淺析汽車發動機輕量化材料的應用和展望

范金龍 朱興龍 郝 汀 張立松 吳琳楠

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近幾年汽車企業在節能降耗方面逐漸提高重視度,除研發新能源、油電混合技術之外,輕量化材料的研發同樣是重中之重。發動機作為汽車行駛的動力源,采用相應材料進行發動機的輕量化設計始終是車企的關注重點。在保證汽車發動機質量、性能的前提下,采用輕量化材料來降低發動機制造成本,并達到節能降耗的目的。

1 鋁及鋁合金材料應用及其展望

現階段汽車發動機制造涉及到對大量鋁及鋁合金材料的應用,相較于傳統鋼材的應用,鋁及鋁合金材料的應用取得一定的輕量化成效,并且在耐腐蝕性、導熱性、低密度性等方面,鋁及鋁合金材料的優勢更為顯著。據相關實踐研究表明,發動機制造過程中利用鋁及鋁合金材料替代傳統鋼材,能夠有效降低發動機自重,并且有助于減少汽車尾氣排放。目前鋁及鋁合金材料多用于發動機缸體、進氣歧管等構件,實現發動機重量降低超過30%[1]。同時,發動機壓縮比因鋁及鋁合金材料的耐腐蝕性、導熱性而得到提升,避免發動機功率因熱應力的提高而下降。為外,不同于普通材料的應用,鋁及鋁合金材料能夠回收利用,以此在降低車企制造成本的同時,達到節能環保的目的。

縱觀現階段鋁及鋁合金材料的應用,雖然在輕量化設計方面取得一定成效,但是仍尚存成本過高的問題,并且部分構件仍需涉及到對鑄鐵材料的應用,因不同材料熱膨脹率存在差異,增大出現變形問題的概率,未來需要對此問題加以關注,借助先進技術進行變形問題的控制。

2 鎂及鎂合金材料應用與展望

盡管現階段我國對鎂及鎂合金材料的應用尚未普及,但是該材料有著較大的發展空間與前景[2]。相較于常規材料而言,鎂及鎂合金材料在低密度、強度、減震性能、質量、導電性能等方面優勢顯著,所以此類材料應用,可以在保證發動機質量的前提下,進行散熱性能的優化,并實現對發動機加工精度的優化。當前汽車制造中,鎂及鎂合金多用于對壓鑄件的制造,其比厚度可以達到0.5mm,有助于推動汽車輕量化發展。

近幾年,國外對鎂合金材料的研發以及制造已經取得一定成效,如Mg-AL-Ca等抗蠕變鎂合金材料、MRI1202s等高溫鎂合金材料,并且已經在汽車制造領域進行上述材料的應用。而縱觀近幾年我國對鎂及鎂合金材料的研發與應用,存在產品仿制、自主創新落后、技術發展不成熟等問題,這導致鎂及鎂合金材料的應用受到一定的限制。并且針對鎂材料尚未明確統一的檢測標準,其中材料中存在的有害物質難以做到有效清除[3]。

對此,我國要想實現對鎂及鎂合金材料的有效應用,需重視對自主研發、自主創新加大力度,加大對鎂試驗、材料處理等方面的資金投入,以此實現對鎂及鎂合金材料的加強應用,并達到通過合理應用鎂及鎂合金材料進行發動機輕量化設計的目的。

3 鈦及鈦合金材料應用與展望

作為當代新型結構材料的重要代表,鈦及鈦合金材料有著優勢顯著的性能參數,其材料熔點可達到1660℃,其抗拉強度相較于常規材料表現優異,可以與超高強度剛材料相媲美。并且該材料有著極大的工作溫度范圍,最低工作溫度約為-250℃,最高工作溫度可達550℃。正因此,現階段全世界范圍內,軍事、醫療、航空、汽車等領域均涉及到對鈦及鈦合金材料的應用[4]。

而因成本造價等因素的限制,導致鈦及鈦合金材料在汽車領域中的應用并不廣泛,僅在連桿、彈簧、閥門等個別部件中應用。同時,合理應用鈦及鈦合金材料有助于汽車的輕量化發展,與同樣結構的鋼材料發動機相比,鈦及鈦合金材料的應用可以降低發動機20%的零部件重量,并且因鈦及鈦合金材料的高性能特點,可實現促進汽車發動機性能參數的優化。

縱觀現階段鈦及鈦合金材料的應用,首要解決問題為材料的高成本問題,使得當前汽車發動機輕量化設計中難以做到對鈦及鈦合金的廣泛應用。對此,未來對鈦及鈦合金材料的研發需要以降低成本為主要目標[5]。

4 塑料、陶瓷材料應用與展望

針對機用塑料而言,各車企在不同類型汽車中都涉及到對此材料的應用,相較于常規鋼材料而言,機用塑料的使用可以提升發動機的維護便利性,并在降低發動機總重量的同時,實現對發動機性能的優化。現階段機用塑料在發動機中的應用,具體部位包括進氣歧管、氣門室罩蓋等。

針對陶瓷材料的應用,因其特點優勢明確而得到廣泛應用,例如汽車渦輪增壓器中以往的金屬渦輪可以利用陶瓷材料進行取代,以此在降低重量的同時,實現對渦輪滯后現象的有效避免。相較于鋼材料的應用,陶瓷材料的耐高溫性較強,即系統運行受到高溫的影響較低,達到優化、改善增壓器運行性能的目的。此外,陶瓷材料還可以應用于氣缸套、活塞等部位,可以在降低構件磨損的同時,進行機熱效率、輸出功率的優化。

5 結束語

綜上所述,汽車輕量化的發展與發動機材料的應用存在直接關聯,盡管現階段汽車領域對鎂及鎂合金、鈦及鈦合金等材料的應用相對較少,但是未來汽車輕量化發展必然有鎂材料與鈦材料的一席之地。同時,需繼續加大對鋁材料、機用塑料、陶瓷等材料的研發與應用力度,充分挖掘出現階段輕量化材料應用存在的問題,通過深入研究、研發來實現對材料問題的有效避免,以此實現在發動機強量化設計的同時,促進汽車發動機性能參數的優化。