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全鋁發動機不是全鋁的?

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發表于 2017-5-20 20:40:31 | 只看該作者 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
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全鋁發動機竟然不是全鋁的?

  [汽車之家 發動機技術]  “全鋁發動機”似乎成為了廠商們拿來宣傳的科技亮點,然而大多數人所認為的“全鋁發動機”真的完全是鋁合金打造的嗎?

不要騙我!“全鋁發動機”竟然不是全鋁的?

  輕,毋庸置疑是鋁材料的一大特點,汽車上所用的鋁其實都是以鋁合金形式存在的,因為純鋁是很軟的,而鋁合金卻能達到很高的強度。全鋁發動機、鋁合金輪圈、全鋁車身、鋁合金懸架……為了輕量化,如今工程師們把汽車上很多曾經的鋼鐵部件都替換成了鋁合金材料,而全鋁發動機更是越來越普及,其中也包括如上汽、江淮、比亞迪等等不少中國品牌。

  從1866年德國工程師尼古拉斯·奧托(Nikolous Otto)發明了四沖程內燃機開始,打造發動機所用的材料和工藝都在不斷地進化,如今鋁合金已成為了汽車發動機上常見的材質。對于普通消費者來說,或許并不知道發動機內部是什么,“全鋁發動機”是完全由鋁合金零件組成的嗎?顯然,如軸承、正時齒鏈、起動機、氣門、氣門彈簧等等部件不可能是鋁合金。

- 鋁合金缸體和缸蓋是什么?

  簡單來說,支撐發動機主體骨架的腔體就是發動機的缸體,它的上方便是缸蓋。缸蓋一方面與活塞、缸體組成汽油燃燒的燃燒室,另一方面可以用來安裝固定正時系統、噴油系統、點火系統等部件。缸體和缸蓋是發動機中重量占比最大的一部分,所以從輕量化的角度來說,它們是車企們最愿意開刀的一部分。

  早期缸體和缸蓋大部分都是由鑄鐵材質制造的,雖然鑄鐵缸體和缸蓋具有較高的強度和耐磨性,且成本相對較低,但如今在鋁合金材質面前早已失去了霸主地位。從鑄鐵換成鋁合金,不僅能夠大幅降低重量,還能改善發動機的冷卻性能,對整車的動力性和燃油經濟性都有一定的提升。

  相比鑄鐵材質,鋁合金材質雖然在成本上不占優勢,但隨著目前大批量、規模化生產,這對于車企來說或許已不再是太大的問題,因此,“全鋁發動機”也成為了當今的主流。

- “全鋁發動機”為什么要加上引號?

  之所以我們給“全鋁發動機”加上了引號,因為廠商們的宣傳和人們普遍的認知并不是完全準確的,即便是按大多數人的認知邏輯——缸體和缸蓋是鋁合金材質的發動機就可以稱為全鋁發動機,目前來看,缸體中鑄鐵材質的曲軸軸承座和缸套依然不能完全被鋁合金材質所替代

  作為缸體的一部分,曲軸軸承座使用了鑄鐵材質,嚴格意義上來講,缸體就不能算作完全的鋁合金缸體了。鋁合金的特性決定了它不能勝任下軸承座的工作,而受力相對較小的上軸承座則可以使用更輕量化的鋁合金材質。除此之外,缸體上的缸套也是不能使用鋁合金的部件之一。

  “拉缸”是我們常常聽到的一種發動機故障,所說的“缸”就是發動機的氣缸,導致拉缸的原因有很多,比如由于冷卻液缺失、機油量過低、氣缸內進入異物或者活塞環故障等問題,最終都有可能損壞氣缸內壁,從而汽車不能再正常行駛甚至熄火。這里提到的氣缸內壁,一般來說就是發動機的缸套,而即便是廠商們口中的“全鋁發動機”,缸套卻不是鋁合金材質,大多仍為鑄鐵材質。


  缸套一定是鑄鐵材質的嗎?鑄鐵缸套曾經是發動機內不可或缺的一部分,然而有一天,電弧噴涂技術出現了,某些發動機內竟然看不到缸套了。

  寶馬最新的B系列發動機、新款福特野馬Shelby GT350上的5.2L V8發動機(Voodoo)、新款日產英菲尼迪Q50上的3.0T V6發動機(VR30DETT)等均取消了傳統的鑄鐵缸套,采用這種電弧噴涂技術,氣缸內壁被噴涂上一層合金涂層或者其它復合材料,涂層一般只有0.2-0.3mm厚,除了耐磨性和導熱性有了提升,相比鑄鐵缸套也更能提高輕量化水平。

  基于對輕量化水平的追求,廠商們似乎對鋼鐵材質嫉惡如仇,想法設法地將它們替換成鋁合金,或者干脆像鑄鐵缸套一樣被取消掉。那么除了發動機的缸體和缸蓋上大量采用鋁合金外,如今還有哪些發動機部件逐漸淘汰了鋼鐵材質呢?

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哪些鋼鐵部件被替代了?

那些被鋁合金替換掉的鋼鐵部件

- 渦輪增壓器也能是鋁的!?

  加裝渦輪增壓系統是提升發動機性能的一種手段,在壓榨發動機動力的背后,渦輪增壓器和排氣歧管則需要耐受上千攝氏度的高溫,這對于鋁合金的材質機理來說顯然是破壞性的,所以目前大多數發動機雖然在缸體和缸蓋等部分選用了輕量化的鋁合金,但渦輪增壓器依然為鑄鐵材質。然而,在人們都堅信渦輪增壓器必須是笨重“鐵疙瘩”的時候,有一家企業對渦輪增壓器的輕量化追求卻耿耿于懷。

  寶馬最新的B系列發動機(B38、B48、B58等)將排氣歧管和渦輪增壓器融為一體,材質是鋁合金,沒錯就是鋁合金。難道鋁合金材料能夠耐受上千攝氏度的高溫了嗎?

  寶馬的鋁合金渦輪增壓器來自于“好基友”大陸集團,這家供應商是第一個將鋁合金材質的渦輪增壓器應用于汽車。加入水冷系統后,不僅能讓鋁合金材質滿足溫度要求,還能讓整個增壓器殼體受熱均勻,防止局部損害,對增壓效果也有一定積極影響。寶馬與大陸合作開發渦輪增壓器的意義遠不止于此,要知道目前很多汽油發動機的渦輪增壓器技術都是由柴油機上過渡而來的,而此次合作代表了寶馬針對汽油發動機而從零開發了渦輪增壓器。

  “鋁合金渦輪增壓器+水冷系統”的方案無疑會讓寶馬發動機的輕量化水平和燃效都有提升,但較高的成本問題也是讓寶馬糾結的一點,好在寶馬的B系列發動機遵循了模塊化生產的原則,不管是三缸的1.5T B38、四缸的2.0T B48,還是六缸的3.0T B58都能共享很多技術和硬件,所以未來成本或許不再是大問題。

- 不只是減重——活塞及活塞連桿

  活塞是發動機中最不容易的一位小兄弟,它忍受著最惡劣的工作環境——高溫、高壓以及燃料的腐蝕性,而且還與氣缸壁不斷地發生著摩擦打斗,所以發動機對這位小兄弟的身板要求很高,它的強度、剛度、耐高溫性、耐磨性、耐腐蝕性等都必須能夠扛住這樣惡劣的環境。

  鑄鐵是最經濟實惠的材質選擇,高強度和高溫對于鑄鐵材質的活塞及活塞連桿來說都是小菜一碟。然而它的缺點也比較明顯,由于鑄鐵材料的質量相對較大,所以活塞在往復運動時,發動機要克服活塞及活塞連桿本身的慣性力也較大。

發動機哪些鋼鐵零部件還不能被替換?

  前面我們看到很多發動機零部件都被鋁合金替代了,那鋼鐵材質真的會被完全淘汰嗎?目前來看,顯然是不能。鋁合金在強度、耐高溫、疲勞特性等方面仍然與鋼鐵材質有著差距,所以這也是為什么發動機的零部件不能完全由鋁合金來打造的原因。

- 曲軸必須是鋼鐵材料?

  曲軸也是一個比較悲催的角色,其相當于一個轉換力的工具,它一邊忍受著自身的離心力和往復慣性力,一邊承受著活塞連桿瘋狂地上下運動,將活塞連桿的推動力轉換成扭矩并向外輸出。它旋轉的速度也就是發動機的轉速,一般來說乘用車的發動機轉速能達到8000-9000rpm,甚至更高,可想而知,曲軸也必須是一個不怕重活、累活的漢子。

  目前,鋁合金材料的強度、耐疲勞性還難以滿足發動機的需求,曲軸只有鍛鋼和鑄鋼兩種材料,鍛造工藝比鑄造工藝生產的曲軸在強度上要更高,所以現在的汽車發動機曲軸大多采用了鍛鋼。當然,無論是鍛造曲軸和鑄造曲軸,最后都需要機加工來最終成形。曲軸制造過程視頻如下:



- 不能輕量化的零件?——飛輪

  在任何一臺汽車發動機上,你都能看到一個很大的鋼制輪盤,這就是飛輪,從尺寸上也能看出它的重量不輕。然而在發動機融入大量鋁合金的今天,飛輪為什么沒有被“輕量化”呢?

  因此,具有足夠的轉動慣量是飛輪必備的條件。質量越大,轉動慣量越大,為了讓發動機結構更緊湊,鋼鐵材質顯然要比鋁合金更合適。

  另外,除了發動機的曲軸、凸輪軸和飛輪,其實還有很多鋁合金不能代替的鋼鐵部件,例如正時齒鏈、氣門以及氣門彈簧等等,所以現階段來看,發動機上還不能完全淘汰鋼鐵材質,未來想要提升輕量化水平,除了改變材料外,或許我們還能從結構設計方面下手。

總結

  輕量化水平無疑是發動機甚至整車制造中一直追求的重點,如今鋁合金已經替代了曾經看似不可能被替代的鋼鐵部件,隨著材料技術的發展,鋁合金在材料強度上已經有了很大的提升,尤其是鍛造鋁合金,但耐熱性和疲勞特性依然是與鋼鐵不在一個級別的,所以為了讓鋁合金在發動機上體現出輕量化優勢,所以廠商們不得不在其他方面相應的增加技術彌補,例如寶馬的鋁合金渦輪增壓器需要額外一套的水冷系統。廠商們口中的“全鋁發動機”并非是所有鋼鐵零部件換成了鋁合金材質,在某些部分鋼鐵材質依然是最佳的選擇,想要提升整車的輕量化水平,或許還更多的解決方案。(文/圖 汽車之家 夏志猛)

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