簡單介紹汽車發(fā)動機(jī)制造的先進(jìn)材料

現(xiàn)在人們在選擇汽車的時候，經(jīng)常會考慮發(fā)動機(jī)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(jī)”這個耀眼的字眼。為何廠商要炫耀他的全鋁發(fā)動機(jī)，那不是“全鋁”的發(fā)動機(jī)材料是什么？全鋁發(fā)動機(jī)有什么好處呢？還有哪些新型的材料被用來制造發(fā)動機(jī)部件？這篇文章，我們就來一起討論這個話題。

全鋁缸蓋和缸體

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

我們?nèi)粘Ｋf的全鋁發(fā)動機(jī)是指缸蓋和缸體都是鋁合金制造的發(fā)動機(jī)。而缸蓋是鋁合金，缸體是鑄鐵的發(fā)動機(jī)，一般我們還是稱作鑄鐵發(fā)動機(jī)?，F(xiàn)在，全鋁發(fā)動機(jī)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(jī)、寶馬的M52直列六缸發(fā)動機(jī)、日產(chǎn)的VQ發(fā)動機(jī)、奔馳的V6和V8發(fā)動機(jī)以及標(biāo)致的2升四缸發(fā)動機(jī)和通用的新型直列四缸發(fā)動機(jī)等等都是采用鋁合金制造。國內(nèi)的許多小排量發(fā)動機(jī)也開始逐步采用全鋁發(fā)動機(jī)，如國產(chǎn)鈴木系列的發(fā)動機(jī)G13、K14等。



其實，很早以前的汽車發(fā)動機(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為它重量輕，而是因為它有更好的散熱性能。隨著發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展，四氣閥結(jié)構(gòu)成為發(fā)動機(jī)的主流設(shè)計趨勢。與一起的兩氣閥發(fā)動機(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，缸體采用全鋁設(shè)計比氣缸蓋要晚得多。缸體是發(fā)動機(jī)上最重的部分，因而使用鋁合金材料可以減輕發(fā)動機(jī)的重量，從而達(dá)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(dāng)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(jī)會增加一些成本。

樹脂或鎂作為材料的進(jìn)氣管

在發(fā)動機(jī)的構(gòu)成上，復(fù)雜的進(jìn)氣管是另外一個很重的部件。特別如今流行的更復(fù)雜的可變長度的進(jìn)氣管，其重量相當(dāng)可觀。剛開始的時候，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號尼龍，或者其他耐熱的可塑性材料制造進(jìn)氣管。因為這些復(fù)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(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)氣時會在進(jìn)氣管里產(chǎn)生噪音，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(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，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。

鋁活塞和鋼制氣缸套

發(fā)動機(jī)的響應(yīng)性與發(fā)動機(jī)部件的運(yùn)動慣性是分不開的，發(fā)動機(jī)的運(yùn)動部件包括曲軸、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)動機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)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(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。

鈦合金連桿



鈦是一種重量很輕，強(qiáng)度很大的材料，而且價格非常昂貴，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F355/360M/550M、還有保時捷的911GT3等都采用鈦合金來制造連桿，以提高發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速。

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TypeR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(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)動機(jī)的轉(zhuǎn)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)。