铝还是铸铁发动机材料的十字路口高度计
时间：2022/10/19 03:19:54 编辑：
铝还是铸铁--发动机材料的十字路口
铝还是铸铁--发动机材料的十字路口 2011： 在几年前，铝合金材料的发动机缸体就使得铸铁生产厂陷入了窘境，然而现在又有了新的变化：发动机的小型化和与此有关的高性能发动机则要求缸体采用更加硬朗的材料。在本年度VDI德国工程师协会举办的“发动机制造中的铸造技术”活动中，发动机小型化进程中的问题逐渐显露出来：不断提高的发动机比功率明显加重了发动机材料的负荷。在这方面的一个典型例子就是：奥迪公司与Brühl钢铁厂共同研发生产的奥迪TT RS轿车使用的5缸汽油机缸体。该款车型曾在今年的日内瓦车展上正式亮相。这一款5缸轿车的基础是销售到美国市场的、在墨西哥Puebla市生产的大众Jetta轿车。该款轿车的发动机排量为2.5L，功率为125kW；而在它基础上进一步研发的RS发动机有着相同的排量，而功率却提高到了250kW，由于采用了高增压比的增压技术，因此其输出扭矩达到了450Nm。安装在这款轿车中的发动机长度尺寸只有494mm，打破了所有同类型发动机的记录。之所以能够做的如此之小，是因为奥迪公司用了GJV蠕墨铸铁铸造了这台5缸发动机的缸体。这种高强度的铸铁材料是奥迪公司使用的传统材料，早在第一台V6 TDI发动机中，奥迪公司就使用了这种材料，福特和欧宝公司也都把他们的一些发动机缸体改用可这种蠕墨铸铁。不仅是基本型发动机，而且行程为92.8mm和缸径82.5mm的RS加长行程的变型发动机也都采用了这种材料。发动机的缸心距为88mm（净尺寸），含主轴承盖在内的成品缸体重量为46.6kg。发动机后端曲轴的两级链传动机构驱动着两根上置式的凸轮轴。第一级链传动机构把动力传递到高度大约为缸体、缸盖接触面的高度，第二级链传动机构接着把动力经离合器传递到凸轮轴。在奥迪公司推出5缸发动机的几年前，大众公司也推出了1.4L的一级增压和二级增压的铸铁缸体汽油机。为大众公司提供铸铁缸体的供应商就是为梅赛德斯－奔驰公司4缸柴油机提供铸铁缸体的Halberg Guss公司。梅赛德斯－奔驰公司的4缸柴油机变型型式也采用了两级增压技术。由于柴油机的转速低、扭矩高以及高达20MPa的爆发压力的工作环境非常恶劣，因此，设计师们考虑：是否轿车的柴油机也可以像商务车的柴油机那样采用铸铁缸体。
图1 发动机的最大功率曲线几乎是线性地覆盖了整个转速范围
德国Honsel工程技术公司认为，尽管铝合金缸体已经在取代铸铁缸体方面取得了丰硕的成果，但仍然有很大的潜力可以挖掘。Honsel公司是铝合金技术的专家，其代表产品中就包含大众公司4气门的TDI发动机缸体。这种TDI发动机缸体与宝马公司和梅赛德斯－奔驰公司的缸体不同，它的气门是平行地安装在缸盖之上的，因此缸盖水腔的壁厚可以铸造得非常薄。在柴油机中，对气门座圈的焊接提出了很高的要求。一旦气门座圈出现裂纹，则会导致发动机损坏。若能把铸铁晶格转换为像气门座圈那样的细颗粒晶格，转换到与铝合金晶格相类似的大小，则会显著提高其强度。为此，Honsel公司研发了一种新型的搅动摩擦焊接技术。经搅动摩擦焊之后，钢质锥面座圈能够承受1000～3000r/min的高速旋转，用很大的力压紧铸铝的缸体，因此有着非常细致的、密实的高强度区域，即使在温度升高后其机械性能也保持不变。搅动摩擦焊接后的气门座圈是不可拆卸的，从而保证了气门座圈有着很高的寿命，即使是在发动机极端负载的情况下也是如此。
图2 利用搅动摩擦焊接技术能够明显地提高焊接件的刚性，比如可用于气门阀座的焊接
目前，Honsel公司与发动机生产厂家们在进一步研究这一技术方案。在将这一技术投入大批量生产使用之前，合作双方还有一些问题需要解决。但是，通往成功的道路已经不远了：若Honsel公司的这一新型极端摩擦焊技术能够得到完善和提高，则铝合金缸盖还会继续出现在柴油机之中——即使是柴油机的爆发压力和温度继续提高。位于德国Meinerzhagen市的Fuchs公司也研发了一种类似的工艺技术——在圆形的铝制缸盖上通过滚压提高铝合金材料的强度。他们已为保时捷公司生产出薄壁的高强度缸盖。采用这一焊接技术生产的直径15、宽度为6的滚压环的重量只有4.9kg，比钢质或者铝合金铸造的重量明显要轻很多。这一实例告诉人们：铝合金材料像以前一样是一种很有前途的材料，只是其使用目的从目前的铸造缸体转向了铝合金车架。据Honsel公司介绍，这种新型的搅动摩擦焊以及由它延伸出来的焊接工艺技术将能够极大地方便车架的生产制造。(end)