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铝的就比铁的好?说一说你不知道的发动机气缸体知识

时间:2021-12-22 10:48:47  来源:  作者:老侯解车

我们经常说某款发动机是铸铁的,某款发动机是全铝的。这里面所说的“铸铁”或者“全铝”是指发动机气缸体的材质。那么什么是气缸体呢?它究竟有什么用呢?铝缸体和铁缸体都有什么优点和缺点?它对汽车有多重要?今天我们就来说说发动机气缸体方面的知识。

铝的就比铁的好?说一说你不知道的发动机气缸体知识

 

气缸体,气缸的壳体。气缸是指引导活塞运动导向的圆柱形空腔,狭义上的气缸体就是指包裹在气缸外面的那个壳体。不过现在的汽车发动机大多是水冷的,为了结构紧凑,通常把下曲轴箱与气缸体铸造在一起,构成气缸体-曲轴箱组,通常把这个组合体也称为气缸体,这是指广义上的气缸体。

气缸体是组装发动机的基础件,发动机各种零部件都安装在它的上面,并由它来保持各运动件相互之间的准确位置关系。气缸体在工作时,工作表面与高温高压的燃气接触,活塞在其中做高速往复运动,同时还要承受气体压力、往复惯性力、往复离心力、摩擦力以及发动机本身质量引起的各种冲击力,要经受较大的温度变化,要承受较大的机械负荷和热负荷。所以,要求气缸体具有足够的刚度和强度,并且具有良好的耐热性和导热性,以及良好的耐腐蚀能力、耐磨性等。质量当然是越小越好,功率重量比越大,发动机越紧凑。

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从表面上来看,气缸体就是一个有几个大窟窿的铁块子(或者铝块子),实际上它的内部结构极其复杂。在气缸体内部,有着纵横交错的水道和油道,有各种座孔、隔板等,并形成大量的空腔,用来储存冷却液和机油。为了给曲轴、凸轮轴等轴承润滑,为了给活塞喷油散热,在这些部位还有分油道和机油喷嘴,引导机油的流向,保证发动机润滑系统循环正常。此外,还有引导水流方向的水道、各种阀体、工艺孔等。如果把气缸体从中间锯开,你会发现它的内部就像一座地下宫殿一样复杂。

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如此复杂的结构,还要有足够的刚度和强度,就必须使用金属铸造工艺来制造。 普通的气缸体,一般是用灰铸铁铸造的;为了增加缸体强度、提高耐磨性,可以在铸铁中添加镍、钼、铬、磷等元素,形成优质合金铸铁;有些高强化柴油机使用了强度更高的球墨铸铁或者蠕墨铸铁。而现在乘用车使用的汽油发动机,大多采用铝合金铸造。也有少部分发动机使用了铝镁合金铸造,但是铝镁合金强度略低,并且比较怕水,缸体不能直接与水接触,所以在应用上受到了很大的限制。

现实中我们讨论最多的,就是铝合金发动机和铸铁发动机哪一个更好。如果单从机械性能方面来说,铸铁发动机会更好一些,它的机械强度更大,耐热性更好,可以承受更大的机械负荷和热负荷,耐磨、耐腐蚀能力更强;而铝合金发动机最大的优点就是重量更轻,散热性更好,其它方面都不如铸铁。综合各方面因素来看,其实是铸铁发动机略胜一筹。

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那么为什么现在大多数的乘用车都使用铝合金发动机呢?

大家知道,现在的乘用车大多使用发动机横置、前轮驱动的结构,发动机安装在前轴的前方。这种结构型式,对车头部位的重量非常敏感。如果车头过重,对汽车的操控性有严重的影响,最常见的就是转向不足,在高速过弯时严重推头。而降低发动机的重量,就可以降低车头部位的重量,减小推头的趋势,提升汽车操控性。使用铝合金发动机,就可以有效地降低发动机的重量。对于普通家用车使用的小排量发动机来说,铝合金发动机比铸铁发动机轻10~20公斤,这对普通的家用车来说,已经是非常大的减重成绩了。如果是豪车使用的大排量多缸发动机,使用铝合金减重效果更加明显,所以豪车发动机几乎都是铝合金的。

铝的就比铁的好?说一说你不知道的发动机气缸体知识

 

此外还有一点,就是铝合金发动机成本比较铸铁发动机更低。

是的,你没看错,老侯也没有说错,对于车企来说,确实是铝合金发动机成本比较铸铁发动机更低。

有人说这怎么可能呢?铝合金比铸铁贵那么多,做成气缸体成本反而低呢?这主要是因为:材料成本仅占发动机成本的一小部分,其它的比如设计成本、加工成本等才是大头。

铝合金发动机最早都是应用在豪车上的,后来才下放到普通家用车上。在这个技术下放的过程中,其开发设计成本早已经在豪车上分摊完毕,应用到家用车上,设计成本几乎可以忽略不计了。在加工成本方面,铝合金的铸造性能更好,可以铸造出更复杂的造型,这样就可以减少后期的加工步骤,降低加工成本;还有就是铝合金熔点低,铸造时消耗的能源费用低,铸造的成品率也比铸铁高很多,铸造缺陷更少。这样综合计算下来,使用铝合金气缸体成本并不比铸铁气缸体更高,甚至由于使用量大成本更低。车企宣称的铝合金发动机成本更高,只不过是一种苦肉计罢了,目的是让消费者花更多的钱。

铝的就比铁的好?说一说你不知道的发动机气缸体知识

 

这里有一个特例,就是大众家的EA888发动机,一直都使用铸铁缸体。这主要是因为,这款发动机被调校成差异较大的高低功率版本,同时还有较大的后期改装升级余地,被应用在某些性能车或者改装车上,使用铸铁气缸体可以满足对强度的需求。此外,奥迪车型发动机都是纵向布置的,对重量不是太敏感,使用铸铁对操控性影响也不大,所以大众就把这个铸铁气缸体坚持了下来。其实这也是分摊成本的一种手段,如果单独开发一个铝合金发动机,大众家的车会卖得更贵。

铝的就比铁的好?说一说你不知道的发动机气缸体知识

 

前面挖了一个坑,说气缸体是组装发动机的基础件,由它来保持各运动件相互之间的准确位置关系。这个基础有多重要呢?很多人可能理解得不是很深刻。下面老侯简单给大家说一说。

大家都知道发动机是非常精密的,这个精密主要就体现在各部位的配合间隙小,各零部件之间的运动关系精确。而这些零部件都是安装在气缸体上的,只有安装位置精确,才能保证运动关系精确,所以气缸体的几何尺寸精度就直接决定了发动机的精密程度。

气缸体是一个机械加工件,在加工过程中,必然会有尺寸误差,比如平面度、平行度、同轴度、垂直度、圆度等。这些机械公差越低,发动机越精密。比如平面度,平面度越高,密封性越好,平面度超差会导致密封不良,漏油、漏水、漏气等;气缸轴心与曲轴轴心垂直度超差,会导致活塞偏缸,异常磨损;曲轴、凸轮轴同轴度超差,会造成轴跳动,增大振动与磨损,缩短发动机使用寿命,等等。所以气缸体的几何尺寸精度是非常重要的。

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那么这个精度是如何保证的呢?一方面是在铸造时,模具、砂型的制作工艺与精度;另一方面,就是后期的机械加工工艺,比如机床加工,测量技术等。这些都非常考验一个国家的基础工业水平,并且需要工业积累,并不是可以一蹴而就的。经常有人质疑说现在的汽车发动机技术都已经公开了,为什么我们国家还制造不出来优秀的发动机?其实差距并不在设计上,而是被这些基础工业卡住了脖子。最简单的例子,人家的机床精度可以达到0.01mm,你的只能达到0.05mm,就是把最优秀的发动机给你仿制,你也做不出来啊!此外,还有材料、热处理等,也是仿制不来的。所以,我国的汽车工业,还是任重道远的!

铝的就比铁的好?说一说你不知道的发动机气缸体知识

 

在我们日常使用中,气缸体最容易发生的损伤就是高温变形。由于铝合金气缸体强度不如铸铁气缸体高,并且耐热性也不好,所以如果铝合金发动机如果发生过开锅的故障,就会造成气缸体、气缸盖变形,后期很容易出现各种漏油、漏水、呲缸垫等故障,并且很难解决。而铸铁发动机相对会好一些,这也是铸铁发动机更耐用的证据之一。此外,发动机长时间使用也会由于各种振动、各种力的作用而导致气缸体变形,进而导致气缸体尺寸超差,各种零部件之间的配合关系和运动关系被破坏,发动机使用寿命缩短。很多发动机大修后使用寿命远不如原厂发动机,就是因为这些基础件变形造成的。

铝的就比铁的好?说一说你不知道的发动机气缸体知识

 

此外还有非常重要的一点,就是铝合金发动机一定要定期更换防冻液。铝合金是不太耐腐蚀的,防冻液中有抗腐蚀剂,可以减轻水对铝合金的腐蚀。如果抗腐蚀剂消耗殆尽,气缸体被腐蚀,可能会造成内部漏水、气缸体强度下降等。千万不要相信“防冻液永远不用更换”的鬼话。如果是铸铁发动机的话,耐腐蚀性更好一些,防冻液更换周期可以更长。



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