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陶瓷材料可使未来发动机热效率高达70%


来源:中国粉体网   寂静

[导读]  目前,常规燃油发动机效率的提升已经遇到了瓶颈。特别是油耗问题,排放法规越来越苛刻,找到瓶颈突破口迫在眉睫,而陶瓷发动机是一个方向。

中国粉体网讯  据悉,目前世界热效率最高的发动机是搭载在新凯美瑞上的那太,排量为2.5L,热效率为41%。据知情人士透露,这台发动机基本上用上了所有的先进技术,如:进气VVT,排气VVT,阿特金森循环,无极可变机油泵,高压缩比,EGR,多孔燃油喷射,低摩擦链条,树脂涂层轴承,气缸盖集成排气歧管等等,可以说已经做到了极致。

 

到了极限,发动机的效率再要往上提升一个点都难上加难。 


目前,常规燃油发动机效率的提升已经遇到了瓶颈。特别是油耗问题,排放法规越来越苛刻,找到瓶颈突破口迫在眉睫,而陶瓷发动机是一个方向。




我们都知道,传统汽车发动机由金属制造,因为金属强度高,耐热,可靠性好,是发动机零部件的不二之选。但是随着发动机技术的不断发展,金属的属性却制约了发动机效率的往上提升。 


为什么这么说?发动机的原理大家都清楚,是靠燃烧燃油释放热能转变为膨胀气体来推动活塞做功。在这过程中,燃料的热能只有1/3左右推动活塞做功,绝大部分是从缸套把热能传递给了冷却液,再传递到空气中。

  

冷却的原因很简单,因为金属的特性,发动机的核心部件是活塞连杆机构,缸体,曲轴。其中活塞是由铝合金制作,顶部加耐热涂层,曲轴,连杆基本是铸铁,合金钢等。铝合金的极限耐温点为350℃左右,铸铁为450℃左右,超级耐温合金为1000℃左右。所以,必须时刻保证这些金属核心零件的温度必须保证在极限温度点之下,不然就会热变形,导致零件损坏,发动机报废。

 

而陶瓷发动机就解决了上述问题: 


1.熔点高


一般金属的熔点为1400℃左右,而常规的陶瓷熔点在2000℃以上,在高温下具有极好的化学稳定性,同时陶瓷的热膨胀系数比金属低,当温度发生变化时,陶瓷具有良好的尺寸稳定性。 


2.硬度大


陶瓷的硬度为1500HV以上,而一般的合成金属为400HV左右,而且陶瓷的隔热性非常好。由于陶瓷材料的耐热温度,隔热性,活塞的工作温度大大提高,从1000℃左右可以提高到1300℃左右,热效率提升30%左右。 


3.稳定性好


陶瓷在1400℃左右的温度下保持良好的稳定性、物理、化学性能,不变形,不腐蚀。这样就不需要对活塞,缸套,缸盖进行冷却,也就不需要冷却系统及零件,可以减轻整车重量100KG左右。

 

4.密度小


陶瓷的密度小,重量轻。相比传统的铝合金活塞,钢制连杆,陶瓷,活塞连杆可以减轻重量约一倍。这样活塞的运行速度就可以得到极大提高,功率至少提升1/3。这对追求极速的F1来说,是非常好的前景技术。 


5.耐腐蚀性好


陶瓷高温下不易氧化,并对酸,碱,盐具有良好的抗腐蚀性。从这一点看,燃油的选择范围将大大提高,可以选择较差燃油品质的燃油。


既然陶瓷发动机相比传统的金属发动机有更大优势,那为什么没有得到普及和量产呢?

 

答案只有两个字:脆性


脆性是陶瓷难以克服的缺点,那些试验用的陶瓷发动机所用的陶瓷材料,都采用高纯度人工合成,利用精密控制工艺烧制,工艺复杂,成本也较高,但脆性也没有得到根本的解决。 

 

但目前有一种新兴技术,通过纳米化,易碎的陶瓷可以具备和塑料一样的韧性,陶瓷基纳米复合材料中纳米粒子主要弥散与基体晶粒内或晶粒间,其作用不仅可以提高力学性能,更能使其基体材料的强度和韧性提高2-5倍,而且可以改善硬度、强度及其抗疲劳破坏性能。

 

不过,目前纳米陶瓷还有许多关键技术问题需要解决,但纳米陶瓷的制备已经较为成熟。新的工艺不断涌现,相信随着研究的不断深入,纳米陶瓷会更加完善,完全可以取代金属的那天指日可待。相信不久的将来,纳米陶瓷技术在汽车中的运用会掀起一场汽车革命。

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