浅析汽车发动机轻量化材料的应用和展望

范金龙 朱兴龙 郝 汀 张立松 吴琳楠

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近几年汽车企业在节能降耗方面逐渐提高重视度,除研发新能源、油电混合技术之外,轻量化材料的研发同样是重中之重。发动机作为汽车行驶的动力源,采用相应材料进行发动机的轻量化设计始终是车企的关注重点。在保证汽车发动机质量、性能的前提下,采用轻量化材料来降低发动机制造成本,并达到节能降耗的目的。

1 铝及铝合金材料应用及其展望

现阶段汽车发动机制造涉及到对大量铝及铝合金材料的应用,相较于传统钢材的应用,铝及铝合金材料的应用取得一定的轻量化成效,并且在耐腐蚀性、导热性、低密度性等方面,铝及铝合金材料的优势更为显著。据相关实践研究表明,发动机制造过程中利用铝及铝合金材料替代传统钢材,能够有效降低发动机自重,并且有助于减少汽车尾气排放。目前铝及铝合金材料多用于发动机缸体、进气歧管等构件,实现发动机重量降低超过30%[1]。同时,发动机压缩比因铝及铝合金材料的耐腐蚀性、导热性而得到提升,避免发动机功率因热应力的提高而下降。为外,不同于普通材料的应用,铝及铝合金材料能够回收利用,以此在降低车企制造成本的同时,达到节能环保的目的。

纵观现阶段铝及铝合金材料的应用,虽然在轻量化设计方面取得一定成效,但是仍尚存成本过高的问题,并且部分构件仍需涉及到对铸铁材料的应用,因不同材料热膨胀率存在差异,增大出现变形问题的概率,未来需要对此问题加以关注,借助先进技术进行变形问题的控制。

2 镁及镁合金材料应用与展望

尽管现阶段我国对镁及镁合金材料的应用尚未普及,但是该材料有着较大的发展空间与前景[2]。相较于常规材料而言,镁及镁合金材料在低密度、强度、减震性能、质量、导电性能等方面优势显著,所以此类材料应用,可以在保证发动机质量的前提下,进行散热性能的优化,并实现对发动机加工精度的优化。当前汽车制造中,镁及镁合金多用于对压铸件的制造,其比厚度可以达到0.5mm,有助于推动汽车轻量化发展。

近几年,国外对镁合金材料的研发以及制造已经取得一定成效,如Mg-AL-Ca等抗蠕变镁合金材料、MRI1202s等高温镁合金材料,并且已经在汽车制造领域进行上述材料的应用。而纵观近几年我国对镁及镁合金材料的研发与应用,存在产品仿制、自主创新落后、技术发展不成熟等问题,这导致镁及镁合金材料的应用受到一定的限制。并且针对镁材料尚未明确统一的检测标准,其中材料中存在的有害物质难以做到有效清除[3]。

对此,我国要想实现对镁及镁合金材料的有效应用,需重视对自主研发、自主创新加大力度,加大对镁试验、材料处理等方面的资金投入,以此实现对镁及镁合金材料的加强应用,并达到通过合理应用镁及镁合金材料进行发动机轻量化设计的目的。

3 钛及钛合金材料应用与展望

作为当代新型结构材料的重要代表,钛及钛合金材料有着优势显著的性能参数,其材料熔点可达到1660℃,其抗拉强度相较于常规材料表现优异,可以与超高强度刚材料相媲美。并且该材料有着极大的工作温度范围,最低工作温度约为-250℃,最高工作温度可达550℃。正因此,现阶段全世界范围内,军事、医疗、航空、汽车等领域均涉及到对钛及钛合金材料的应用[4]。

而因成本造价等因素的限制,导致钛及钛合金材料在汽车领域中的应用并不广泛,仅在连杆、弹簧、阀门等个别部件中应用。同时,合理应用钛及钛合金材料有助于汽车的轻量化发展,与同样结构的钢材料发动机相比,钛及钛合金材料的应用可以降低发动机20%的零部件重量,并且因钛及钛合金材料的高性能特点,可实现促进汽车发动机性能参数的优化。

纵观现阶段钛及钛合金材料的应用,首要解决问题为材料的高成本问题,使得当前汽车发动机轻量化设计中难以做到对钛及钛合金的广泛应用。对此,未来对钛及钛合金材料的研发需要以降低成本为主要目标[5]。

4 塑料、陶瓷材料应用与展望

针对机用塑料而言,各车企在不同类型汽车中都涉及到对此材料的应用,相较于常规钢材料而言,机用塑料的使用可以提升发动机的维护便利性,并在降低发动机总重量的同时,实现对发动机性能的优化。现阶段机用塑料在发动机中的应用,具体部位包括进气歧管、气门室罩盖等。

针对陶瓷材料的应用,因其特点优势明确而得到广泛应用,例如汽车涡轮增压器中以往的金属涡轮可以利用陶瓷材料进行取代,以此在降低重量的同时,实现对涡轮滞后现象的有效避免。相较于钢材料的应用,陶瓷材料的耐高温性较强,即系统运行受到高温的影响较低,达到优化、改善增压器运行性能的目的。此外,陶瓷材料还可以应用于气缸套、活塞等部位,可以在降低构件磨损的同时,进行机热效率、输出功率的优化。

5 结束语

综上所述,汽车轻量化的发展与发动机材料的应用存在直接关联,尽管现阶段汽车领域对镁及镁合金、钛及钛合金等材料的应用相对较少,但是未来汽车轻量化发展必然有镁材料与钛材料的一席之地。同时,需继续加大对铝材料、机用塑料、陶瓷等材料的研发与应用力度,充分挖掘出现阶段轻量化材料应用存在的问题,通过深入研究、研发来实现对材料问题的有效避免,以此实现在发动机强量化设计的同时,促进汽车发动机性能参数的优化。