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[发动机] 未来发动机的材料

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发表于 2015-11-10 15:28:19 | 显示全部楼层 |阅读模式
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碳纤维、工程塑料、陶瓷和一些合成出来的全新合金材料,都是如今依旧老当益壮的汽油发动机在将来可能会使用的新材料。汽油发动机已经迎来其120周年的生日,许多轻质材料和轻量化技术都已经用在它身上,相信未来还会有更多的先进材料用于发动机的制造。
        在从内燃机诞生至今的120多年里,日趋严格的燃油经济性和CO2排放量的法规迫使全球的汽车制造商在动力总成技术方面加大投资和研发力度,希望能开发出符合法律规定的发动机以替代老式的内燃机。
        然而,传统意义的内燃机技术在未来还有20年内很难替代。整车生产厂商正在寻找创新的方法以使得小型化设计后的发动机保持强劲动力,同时尽可能减少污染排放和能源消耗。
        新材料与旧材料的竞争
        但是材料的革新究竟有多彻底?是否只有关键零部件使用了新材料?或是在未来的某一天,我们能够看到家用汽车的整个发动机所使用的金属材料都被替换成了例如工程塑料、陶瓷甚至是碳纤维材料?
        美国辉门公司动力总成和能源事业部技术创新副总裁Gian Maria Olivetti先生认为,钢、铸铁和铝仍将继续占有重要地位:“在未来20年,我们不会看到内燃机材料的重大革新,这主要是因为使用塑料或碳纤维材料制造发动机部件存在许多技术壁垒和成本压力。”
        “提升发动机燃油经济性和削减排放的重要手段是提高发动机的效率,”Gian Maria Olivetti先生继续说到,“发动机小型化、降低转速和涡轮增压都意味着燃烧室附近材料的机械强度和热特性变得更加重要。新材料不可能同钢、铸铁和铝这些材料具有同样的机械特性。”
        尽管发表了上述言论,但是Gian Maria Olivetti先生也承认,未来发动机也可能会使用更多的塑料,用在例如气缸盖、气门室盖和进气歧管等组件中。
        索尔维工程塑料全球汽车市场总监Peter Browning先生陈述到:“如果你仔细看一看现在的发动机,例如气门室盖、油底壳、进气歧管、涡轮增压系统的气体管道、冷却系统散热器和涡轮增压系统的中冷器,你真的可以把许多塑料部件应用于发动机中。目前,绝大多数油底壳仍然使用金属材料,我们期望10年之内把所有的油底壳都换成塑料制品,包括涡轮增压系统的气体管道(见图1)。成熟的塑料制造技术将为一些发动机部件提供替代材料。金属气门室盖仍然存在,但是它们已经有些不合时宜。所以,我认为虽然发动机缸体的中央核心部分很可能会仍然使用金属材料,但是塑料将会在发动机顶部、两侧和底部大量应用。”
       

未来发动机的材料

未来发动机的材料

        图1  索尔维集团设计的塑料涡轮增压系统气体管道由Technyl B2材料(聚酰胺6.6吹塑成形材料)制成,它可以耐210℃高温

        Peter Browning先生将标致208车上的塑料发动机支架看作未来内燃机设计的风向标,与压铸铝材料相比,它能够节省15%的成本,降低40%的重量。他还表示,使用了强制进气系统的小型化发动机对于他们来说是很有价值的,因为在更加紧凑的发动机布局中,塑料更容易开模制造。 “不仅如此,聚酰胺材料的工作温度高达220℃,而盐酸苯丙醇胺材料则可达到230~240℃,这几乎涵盖了涡轮增压条件下所有部件的工作温度范围。”Peter Browning先生补充说。
        传统材料何去何从?
        然而,尽管塑料零部件可能存在成本优势,但是生产塑料制品的原材料成本的不断上涨还是给传统材料(比如钢材)在未来的应用留有很大的生存空间。“相对于其他许多竞争材料,钢铁一直都拥有一些显著优势。” 塔塔钢铁集团的冶金工程师Peter Lord先生说到,“优势在于成本。钢铁已经被大规模生产了很久,具有非常好的规模成本优势,而其他很多新材料、新技术目前还难以与之媲美(见图2)。
        钢铁的可回收性是另一个关键优势,因为我们能把废料回炉,然后生产出全新的钢铁。我不知道碳纤维和工程塑料能否这样自由地被回收再利用。汽车的某些特定部件,例如承受载荷和应力集中的部件,将永远由钢制成。铝材可能和钢材一样容易获得,但是从成本的角度来看优势并不是太大,未来也不会发生根本性的变化。”
        然而,由于强制进气系统和发动机温度的升高,Peter Lord先生还预见了热效率较高的陶瓷轴承在未来将具有不错的竞争力。同样,康明斯涡轮增压技术公司材料工程经理Donna Skeldon女士认为从密度、对于工装几何形状的适应性和刀具成本的角度来看,镁基合金可能更具吸引力。不过,她也指出铝合金具有良好的强度:“对于发动机所使用材料,其重量比、成本优势还有可回收性都是重要的考虑因素,但复合材料似乎不太容易回收,而合金材料则不然。”
       

未来发动机的材料

未来发动机的材料

        图2  钢铁的生产规模使其依旧是发动机制造不可或缺的材料

        金属材料还没有走到被彻底淘汰的地步。恰恰相反,最近一项对重型货车的研究表明,如果想要开发壁更薄、更短的活塞,钢材比铝材更有价值。因为它们的重量相差无几,而钢制活塞却能够承受更大的负荷。然而辉门公司最近的研发却针对着另一个方向,他们研制出了全新的Elastothermic轻量化高强度铝合金活塞,辉门公司声称这种活塞可以提高涡轮增压直喷汽油发动机的功率密度和效率。同时,据报道,为重型货车和高档柴油发动机制造超强蠕墨铸铁的欣特卡斯特公司2013年还宣布了为汽油发动机提供缸体的第一份大批量订单。
        再发明
        20年后,一台典型的主流汽油发动机将会是什么样的呢?有可能与当今市场上的产品相差无几。然而,更多非传统的开发正在酝酿当中。
        在2011年,研究人员在美国密歇根州立大学制作了一个汽油动力原型机,它无需曲轴、活塞、阀门、高压燃料喷射系统、冷却系统和冷却液。这台原型机名为“波盘式发电机”,它的发明者说,与传统的内燃机相比,它可以大大提高油电混合动力汽车的效率,并且有能力降低90%的排放。这种波盘式发电机配有一个转子和波浪状的通道。当转子旋转时,通道“捕获”可燃混合气,中央进气口被隔断,在燃烧室中提升压力引发激波,点燃压缩的可燃混合气,并传输电能。据说这个创新性的发明可以达到60%的机械效率(普通车用内燃机的机械效率仅约15%),使得波盘式发电机相对普通内燃机具有3.5倍的节能潜力。
        神奇的塑料
        将整个内燃机全部用塑料制成的想法并不让人意外,它的起源可以追溯到近30年前。比较知名的一台塑料发动机是以考斯沃斯BDA为原型,质量为76.2kg,为同型金属发动机的一半。塑料制成的部件包括发动机缸体、气门室盖、进气管口、进气门推杆、活塞裙、活塞销、连杆、刮油活塞环、气门挺柱与气门弹簧座等。这台塑料考斯沃斯发动机参加了两个赛季的比赛。它搭载于T616 HU04赛车,分别在1984年和1985年参加了国际汽车运动联合会(FIA)举办的Camel GT锦标赛C2组别比赛。
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