)。 1、全鋁缸蓋和缸體 我們?nèi)粘Ｋf的全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)是指缸蓋和缸體都是鋁合金制造的發(fā)動(dòng)機(jī)。而缸蓋是鋁合金，缸體是鑄鐵的發(fā)動(dòng)機(jī)，一般我們還是稱作鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)�，F(xiàn)在，全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)在大量的車型上被采用，在國(guó)外，羅孚的k系列發(fā)動(dòng)機(jī)，寶馬的M52直列六缸發(fā)動(dòng)機(jī)，日產(chǎn)的VQ發(fā)動(dòng)機(jī)，捷豹的-AJ－V8發(fā)動(dòng)機(jī)、奔馳的V6和V8發(fā)動(dòng)機(jī)、通用的LS1和北極星V8發(fā)動(dòng)機(jī)、標(biāo)致的2升四缸發(fā)動(dòng)機(jī)和通用的新型直列四缸發(fā)動(dòng)機(jī)等等都是采用鋁合金制造。國(guó)內(nèi)的許多小排量發(fā)動(dòng)機(jī)也逐步采用全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)，如國(guó)產(chǎn)鈴木系列的發(fā)動(dòng)機(jī)G13、K14等。甚至包括一些國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)也采用鋁合金材質(zhì)了，最著名的就是東安動(dòng)力開發(fā)的468發(fā)動(dòng)機(jī)，這款發(fā)動(dòng)機(jī)被配備在哈飛路寶和昌河愛迪爾上，獲得了很大的成功。  很早以前的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)就開始大規(guī)模采用全鋁缸蓋了。缸蓋的重量并不大，所以汽車制造商喜歡它并不是因?yàn)樗亓枯p，而是因?yàn)樗懈玫纳嵝阅堋ｋS著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，四氣閥結(jié)構(gòu)成為發(fā)動(dòng)機(jī)的主流設(shè)計(jì)趨勢(shì)。與一起的兩氣閥發(fā)動(dòng)機(jī)相比，每缸四氣閥的氣缸蓋比每缸兩氣閥的氣缸蓋在工作時(shí)要產(chǎn)生更多的熱量，采用全鋁缸蓋是最好的解決辦法。  出于成本的考慮，氣缸體采用全鋁設(shè)計(jì)比氣缸蓋要晚得多。氣缸體是發(fā)動(dòng)機(jī)上最重的部分，因而使用鋁合金材料可以減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，從而達(dá)到減輕整車重量的目的。這一點(diǎn)對(duì)于前置前驅(qū)車型來說，顯得尤為可貴，當(dāng)然在另一方面，由于材料價(jià)格和加工工藝的區(qū)別，采用鋁合金缸體的發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)增加一些成本。  2、樹脂或鎂作為材料的進(jìn)氣管 在發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)成上，復(fù)雜的進(jìn)氣管是另外一個(gè)很重的部件。特別如今流行的更復(fù)雜的可變長(zhǎng)度的進(jìn)氣管，其重量相當(dāng)可觀。剛開始的時(shí)候，人們采用鋁合金來作為進(jìn)氣管的替代材料，后來許多汽車制造商開始采用具有熱塑性的66號(hào)尼龍，或者其他耐熱的可塑性材料制造進(jìn)氣管。因?yàn)檫@些復(fù)合材料的有許多優(yōu)點(diǎn)：價(jià)錢便宜、重量輕、內(nèi)臂平滑（從而空氣流動(dòng)好、氣阻小），因此它對(duì)于汽車制造商來說是很理想的進(jìn)氣管材料。  但是這些復(fù)合材料也有讓人很頭痛的缺陷，它很容易產(chǎn)生一些細(xì)小的裂紋，這種裂紋導(dǎo)致高速進(jìn)氣時(shí)會(huì)在進(jìn)氣管里產(chǎn)生令人不快的噪音，所以許多高檔的豪華車都沒有采用這種材料制造進(jìn)氣管。例如奔馳就選擇了鎂合金——這種材料比鋁更輕，盡管它比較昂貴，而且耐高溫能力有限。貴不是主要問題，因?yàn)橐溃疤崾茄b配在豪華車上，對(duì)于豪華車來說，性能的提高比成本相對(duì)來說要更重要。耐熱能力有限也不要緊，因?yàn)檫M(jìn)氣管的溫度并不高。鎂合金是金屬材質(zhì)的，空氣在鎂合金制造的進(jìn)氣管內(nèi)流動(dòng)，要比在塑料的噪音要小的多。  也有一些車采用了非常少見的材料，例如TVR和法拉力V8采用的是一種稱作凱福拉（Kevlar）的材料來制造進(jìn)氣管，它能獲得更輕的重量，而且進(jìn)氣噪音與金屬進(jìn)氣管相當(dāng)。這些都是很少采用的特例，就不多討論了。 摩擦力和運(yùn)動(dòng)慣性的優(yōu)化：除了輕量化，新型材料在摩擦力和運(yùn)動(dòng)慣性方面同樣具有很大的優(yōu)勢(shì)。 1、鋁活塞和鋼制氣缸套 發(fā)動(dòng)機(jī)的響應(yīng)性與發(fā)動(dòng)機(jī)部件的運(yùn)動(dòng)慣性是分不開的，發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件包括曲軸、活塞、連桿等。由于曲軸要求瞬間強(qiáng)度非常高，所以只能采用高強(qiáng)度鋼來制造。  活塞就沒有曲軸這樣的局限了，在高轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)上，通常都是用鋁合金來制造活塞。更輕的活塞重量能產(chǎn)生更高的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而能獲得更大的動(dòng)力輸出。 使用鋁合金來制造活塞，成本并不是非常昂貴，主要問題是出在摩擦阻力上。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，活塞與氣缸壁之間肯定會(huì)產(chǎn)生摩擦。而鋁和鋁直接的摩擦系數(shù)是很高的，它比鋁和鑄鐵之間的摩擦系數(shù)要高得多。這樣一來，如果全鋁缸體配合全鋁活塞，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候摩擦阻力就會(huì)非常大，這顯然是不可取的，這也就是為何許多發(fā)動(dòng)機(jī)使用鋁合金活塞，但必須使用鑄鐵缸體的原因。但如果為了采用全鋁缸體而采用鑄鐵活塞，那顯然是更得不償失的。  那如何解決這一矛盾呢？ 目前最主流的解決辦法，就是在鋁制的氣缸體內(nèi)鑲一個(gè)鋼制的氣缸套，讓鋁合金活塞不會(huì)與鋁制的氣缸壁相接觸。這種設(shè)計(jì)可以解決這一矛盾，當(dāng)然也會(huì)增加一些成本。 這種方法在70年代中期首先被雪佛蘭Vega所采用。它的發(fā)動(dòng)機(jī)采用全鋁設(shè)計(jì)，在鋁合金的氣缸體內(nèi)鑲上了一個(gè)鑄鐵的缸套，當(dāng)然活塞同樣也是用鋁合金制造的。它的摩擦阻力比全鑄鐵的發(fā)動(dòng)機(jī)要小得多，因此它的動(dòng)力得到了很大程度的提高。不僅如此，這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)還能獲得更輕的重量和更小的運(yùn)勁慣性，改善了車子的加速性、操控性和經(jīng)濟(jì)性。后來，這種方法被許多配備了高轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車所采用。  還有一個(gè)解決辦法，就是采用增強(qiáng)型金屬纖維氣缸套（FRM）。本田在它的NSX 3.2升發(fā)動(dòng)機(jī)上采用了這個(gè)技術(shù)。它的成本和升功率在鑄鐵缸體和鑲缸套之間。這種解決辦法，是在全鋁的缸體上直接把金屬纖維加熱融化以后，通過特殊工藝把金屬粒子滲透到氣缸壁上，就仿佛在氣缸壁上電鍍了一層厚度只有0.5毫米的金屬纖維。與鑄鐵缸體相比，它能產(chǎn)生更低的摩擦阻力，因而改善了轉(zhuǎn)速和功率。同時(shí)，金屬纖維是直接滲透到氣缸缸體里的，所以它的強(qiáng)度非常大（相當(dāng)于整個(gè)缸體的強(qiáng)度）。 2、鈦合金連桿 鈦是一種重量很輕，強(qiáng)度很大的材料，而且價(jià)格非常昂貴，一般只在航空領(lǐng)域采用。但是，這種航空材料最終還是被應(yīng)用在了汽車上，不過僅限于高性能的運(yùn)動(dòng)轎車，因?yàn)橹挥羞@些汽車才會(huì)為了提高性能而不計(jì)成本的采用盡可能適合的材料。蘭博基尼的Diablo、法拉力的F355 / 360 M / 550 M 、還有保時(shí)捷的911 GT3等都采用鈦合金來制造連桿，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。  3、鍛造工藝 鍛造是一種非常傳統(tǒng)的制造工藝，但是它不能在高強(qiáng)度和輕量化之間取得很好的平衡。在本田的Type R和其他高性能汽車上，經(jīng)常采用鍛造工藝來制造活塞、曲軸和連桿。  由于鍛造需要用手工完成，因此需要花費(fèi)巨大的人工成本。鍛造高溫的金屬能讓更多的礦物質(zhì)滲透到金屬粒子當(dāng)中去，因而改善了零件的強(qiáng)度和耐熱性，最終有利于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速提高和動(dòng)力輸出。同時(shí)，鍛造還能改善一些部件的摩擦系數(shù)，例如采用鍛造工藝制造的活塞就能更好的減小表面的摩擦系數(shù)。 |
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