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用陶瓷造发动机,刷爆热效率!
 [ 2018-11-14 ]         浏览人数:3928 

  陶瓷这玩意儿,除了能吃饭、插花、做马桶,工业用途同样很广泛。但用陶瓷造一台发动机出来,谁都没敢这样想,除了脑洞奇大无比的工程师。


  为了提升发动机热效率,工程师为发动机加入一堆技术,才能到目前最高的41%的热效率。对,说的就是丰田!但马自达的Skyactiv-X也不服输,还准备达到更高的48%。尽管如此,它们在陶瓷发动机面前还差远呢!

  一项技术顶上天

  发动机最常用的材料,主要是铁或者铝,在大规模生产当中最为合适。但是,金属制造的发动机缺点也不少,不仅高温时强度不足,而且容易产生金属疲劳,耐磨性、耐腐蚀性都比较一般。因此,尽管现在的材料技术已经可以让这些金属有更强的性能,但总是被瓶颈所限制。

  我们生活中接触到的陶瓷,本身也能看到不少的优势,因此在工业上也很有优势。首先陶瓷特别耐高温,在1000多摄氏度的环境下可变保持不变形,强度能达到1500HV(一般只有400HV左右),还能保持比金属更低的膨胀系数,散热系统也可以更简化。

  发动机需要长期面对摩擦及燃烧,燃油中的积碳也会对发动机零部件造成腐蚀,陶瓷材质耐腐蚀、耐磨、抗疲劳等特性,也比一般金属材料要更好,对油品质量的要求更低,更加经久耐用。

  不仅如此,陶瓷的密度虽然没有铝材那么低(铝材密度:2.702g/cm³,陶瓷在3-4g/cm³不等),但比钢材要低不少(钢材密度:7.85g/cm³)。密度更低,意味着发动机可以减轻重量,结合散热系统简化所减轻的重量,陶瓷发动机的重量可以做得比金属发动机更轻巧。

  来到这里,很多人可能还不明白它与热效率的关系。其实,发动机做功产生的能量,大部分是通过散热、摩擦等方式流失,陶瓷发动机更高的温度极限,恰好可以减少散热所造成能量的损失,热效率大幅提升了35%。并且空气与燃料的混合比例可以更稀薄,燃烧更充分,降低污染物排放。

  其实,无论海外还是国内,早已经有科学家研究这种材料在发动机上的应用。1990 年上海曾经研发出一台无水冷陶瓷发动机,做过400多个小时的台架试验以及上海到北京的实车长距离试验,基本验证了它的可靠性以及实用价值。

  一个缺点毁所有

  但是,材料性能优秀的陶瓷并非完美无缺。陶瓷自身有很多肉眼看不到的细纹,一旦遇到冲击,很容易让这些细纹蔓延,造就陶瓷质地较脆的材料特性。要解决这种问题,不是没有办法,只要加入一些纳米复合材料,让陶瓷变得更有韧性,基本可以解决脆性问题。

  然而,这种技术并不适合大规模工业化,烧制工艺复杂,技术精度也有很高要求,成本也难以降低,汽车企业花这么大投入去生产,非常不划算。单单这一缺点,注定它在短期内也无法实现量产。

  尽管目前无法大量使用陶瓷材料制造发动机,个别零部件还是能够实现大规模生产。比如陶瓷轴承,摩托车发动机缸体陶瓷涂层等等,可以为发动机性能带来更多好处。而航空、航天领域,陶瓷材料也早已应用到发动机上面,这并不是不能实现的技术。

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