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[铝合金] 铝制发动机是否比铁制的更优?如果更优,为什么欧美汽车制造商不更多的使用铝制发动机、只是材料成本的问题么?

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发表于 2019-9-3 21:34:58 | 显示全部楼层 |阅读模式
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铝制发动机是否比铁制的更优?如果更优,为什么欧美汽车制造商不更多的使用铝制发动机、只是材料成本的问题么?

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正常欣赏  发表于 2019-12-6 08:28
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正常欣赏  发表于 2019-12-2 17:19
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发表于 2019-9-3 21:35:33 | 显示全部楼层
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首先铝制发动机得看怎么定义:
究竟是缸体、缸盖全部是铝制,还是部分采用铝制就是铝制发动机?
这也是目前很多厂家偷换概念的地方,我们一般认为缸体与缸盖全部采用铝合金材料的发动机为全铝发动机
这样仅仅采用铝合金缸盖,而使用铸铁缸体的依然是铸铁发动机。比如大众EA111 1.4T发动机,就是铸铁缸体,铝合金缸盖。

铝制发动机的优点很明显:质量轻、散热快、制造更环保。
但是缺点也很明显:体积大、成本高、工艺复杂、耐用度不好。

由于小排量涡轮增压是如今发动机的趋势,而采用铝制缸体工艺非常复杂,强度不够,所以一般经济型车更多采用了铸铁的缸体。
但是薄壁缸体等技术的运用使这些铸铁发动机一点也不会笨重,反而更加小巧。比如福特的1.0T涡轮增压三缸发动机,只有一张A4纸这么大。

而高档车为了追求性能,在更高工艺的保证下,则会采用全铝的发动机,比如宝马知名的N20 2.0T涡轮增压四缸发动机,全部采用镁铝合金。

当然,一些不太追求的性能的家用车发动机也会采用全铝制作,比如自主品牌长城的1.5T涡轮增压发动机,为了追求更轻的重量,就是全铝合金制作的。

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谢谢分享  发表于 2019-12-9 13:49
正常欣赏  发表于 2019-11-30 12:17
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正常欣赏  发表于 2019-11-29 15:10
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发表于 2019-9-3 21:36:02 | 显示全部楼层
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相对于铸铁,铝的缺点和优点都非常明显,使得这两种发动机缸体材料适用范围其实不一样。
一、两种材料的优缺点。
1、铸铁的优缺点。
铸铁热膨胀系数低,铸铁缸体易加工,强度高,耐磨,铸铁甚至还有一定的自润滑特性。除了温度传导系数和重量,铸铁几乎没有缺点。但是铁再差也是金属,对内燃机的需要而言,铁与铝差的那点温度传导系数完全可以用更精密的水路换回来,毕竟铝这玩意儿因为强度和热膨胀系数的关系做复杂水路有点难(后面慢慢分析)。
所以铸铁真正无法克服的,只有重量这一个问题,但是这个问题,只在大缸体上存在(注意排量大不等于缸体大,这两件事有关系,但终归不是一回事)
2、铸铝的优缺点。
铝最大的优点:轻。网上盛传的散热优势其实对一般的全铝发动机不存在,只有采用铁离子涂层(有的也叫等离子涂层,一个东西两个称呼)的全铝发动机缸体散热才是真的牛逼。原因在后面有分析。
铝最大的问题是膨胀系数和加工难度,而且这俩缺点还狼狈为奸——加工难度高导致对膨胀系数的容忍度更低(因为膨胀系数越高,零部件加热后变形越大),而为了解决膨胀系数和成本的问题,导致其必须使用较为简单的管路设计:为降低缸体与缸套间隙因温度变化受到的影响,水路、油路都不能太复杂以尽量减少受热引起的不规则变形。因此开放式水路是这种发动机缸体的最佳选择,这也是为啥宝马B48那种加了涂层没用缸套的缸体用的反而是封闭式水道。
铝制缸体为什么加工难度高?这是因为铝制缸体中汽缸壁必然不是铝材,原因是铝不耐磨而且摩擦系数大,所以需要在铝制缸体上,为汽缸壁,替换一部分材料。而铸铁缸体一般是不需要这一步的(赛用那种玩意儿铸铁也得上套,但是民用一般用不着)。
全铝缸体一般采用的铁制缸套,因为需要镗缸下套,导致这玩意儿成本很高。部分车子会采用铁离子涂层,但是那玩意儿相对于铁制缸套耐磨性还是差了很多:正常使用时,采用铁离子涂层的宝马N20 B48缸体在质保期内一定会出现汽缸涂层磨损不均匀的问题。其耐用性差导致应用范围很窄,关键成本也高。
3、两者的对比分析。
单从铸造的角度来讲,铸铁和铸铝差别不大,铝制缸体成本高的原因在于缸套和涂层——但这种东西对铸铁不是必须的,所以才会说铸铁缸体易加工而不是铸铁易加工,注意区别。
一般的全铝发动机其实都会使用铁制缸套,即使是赛车,大多也是塞个锻造的塞用套。也就是说对于这种全铝发动机,冷却水最终面对的还是铁,因此散热与铸铁发动机相比没有本质区别。
但是这也扯出了另一个铁离子涂层的优势「采用铁离子涂层汽缸壁的缸体,其铝制缸筒直接浸泡在冷却液里,同时不存在铁质缸套的阻隔,工质温度控制是真的牛逼」,然而不耐用。到底有多么不耐用呢?用了一段时间的N20 B48的缸体测量汽缸内径时可以测出处处都不一样,跟葫芦串似的。
然后是膨胀系数的问题。对于加了缸套的全铝缸体,缸套和缸体的间隙因温度的变化而变化较大。而对于铁离子涂层的全铝缸体,虽然不存在缸套和缸体的间隙问题,但是活塞和汽缸壁之间的间隙也会因为温度变化而发生较大变化。为保证发动机常用工况的良好性能,一般原厂都会牺牲冷车状态的性能,具体表现就是冷车噪音大(全铝发动机通病),后果就是冷车状态对发动机伤害更大,冷车状态发动机工况更差,发动机性能衰减更快(动力降低油耗增加)。
铁因为强度高膨胀系数低的关系,单位截面上水路的形状设计可以更加激进而不至于强度不足或受热影响变形太大。所以加缸套的全铝发动机和铸铁发动机在热量管理上其实半斤八两,真正牛逼的是铁离子涂层全铝缸体,然而那玩意儿不耐用。
缸体易加工不仅关系成本,还关系性能:铝制发动机缸体为了缩减镗缸工时,提高良品率,降低缸体与缸套间隙因温度变化受到的影响,一般会采用开放式水道。但是铸铁四缸缸体几乎全部都是封闭式水道,因为对四缸以内缸体的铸造来说,两者的成本几乎没区别。有些人会提粘砂什么的,但是拜托去知网查查,这种东西是可以解决的,一汽大众当初还因为解决了EA211缸体铸造粘砂那事儿发了篇论文。对铸铁缸体而言,除了一些缸体结构特别复杂的,一般四缸发动机缸体在试生产中,采用封闭式水道缸体良品率可能会低一些,但在正式的大规模生产中,两种水道对良品率影响不大。
二、两者适用场景的分析。
好,缸体材料的优劣分析完了,开始说结论:省油取向的混动发动机适合用铸铁,小缸体发动机适合用铸铁,寒冷地区适合用铸铁。
省油取向的混动用铸铁是因为很多情况下混动燃油机其实不工作,这种时候水温会受一定影响,所以需要膨胀系数低冷车状态工况更好的铸铁发动机(本田IMMD为代表)。
小缸体的重量本身就不大,用全铝节约重量的意义不大,反而这时铸铁热膨胀系数低、自润滑、易加工的优势突出:封闭式水道的缸体强度极佳,冷车工况更好,从而使发动机性能衰减缓慢(大众EA211、EA888、奇瑞E4T系列为代表)。
寒冷地区适合用铸铁就不用解释了吧?这种段子太多了,比如「全小区的人都知道XX要去上班了」。
大缸体高性能同时对重量有严格要求的发动机适合用全铝带缸套。铁离子涂层全铝我也不知道适用于什么场景。赛用吧强度不足,民用吧耐用不够。把缸体也作为消耗部件吧,那么这种发动机效率是相当牛逼,可效率再高多少年才能省回来一个缸体?所以个人认为铁离子涂层全铝缸体实在太鸡肋。
至于为啥现在兴起小排量全铝发动机,全球技术通用,节约研发资金,模块化压缩成本呗,你真当资本家会开善堂?他们要给豪车造大缸体高性能轻量化全铝发动机,然后再把这种发动机刀一刀,活塞连杆气门什么的通用,搞出一个小排量的喂消费者吃屎——他们是舍不得特意为工薪阶层研发适合他们的发动机,又想割韭菜。
多数消费者也被厂家忽悠瘸了,你真问他小排量全铝好在哪,就会扯一些玄而又玄的「轻量化」「散热好」「行业趋势」。你真问他轻了多少,散热好了多少,为什么是行业趋势,他就会喷你不懂车,精神胜利法溜得飞起,笑。
顺便提一下,奇瑞E4T系列的热量管理是真的骚,80℃的水温啧啧啧。
最近日产小排量1.6也开始用等离子涂层的全铝缸体了,他的表现会不会比宝马更好呢?我们拭目以待吧。

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谢谢分享  发表于 2019-12-9 13:49
好东西  发表于 2019-11-28 18:14
好东西  发表于 2019-11-28 18:14
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好东西  发表于 2019-11-22 20:16
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发表于 2019-9-3 21:36:22 | 显示全部楼层
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福特的ecoboost发动机用的不就是铸铝吗?
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发表于 2019-9-3 21:36:28 | 显示全部楼层
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除了大众,大多数汽车发动机都是铝制的,包括奔驰宝马别克福特欧美系主流
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发表于 2019-9-12 15:27:16 | 显示全部楼层
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铸铁的优缺点。
铸铁热膨胀系数低,铸铁缸体易加工,强度高,耐磨,铸铁甚至还有一定的自润滑特性。除了温度传导系数和重量,铸铁几乎没有缺点。但是铁再差也是金属,对内燃机的需要而言,铁与铝差的那点温度传导系数完全可以用更精密的水路换回来,毕竟铝这玩意儿因为强度和热膨胀系数的关系做复杂水路有点难(后面慢慢分析)。
所以铸铁真正无法克服的,只有重量这一个问题,但是这个问题,只在大缸体上存在(注意排量大不等于缸体大,这两件事有关系,但终归不是一回事)
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发表于 2019-9-12 23:16:16 铸造论坛手机版 | 显示全部楼层
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铝制好,还是铝质好?
我看,铝质发动机似乎更好,意思为铸铝材质的发动机,简称铝质发动机。
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发表于 2019-12-8 20:36:06 铸造论坛手机版 | 显示全部楼层
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其实,各有千秋,各有特长!
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