先進的汽車發(fā)動機材料和新工藝

www.xinrong189.com 來源：互聯(lián)網(wǎng) 作者：jemmyweng 類別：汽車構造維修時間：2007-05-25

現(xiàn)在，我們在選擇汽車的時候，經(jīng)常會考慮發(fā)動機的材料。我們也經(jīng)常會在許多廠商的推廣宣傳上看到“全鋁發(fā)動機”這個耀眼的字眼。為何廠商要炫耀他的全鋁發(fā)動機，那不是“全鋁”的發(fā)動機材料是什么？全鋁發(fā)動機有什么好處呢？還有哪些新型的材料被用來制造發(fā)動機部件？這篇文章，我們就來一起討論這個話題。

傳統(tǒng)的發(fā)動機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)動機廠商都在尋找更適合的材料制造發(fā)動機的構成部件。

    輕量化材料：首先我們從材料的輕量化來討論新型發(fā)動機材料的優(yōu)勢。

     1、全鋁缸蓋和缸體

     我們?nèi)粘Ｋf的全鋁發(fā)動機是指缸蓋和缸體都是鋁合金制造的發(fā)動機。而缸蓋是鋁合金，缸體是鑄鐵的發(fā)動機，一般我們還是稱作鑄鐵發(fā)動機�，F(xiàn)在，全鋁發(fā)動機已經(jīng)在大量的車型上被采用，在國外，羅孚的k系列發(fā)動機，寶馬的M52直列六缸發(fā)動機，日產(chǎn)的VQ發(fā)動機，捷豹的-AJ－V8發(fā)動機、奔馳的V6和V8發(fā)動機、通用的LS1和北極星V8發(fā)動機、標致的2升四缸發(fā)動機和通用的新型直列四缸發(fā)動機等等都是采用鋁合金制造。國內(nèi)的許多小排量發(fā)動機也逐步采用全鋁發(fā)動機，如國產(chǎn)鈴木系列的發(fā)動機G13、K14等。甚至包括一些國產(chǎn)發(fā)動機也采用鋁合金材質(zhì)了，最著名的就是東安動力開發(fā)的468發(fā)動機，這款發(fā)動機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)動機就開始大規(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為它重量輕，而是因為它有更好的散熱性能。隨著發(fā)動機技術的發(fā)展，四氣閥結構成為發(fā)動機的主流設計趨勢。與一起的兩氣閥發(fā)動機相比，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，氣缸體采用全鋁設計比氣缸蓋要晚得多。氣缸體是發(fā)動機上最重的部分，因而使用鋁合金材料可以減輕發(fā)動機的重量，從而達到減輕整車重量的目的。這一點對于前置前驅(qū)車型來說，顯得尤為可貴，當然在另一方面，由于材料價格和加工工藝的區(qū)別，采用鋁合金缸體的發(fā)動機會增加一些成本。

2、樹脂或鎂作為材料的進氣管

在發(fā)動機的構成上，復雜的進氣管是另外一個很重的部件。特別如今流行的更復雜的可變長度的進氣管，其重量相當可觀。剛開始的時候，人們采用鋁合金來作為進氣管的替代材料，后來許多汽車制造商開始采用具有熱塑性的66號尼龍，或者其他耐熱的可塑性材料制造進氣管。因為這些復合材料的有許多優(yōu)點：價錢便宜、重量輕、內(nèi)臂平滑（從而空氣流動好、氣阻�。虼怂鼘τ谄囍圃焐虂碚f是很理想的進氣管材料。

但是這些復合材料也有讓人很頭痛的缺陷，它很容易產(chǎn)生一些細小的裂紋，這種裂紋導致高速進氣時會在進氣管里產(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，因為要知道，前提是裝配在豪華車上，對于豪華車來說，性能的提高比成本相對來說要更重要。耐熱能力有限也不要緊，因為進氣管的溫度并不高。鎂合金是金屬材質(zhì)的，空氣在鎂合金制造的進氣管內(nèi)流動，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）的材料來制造進氣管，它能獲得更輕的重量，而且進氣噪音與金屬進氣管相當。這些都是很少采用的特例，就不多討論了。

     摩擦力和運動慣性的優(yōu)化：除了輕量化，新型材料在摩擦力和運動慣性方面同樣具有很大的優(yōu)勢。

    1、鋁活塞和鋼制氣缸套

     發(fā)動機的響應性與發(fā)動機部件的運動慣性是分不開的，發(fā)動機的運動部件包括曲軸、活塞、連桿等。由于曲軸要求瞬間強度非常高，所以只能采用高強度鋼來制造。

活塞就沒有曲軸這樣的局限了，在高轉速發(fā)動機上，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)動機轉速，從而能獲得更大的動力輸出。

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)動機運轉的時候，活塞與氣缸壁之間肯定會產(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)動機運轉的時候摩擦阻力就會非常大，這顯然是不可取的，這也就是為何許多發(fā)動機使用鋁合金活塞，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)鑲一個鋼制的氣缸套，讓鋁合金活塞不會與鋁制的氣缸壁相接觸。這種設計可以解決這一矛盾，當然也會增加一些成本。

     這種方法在70年代中期首先被雪佛蘭Vega所采用。它的發(fā)動機采用全鋁設計，在鋁合金的氣缸體內(nèi)鑲上了一個鑄鐵的缸套，當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)動機要小得多，因此它的動力得到了很大程度的提高。不僅如此，這臺發(fā)動機還能獲得更輕的重量和更小的運勁慣性，改善了車子的加速性、操控性和經(jīng)濟性。后來，這種方法被許多配備了高轉速發(fā)動機的汽車所采用。

    還有一個解決辦法，就是采用增強型金屬纖維氣缸套（FRM）。本田在它的NSX 3.2升發(fā)動機上采用了這個技術。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，因而改善了轉速和功率。同時，金屬纖維是直接滲透到氣缸缸體里的，所以它的強度非常大（相當于整個缸體的強度）。

     2、鈦合金連桿

     鈦是一種重量很輕，強度很大的材料，而且價格非常昂貴，一般只在航空領域采用。但是，這種航空材料最終還是被應用在了汽車上，不過僅限于高性能的運動轎車，因為只有這些汽車才會為了提高性能而不計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 、還有保時捷的911 GT3等都采用鈦合金來制造連桿，以提高發(fā)動機的轉速。

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)滲透到金屬粒子當中去，因而改善了零件的強度和耐熱性，最終有利于發(fā)動機的轉速提高和動力輸出。同時，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)。