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先进材料帮助解决GDI发动机动力难题
作者:山特维克技术市场专员 林舒
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汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ...
一种新材料用于GDI汽车发动机时,需要经过材料厂本身以及汽车制造商苛刻的层层把关,确认材料的各项物理性能达到采购标准。本文就介绍了随着GDI 汽车发动机技术对动力要求的不断提高,在传统材料已经不能满足其发展的情况下,新的材料如何来帮助解决这类问题。

现如今,环境退化和能源短缺的问题日益突出,使得政府、汽车生产商和普通民众对提高汽车燃油的经济性、减少汽车尾气排放有了迫切要求。对此,国内的诸多城市陆续出台了相应的第四阶段机动车排放标准(简称国IV),而上海更是于2014年4月30日提前实施了国家第五阶段机动车排放标准(简称国V)。发动机作为汽车心脏,通过将液体或气体的化学能通过燃烧后转化为热能,为汽车的行走提供动力,其性能直接关系着汽车的动力性、经济性、环保性。为满足环保节能和人们对现代生活快捷性的要求,加上油品质量的复杂性,促使全球范围内的汽车制造商对发动机研发倾注了极大的热忱,并为此投入了大量的人力和财力。

GDI汽车发动机

GDI(Gasoline Direct Injection汽油机缸内直喷)汽车发动机技术便顺应了这种发展要求。这种发动机将燃油直接喷入气缸,利用缸内气流和活塞表面的燃料雾化,使燃油实现更为充分的燃烧,从而提高燃油经济性、减少尾气排放,在降低排量的同时,达到同等甚至更高的动力性能等。

实际上,最早的燃油直喷技术出现于1920年。但直到1990年代中期,GDI发动机才克服了工艺技术上的挑战,真正开始在欧洲、日本市场走向商业应用。世界著名大型汽车公司,包括通用、福特、大众、奔驰、丰田、保时捷等都纷纷在新车型中引入这种发动机。在中国,包括吉利、一汽在内的中国国内汽车制造商也在发展GDI发动机技术。如今,GDI发动机已经迎来了第三代产品的面世。

先进材料

早期的GDI发动机开发成本很高,因此首先用到了高档轿车上,如3.0、3.5排量的林肯轿车、凯迪拉克上。随着GDI发动机技术的日臻成熟,产量不断增大,生产成本也得到了削减。在中国,由于政府鼓励小排量,且同时又能达到一定动力性能的汽车开发,加上庞大的普通消费群体需要更为经济的车型。因此,GDI技术在小排量发动机上得到了应用。目前,GDI发动机已经越来越多用于不同的新车型,一些大汽车制造商甚至准备从2015年起,逐步将产品结构中的GDI发动机的比例提高到100%。

GDI发动机的开发也顺应了当前中国汽车市场的发展要求。首先,经过30多年经济的快速增长,迫切需要进行经济转型,代之以更为环保、节能的可持续发展模式,中国政府为此制定了日益苛刻的汽车排放要求,以应对环境及能源的挑战。国际大都市上海更是从2012年6月1日开始,提前对轻型车辆实施国标IV;从2014年4月30日开始,开始实施国V标准,并进一步扩大了车辆适用范围。GDI发动机技术是确保在不牺牲汽车动力性能的同时,降低汽车排量,达到日趋严格的法规要求的有效手段。

第二,汽油价格不断上涨,给消费者使用汽车带来了一定的压力。GDI发动机则提供了有效降低油耗的途径,为消费者在享受汽车带来的便利和速度的同时,节省燃油账单。据福特公司介绍,与大排量汽车发动机相比,其新车型EcoBoostTM在采用了直喷技术和涡轮增压汽油发动机后,燃油经济性提高了20%,CO2排放减少了15%(图1) 。

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第三,据业内人士介绍,为进一步提高汽车燃油效率,适应技术的进一步发展,未来五年,GDI发动机的工作压力还将从目前的20MPa进一步提高到30Mpa~35MPa。而现在美国一些车厂甚至将长远开发目标提高到了70MPa。

随着发动机压力的增加,汽车动力性也提高了。但是与传统发动机相比,为了使燃料得到充分燃烧,实现节能减排等目标,GDI发动机内部的工作压力提高了4倍以上,如传统发动机压力通常在5Mpa,GDI发动机的压力则至少要在20Mpa以上。除此以外,由于甲醇、乙醇的添加,使得燃油腐蚀性增强。如此一来,对材料的要求就更为严苛。只有高强度、耐腐蚀,特别是在高压环境中耐应力腐蚀开裂的材料,才能保证燃料充分且安全地燃烧;再加上不同的使用环境,如海边空气中夹带的盐份、冬天道路上的融雪盐以及油品内部含硫等,都会加大对包括油管和油轨等在内的发动机部件的腐蚀。换言之,只有应用强度更高、耐腐蚀性更好、能降低在高压环境中应力腐蚀开裂风险的材料,才能保证GDI发动机的正常安全运转。

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这也是为什么市场迫切需要高性能材料来满足汽车厂应对不断增高的GDI发动机压力的原因。
先进材料的发展

◆ 传统材料逐渐不能适应GDI发动机的发展要求

为了适应GDI发动机越来越高的压力要求,生产商面临两种选择:1),增加不锈钢管厚度,以维持一定的机械性能。但材料变得笨重后,提高了管材加工、运输难度和生产成本,不利于节能减排。2),选用更为先进的材料,不但减少了零部件重量,而且提高了发动机性能,同时达到节能减排的目标。毫无疑问,这种方案越来越受到市场的青睐。

◆如何保证材料达到要求

一种新材料用于GDI汽车发动机时,需要经过材料厂本身以及汽车制造商苛刻的层层把关,确认材料的各项物理性能达到采购标准。例如,在将高压油管和高压油轨用于汽车发动机前,汽车厂需要进行反复测试,验证材料性能。不仅如此,汽车厂商还会审核材料供应商的生产过程,确保供应商能够始终稳定一致地为其供应安全、可靠、耐久的材料。
因此,只有那些具有严格可靠工艺和执行能力的优秀供应商才能达到汽车厂商的要求。以山特维克推出的全新PressurfectTM 无缝不锈钢管系列产品为例,它从材料冶炼至成品实现一体化生产。这样一来,整个生产流程及材料性能得到全方位掌控,可确保材料成分、表面质量、机械性能、耐腐蚀性能始终如一。

首先,工厂会对材料成分中的各元素含量进行优化,使最终交付的材料成分设计实现各项性能最优,同时严格控制微量元素,保持成分的一致性。

其次,在制管过程中,传统热穿孔工艺容易造成内壁缺陷多,且难以加工合金化较高的钢种和变形抗力较大的钢。采用了热挤压工艺后,则可避免上述问题,同时去除了心部夹杂物聚集带,提高管材内外表面质量。

◆在冷轧工艺中,由于只做一次冷轧,可避免多次冷轧所产生的褶皱和微裂纹拉伸;精密控制退火温度,则将变形量控制在最合理的范围,最终产品既能满足客户耐腐蚀性能要求,又能满足机械性能要求。接着,山特维克材料科技采用了光亮退火工艺,进一步确保材料的表面质量,减少污染物及盐类的沉积,提高材料的耐腐蚀性能。最后,在管材出厂前,工厂会进行100% 涡流探伤、100 PMI 测试,同时,也可根据需要,选用超声波探伤。合适尺寸的起始原材料(热挤压荒管)可确保管子内表面没有缺陷,提高耐腐蚀性。

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与GDI 发动机共同进步

面世已有150 多年的山特维克在汽车行业拥有70 多年历史,为世界汽车工业的巨头们提供着小到安全气囊、制动组件,大到发动机在内的先进材料和切割工具。

山特维克正与各大主机厂合作,积极开发Pressurfect 和PressurfectTM XP 的应用。合作企业除了各大汽车公司外,也包括各大动力总成公司及其供应商。现在,在中国市场上已经能见到搭载了山特维克Pressurfect 和Pressurfect XP 材料的高压油管和高压油轨的新款GDI 发动机的轿车。

目前广泛用于GDI 发动机高压油管和高压油轨的材料是山特维克Pressurfect 和PressurfectXP 无缝不锈钢管系列产品。该产品为GDI 汽车发动机量身定制,在高压的环境下运行良好,使得燃料得到充分燃烧,并降低能耗,减少废气排放。此外,Pressurfect 和Pressurfect XP 顺应了对汽车轻量化材料的需求。在美国机动车工程师学会(Society of Automotive Engineer ,简称SAE)2014 年会上,该款产品被授予“SAE 技术奖”。

山特维克在化学成分控制,工艺流程以及生产参数上均做到了优化,使得Pressurfect 的机械性能和耐蚀性能都优于同等材料。材料性能的优化使得客户在设计油路系统时安全性,可靠性提升。

自2007 年开始,第一根用Pressurfect 管材制造的GDI 发动机用高压油管和高压油轨开始交付应用,目前所有的管材均使用安全可靠,没有过任何失效的案例。厂家也承诺,这类管材承诺至少可安全使用10 年或20 万公里而不失效。

现在,一些汽车厂已经着手开发两倍于现有工作压力的GDI 发动机,当GDI 发动机工作压力提高到35Mpa 时,将是Pressurfect XP 优势凸显的时机。因为到那时,传统材料将不再适应GDI 发动机油管和油轨的需求。在应对同等压力的条件下,采用Pressurfect XP 制成的管壁厚度最多可减少40%,且降低了应力腐蚀开裂的可能性和提高了钢管的疲劳强度。同时,钎焊性能也有所提高,只需稍许预热,就能装配喷油嘴或其他组件。

这些特点,不仅有助于汽车自身轻量化、节约材料成本,同时由于油管和油轨重量减轻、壁厚变薄,方便了切割、钻孔、焊接等加工,提高了产品质量,为包括材料加工、运输、搬运在内的整个产业链各方带来了诸多便利。

有报告称,目前市场上GDI 发动机所占比例约为14%,涡轮增压发动机则为33%。无论发动机是否采用涡轮增压,都可以使用GDI 技术;如果涡轮增压配合GDI 技术一起使用,则可进一步提高增压效果。因此,未来汽车发动机市场将迎来GDI 技术的更大需求。

为此,山特维克材料科技镇江工厂已经准备好,为亚太地区市场生产所需的高性能管材,通过本地化供应和技术服务,提高响应汽车厂需求的速度。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (3/16/2015)
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