陶瓷在汽车发动机上的应用.doc

汽车陶瓷发动机材料的应用状况及分析专业：机械设计制造及其自动化班级：机制084学号：3080101433姓名：赵明辉摘要：发动机是汽车的心脏，为汽车的行走提供动力。简单讲发动机就是一个能量转换机构，即将汽油( 汽车发动机柴油)或天然气的热能，通过在密封汽缸内燃烧气体膨胀时，推动活塞作功，转变为机械能，这是发动机最基本原理。发动机所有结构都是为能量转换服务的，发动机伴随着汽车走过了100多年的历史，无论是在设计上、制造上、工艺上还是在性能上、控制上都有很大的提高，现在的汽车发动机不仅注重汽车动力的体现，更加注重能源消耗、尾气排放等与环境保护相关的方面。使得人们在悠闲的享受汽车文化的同时，也能保护环境，节约资源。本文以陶瓷汽车发动机为例简介汽车发动机材料应用的状况。关键词：陶瓷材料 发动机 应用 改进一、汽车发动机的种类及不同特点一台汽车发动机往往具有3个以上的汽缸，对于汽车发动机主要的分类方式是根据汽缸的布局及排列方式来划分。一般有直列、V型、W型以及水平对置等几种。直列发动机(LineEngine)，它的所有汽缸均按同一角度肩并肩排成一个平面，它的优点是缸体和曲轴结构十分简单，而且使用一个汽缸盖，制造成本较低，尺寸紧凑。直列发动机稳定性高，低速扭矩特性好并且燃料消耗也较少，但缺点是功率较低，并且不适合6缸以上的发动机采用。直列发动机在国产车中应用十分广泛，几乎所有中档以下国产车及采用四缸发动机的车型都是直列发动机。经典实例：宝马公司一直是直列发动机的坚决拥护者，宝马的L6(直列六缸)发动机无论在技术含量、缸数上还是在性能表现上都可算是直列发动机的极致。宝马的顶级车型新7系轿车仍然有采用L6发动机的版本。V型发动机，将所有汽缸分成两组，把相邻汽缸以一定夹角布置一起，使两组汽缸形成有一个夹角的平面，从侧面看汽缸呈V字形，故称V型发动机。V型发动机的高度和长度尺寸小，在汽车上布置起来较为方便。尤其是现代汽车比较重视空气动力学，要求汽车迎风面越小越好，也就要求发动机盖越低越好。另外，如果将发动机长度缩短，便能为驾乘舱留出更大的空间。由于汽缸之间已相互错开布置，这便于通过扩大汽缸直径来提高排量和功率并且适合于较高的汽缸数。此外，V型发动机汽缸对向布置，还可抵消一部分振动，使发动机运转更平顺。V型发动机的缺点则是必须使用两个汽缸盖，结构较为复杂、成本较高。另外其宽度加大后，发动机两侧空间较小，不易再安排其它装置。目前国产的中高档车型中，不少采用V型6缸发动机，比如君威，帕萨特及奥迪A6等等。经典实例：欧洲的豪华轿车往往采用8缸以上的V型发动机设计，比如劳斯莱斯的、奔驰顶级的S600轿车等都是V12发动机，而目前V型发动机最高可达到16缸，排量在10升以上。W型发动机，W型发动机是德国大众专属发动机技术。将V型发动机的每侧汽缸再进行小角度的错开(如帕萨特W8的小角度为15度)，就成了W型发动机。或者说W型发动机的汽缸排列形式是由两个小V形组成一个大V形。严格说来W型发动机还应属V型发动机的变种。W型与V型发动机相比可将发动机做得更短一些，曲轴也可短些，这样就能节省发动机所占的空间，同时重量也可轻些，但它的宽度更大，使得发动机室更满。W型发动机最大的问题是发动机由一个整体被分割为两个部分，在运作时必然会引起很大的振动。针对这一问题，大众在W型发动机上设计了两个反向转动的平衡轴，让两个部分的振动在内部相互抵消。经典实例：大众的旗舰车型辉腾以前由于没2缸发动机，而与同级别奔驰S600相比底气不足，而大众全新W12发动机则彻底改变了这一劣势，大众旗下的另两款豪华车：本特利新车GT和奥迪旗舰A8L6.0都将采用W12发动机。水平对置发动机，如果将直列发动机看成夹角为0度的V型发动机，当两排汽缸的夹角扩大为180度，汽缸水平对置排列，就是水平对置发动机了。水平对置发动机的最大优点是重心低。由于它的汽缸为“平放”，因此降低了汽车的重心，同时又能让车头设计得又扁又低。这些因素都能增强汽车的行驶稳定性。此外，水平对置的汽缸布局是一种对称稳定结构，这使得发动机的运转平顺性比V型发动机更好，运行时的功率损耗也是最小。二、陶瓷汽车发动机由于陶瓷材料具有优良的耐热性、耐磨性、隔热性及重量轻优点，故使用陶瓷材料替代金属制备热机部件的技术受到了世界各国的高度重视。目前，发动机的主要零部件，如活塞、气缸盖、气门、排气管、涡轮烟压器、氧传感器及火花塞等都用先进的陶瓷材料来制造，并研制出了无水冷的绝热陶瓷发动机。另外为了防止汽车废气对大气环境的影响，各国都采用了的措施，制订了严格的排放标准，这些都促进了汽车工业用新技术的开发以及新材料的研多，特别是在发动机用先进陶瓷瓷材料方面取大了软大的进展，并在近年来的技术创新中发挥着更重的作用。陶瓷发动机的优越性为： 可以提高发动机的工作温度，从而大大提高效率。例如，目前作为发动机制造材料的镍基耐热合金，工作温度在1000左右。而采用陶瓷材料，则可以将工作温度提高到1300，使发动机效率提高30%左右。 工作温度高，可使燃料燃烧充分，所排废气中的有害成分大为降低，这不仅降低了能源消耗，而且减少了环境污染。 陶瓷的热传导性比金属低，这使发动机的热量不易散发，节省能源。 陶瓷具有较高的高温强度和热传导性，可延长发动机的使用寿命。三、陶瓷汽车发动机中零部件材料性能分析及应用1）活塞顶用陶瓷结构在发动机中，活塞顶的工作环境非常苛刻，处于温度急变与应力急变的状态之中。在载货汽车用的直喷式发动机中，燃烧室位于活塞顶部呈对称涡流型。这种设计因其获得急速对称旋转的气流而使油粒与空气混合充分以达到完全燃烧。通常，燃烧室边缘的温度梯度最大，易产生热裂纹。值得注意的是，传统的活塞顶材料是铝合金，它可能受到450C以上的高温作用。然而，铝合金的耐热性能较差，高温时可能导致活塞环与槽沟胶结。为此，活塞顶的内表面配置了复杂的油冷系统。现在，带有陶瓷顶的复合活塞是一种有效的解决方式。在这种设计中，陶瓷顶在活塞溶铸时嵌人或由螺钉固定在其裙套上。由于陶瓷材料的耐高温性和隔热性，就在顶部形成一层保护层，而且可使局部温度升高，更利于汽油的混合与燃烧。法国Ranalt公司和意大利flat公司已分别设计出装配有钦酸铝活塞顶和Si3N4活塞顶的复合活塞。并分别进行了台架耐久考核和装车道路试验。他们用有限元法通过复杂的电脑计算对活塞顶的温度分布和收缩进行了研究，结果表明，陶瓷件性能良好，且发动机的效率有所提高。近年来，氮化硅材料在工程中的应用日益广泛。由于它具有好的高温力学性能以及抗热震、抗氧化、耐磨损性能，因此是一种较理想的陶瓷发动机活塞顶材料。2 ）氧化锆陶瓷氧传感器汽车尾气中所含污染性气体是危害大气环境的主要因素之一。随着人均轿车比例的增加，这一问题显得日益突出。通常，解决此问题有两种方式:其一是设计出燃烧更趋完全的发动机;此外就是对燃烧后的气体进行处理。当然，两种方式的结合最为有效。现在，在尾气排放管道中安装了氧传感器，并使之与三元催化转化器配合使用，收到了良好的效果，因而在美国、日本和欧洲的无铅汽车上得到了广泛的应用。为了得到合适的燃烧条件而使汽车排出的废气中尽可能少地含有害成份，就必须根据发动机的输出条件而不断地调节“空气燃油”混合气的比例。富油混合器(氧气不足而油过量)可导致一氧化碳和碳氢化合物的增加，而贫油混合气却可能增加氧化氮(NO2)的含量。氧传感器的主要作用就是实时测出尾气中的氧含量，并将此信息转化成电信号输出给电子控制燃油系统。Lamhda传感器。主要由氧化钻陶瓷内芯和内外两个电极组成，300时这种材料是氧离子的导体。使用时将其拧入排气管内，活性的ZrO2陶瓷管的外表面伸入到废气流中，而其内表面与外部的空气接触。当废气中残余的氧与外界空气的氧浓度比例关系变化时ZrO2陶瓷管上产生的电压也发生变化。该电压经电子控制元件处理变成可控制燃油喷射系统或化油器系统的空气燃油混合气感应调节信号，使废气的成分总保持在用催化转化器处理后的容许的水平土。这种传感器自生产以来便在美国、日本、欧洲厂泛地应用于汽车的排放控制系统上，取得了良好的效果。3 ）发动机用的陶瓷气门进、排气门是发动机的重要部件之一，它的工作条件非常严酷，既要承受高频的机械打击，又要承受缸内高温和排出废气的加热和氧化侵蚀。采用高温结构陶瓷材料制成的气门不仅可以避免高热负荷下气门的烧损问题，而且由于气门是配气机构的主要运动件，其质量相对较小而对配气机构的惯性载荷及弹性振动特性有很好的影响:密度小的陶瓷气门可使配气机构正常工作的转速上限提高或可使在不提高转速下采用加速度更大的凸轮型线，使气门口当量通路面积增大，从而提高发动机的充气系数和功率。此外，还可以在不改变转速和凸轮型线的条件下改用较弱的气门弹簧，使作用于配气机构中的惯性力和弹簧力载荷降低，以减少配气机构的机械损失和降低磨损速率。由此可见，陶瓷气门是使用价值较高的发动机陶瓷件之一。4 ）陶瓷电热塞电热塞是使发动机低温下快速启动的一种元件，一般安装在间接注油柴油机上。传统的金属电热塞存在使用寿命短、起动时间长、质量差等缺点。陶瓷电热塞是80年代初发展兴起的新产品。它能按设计要求，在额定电压下，在不到16秒内加热到电热塞所需的温度(850C)左右)。如果配上快速启动装置，能在2s3s内升到额定温度，这就使柴油机的起动性能接近汽油机的水平。陶瓷电热塞的结构得到改进，大大改着了柴油机的冷启动性能，即使在零下36也能顺利启动。由于其耐腐蚀性能的改善，使用寿命显著提高，因而具有广阔的应用前景。陶瓷发热体是该电热塞的核心部分，发热体的绝缘保护材料一般为镍合金。它在正常的使用条件下(1050)会发生腐蚀问题。而采用热压工艺制得的Si3N4绝热保护材料不但具有优良的室温、高温强度和优良的抗氧化抗热冲击性能，而且能长期承受燃烧柴油气体的腐蚀，能满足电热塞使用的工况要求，代替镍合金作为淘瓷电热塞发热体的绝缘保护材料，使用效果良好。5 ）涡轮增压器陶瓷材料涡轮增压器是通过动力涡轮对高温排气热能回收使之转化为机械能的发动机组合元件。为了耐受高温尾气的冲击，涡轮通常由一种叫“尼孟镍克”(铬、镍耐热合金)的特殊介金材料制成的。而现在的陶瓷材料不仅有较高的抗热应力性能，而且可以减轻零件的重量，这在涡轮增压器上意味着有更快的响应特性和更高的效率。德国大众汽车公司已开发出带SiC转子的涡轮增压器，并将装有这种新型陶瓷增压器的气车进行了60小时连续运转试验。测试时，增压界的最高转速为110000r/min，此时涡轮机温度可达1200，在加速测试时，该涡轮的响应比金属涡轮快20%左右。6）陶瓷复合排气管目前，世界上一些发达国家广泛应用高温工程陶瓷材料制造绝热机和无冷机的零部件。而采用陶瓷部件制造的绝热机和无冷机的排气温度较高，为了提高排气管能量的回收率，减少排气管表面的热损失，用陶瓷与金属复合的办法制造复合排气管是一种较好的解决方法。目前，一般采用具有耐高温、抗热冲击、隔热性能较好的铁酸铝陶瓷材料与铸铝复合。制备时，考虑到复合排气管在工作条件下需受高温作用，而金属铸铝与钦酸铝陶瓷之间的膨胀系数又有较大的差异，故在陶瓷芯与铸铝之间设计一中间过渡层。工作时，复合排气管内的温度虽高，但经过钦酸铝陶瓷良好的隔热作用，铝合金实际承受温度并不太高当管内温度为750时，金属外壁温度均低于270，不需要用高温铝合金材料。用这种复合排气管在汽车发动机最大工况下连续考核后确实取得了良好的实用效果。7 ）陶瓷纤维在发动机零件上的应用在发动机连结件中，陶瓷纤维对其强度提高方面有越来越广泛的应用。有种名为“FP”的A1203纤维，主要是用来增强汽车发动机的超轻连杆。这项新技术将为陶瓷纤维在发动机零部件的应用开拓出广阔的前景。这种陶瓷纤维的氧化铝含量为99%，主要有以下优点:高硬度 ;优良的抗热应力性能;高抗拉强度;重量轻 。与传统的钢质连杆相比，这种由Al2O3纤维增强的铝质连杆在具有相同尺寸参数的情况，重量减轻约35%，这可减小连杆活塞系统的惯性，从而降低由此造成的机械能损失。由30%35%的“FP”纤维增强的铝质和镁质材料，其硬度和抗疲劳性能分别提高到原来的4倍和5倍。目前，这种铝质增强杆已经在丰田车上得到了使用。8 ）陶瓷材料在发动机其它部件的应用目前，正在生产和测试的陶瓷发动机部件还有钦酸铝质气缸盖,Si3N4陶瓷预热室、PSZ气缸套、陶瓷气门座及Si3N4陶瓷轴承等。另外，在发动机活动件上采用等离子喷涂方法涂覆陶瓷材料对于减小活动件的磨擦，延长零件的使用寿命效果十分显著。无水冷绝热陶瓷发动机利用了陶瓷材料的耐高温、强度高、隔热性好的特点，并采用陶瓷或陶瓷涂层对燃烧室零部件隔热，从而大大减少了由气缸盖、气缸套传出的热量，去除了气缸套、气缸盖中的冷却水，进而取消了发动机独立的冷却水系统。与传统的发动机相比，具有以下优点:【9】由燃烧室温度升高，燃烧条件改善，故可燃用多种料;取消冷却水系统，减少了冷却水带走的热量，使发动机热效率得到了提高;使发动机结构简化，减少了发动机出现的故障率;使发动机能适应高寒、沙漠、缺水等环境及特种场合的需要此外，此发动机还可以配装涡轮增压器来回收利用排气带走的热量，从而进一步提高发动机的热效率。无水冷绝热陶瓷发动机虽已试车成功，但要在实际中推广使用，还有许多问题要解决。例如，提高陶瓷零部件的可靠性，降低成本以改善其经济性等。随着陶瓷零部件设计开发的不断进展，可以预见，陶瓷发动机成为产品是完全有希望的。四、结束语目前，结构陶瓷不仅在汽车发动机上的应用取得了很大的成功，而且像载体用陶瓷、敏感陶瓷在汽车发动机上也获得了使用，特别是陶瓷传感器，它可应用于汽车发动机的控制系统、电子传动系统、仪器仪表以及其它辅助机构。它们的使用在汽车运行的安全、节