為什麼汽車發動機沒有用鈦合金做的！？
眾所周知 鈦合金的延展性 剛性 已經密度都優於鋁合金 而且更耐高溫 一直用於航空航天領域 在汽車追求性能以及輕量化的現在 鈦合金已經在很多汽車零部件領域替代了鋁合金 然而發動機缸體材料現在卻仍然是鋁合金或者鑄鐵合金 為何不能用鈦合金作為替代品 替代笨重的鋁合金和鑄鐵合金
之前其他回答中提到的成本問題，目前仍是導致鈦合金無法應用於發動機本體的主要原因。但是在一些發動機上的小部件上，鈦合金確實得到了很好的應用。
阻礙鈦合金普遍應用於汽車工業的最主要原因還是成本過高。
無論是金屬最初的冶煉還是後續的加工，鈦合金的價格都遠遠高於其他金屬。汽車工業能夠接受的鈦制零件成本，用連桿鈦材8～13美元/kg，氣閥用鈦材13～20美元/kg，彈簧、發動機排氣系統及緊固件用鈦材希望在8美元/kg以下。是鋁板材的6～15倍，鋼板材的45～83倍。
鈦合金的特性
鈦合金具有質量輕、比強度高、耐腐蝕性好等優點，故被廣泛應用在汽車工業中，應用鈦合金最多的是汽車發動機系統。利用鈦合金製造發動機零件有很多好處。
鈦合金的密度低，可以降低運動零件的慣性質量，同時鈦氣門彈簧可以增加自由振動，減弱車身的振顫，提高發動機的轉速及輸出功率。
減小運動零件的慣性質量，從而使摩擦力減小，提高發動機的燃油效率。選擇鈦合金可以減輕相關零件的負載應力，縮小零件的尺寸，從而使發動機及整車的質量減輕。零部件慣性質量的降低，使得振動和雜訊減弱，改善發動機的性能。 鈦合金在其他部件上的應用可提高人員的舒適度和汽車的美觀等。在汽車工業上的應用，鈦合金在節能降耗方面起到了不可估量的作用。
鈦合金零部件儘管具有如此優越的性能，但距鈦及其合金普遍應用在汽車工業中還有很大的距離，原因包括價格昂貴、成形性不好及焊接性能差等問題。
鈦合金是一種新型結構材料，鈦的密度為4.15g/cm，比鐵小很多；鈦的熔點1668℃，比鐵還要高；熱脹係數小，作為耐熱材料很有潛力；其製成的鈦合金抗拉強度可達1500MPa，可與超高強度鋼媲美，其比強度是常用工程材料中最高的；鈦合金可在550℃以下工作，優於鋁合金及一般鋼。因此它在航空、航天、汽車、造船等工業部門獲得日益廣泛的應用，發展迅猛。由於鈦及其合金的優異抗蝕性能，良好的力學性能，以及合格的組織相容性，使它用於製作假體裝置等生物材料。鈦的耐蝕性比不鏽鋼好，密度是鐵的1／2，韌性也與鋼鐵相當，在航空業被普遍採用，是與鋁、複合材料相併列的「材料三大支柱」之一。其缺點是成本高，加工性能差，切削、焊接、表面處理都較難。鈦合金化後可提高高溫強度、加工性、焊接和耐蝕性。
鈦合金在汽車發動機上的應用
鈦合金適於製造汽車發動機氣門彈簧、氣門和發動機連桿。用鈦合金製造板簧與用抗拉強度達2100MPa的高強度鋼相比，可降低自重20%。鈦合金在汽車發動機上應用的實例。
(1)鈦合金連桿。義大利的新型法拉利(Fer-rari)315LV8與Acura的NSX發動機首次使用了鈦合金連桿，比鋼製連桿輕15%—20%。
(2)鈦合金髮動機氣門。用鈦合金等製成的氣門比鋼製氣門輕30%—40%，可提高極限轉速20%。排氣門因採用了Ti224Si合金提高了高溫強度，但排氣溫度在於750t以上時，強度、抗氧化性不穩定。另外，鈦合金很早就被用於製作行駛時間較短的賽車上的發動機氣門，而值得關注的是，近年來某些廠家正在將這種氣門安裝在數量較少的批量生產的汽車發動機上。據報道，該產品採用了摻有TiB的鈦合金燒結材料和特殊的粉末冶金技術，可以實現降低價格的目標。用這種方法，製造進氣門也許問題不大，但排氣門的使用溫度一般是高於750t的，這一溫度已經超過了鈦合金的使用溫度上限。在這樣的條件下，可以認為其高頻疲勞壽命的衰減速度主要取決於高溫氧化強度。蠕變斷裂強度暫且不論，就疲勞強度而言，很難確認是由於摻人TiB的效果而得以使其顯著增強。但這些正在被實際使用的氣門畢竟為我們提供了確鑿的疲勞強度數據。
(3)鈦合金彈簧類。Ti213V211C23A1等合金的開發，可望用於發動機氣門彈簧、懸架彈簧上。鈦合金利用的最大難點是成本高。其次，提高加工性、耐久性及表面處理技術的開發，再生技術的建立也是很必要的。
鈦和鈦合金應用的最大阻力來自於其高價格，所以鈦合金的研製和生產工藝的開發重點都在於降低成本。日本豐田開發了低成本鈦基複合材料，該複合材料以Ti26A124V合金為基體，以TiB為增強體，用粉末冶金法生產。該複合材料成本低、性能優良，已在發動機連桿上得到應用。
關於發動機本體，由於成本的原因目前主要採用的還是鋁合金和鑄鐵材料。其中高性能全鋁發動機目前仍是發展的主流。之前本人的微信號寫過相關的類似的介紹。引用如下，供參考。作者：辣筆小星鏈接：堅強芯沙中造，寶馬小王子蛻變記 - 辣筆小星 - 知乎專欄來源：知乎著作權歸作者所有。商業轉載請聯繫作者獲得授權，非商業轉載請註明出處。
2016年伊始相信大家已經看到了多篇關於寶馬瀋陽發動機工廠投產的報道。今天我們就從一個獨特的發動機鑄造技術角度，通過幾個大家感興趣的問題，來分析一下寶馬「王子」發動機的蛻變過程，以及寶馬瀋陽發動機工廠對於寶馬集團以及華晨寶馬的戰略意義。
一、寶馬「王子」發動機為何會如此快地被替代？
寶馬集團在2000年初期的時候剛剛完成了其從自然吸氣發動機向渦輪增壓發動機的轉型。手握大量N55直列六缸雙渦輪增壓發動機的技術。寶馬集團找到了標緻雪鐵龍集團進行合作開發一台可以裝進Mini Coupe發動機艙的小型發動機。為了體現兩個集團對這款聯合開發發動機系統的重視，該系列發動機被命名為「王子」Prince系列。寶馬拿出了看家的三大發動機技術：燃油直噴、連續氣門升程Valvetronic控制技術和單渦輪雙渦管（可有效降低排氣干擾，提高渦輪效率）技術。標緻集團則拿出了主打的小型發動機TU平台，配合寶馬的技術，加上可變排量機油泵、活塞獨立冷卻系統等等酷炫的技術打造出來這款1000轉渦輪介入、1400轉渦輪達到最大扭矩峰值的威猛發動機。在標緻集團，目前國內看到的標緻雪鐵龍集團的車型標著THP字樣的基本都是裝配的該款發動機。包括標緻3008、508、雪鐵龍C4L、C5等等。而寶馬集團則分成了N13（縱置發動機）和N18（橫置發動機）兩個分支。N18被裝配在了Mini Coupe的系列車型上。並於2011年被評為當年的沃德十佳發動機。N13則被裝配在了寶馬的116i和316i上，主打入門車型。下圖一為寶馬「王子」發動機所採用的電子氣門Valvetronic、缸內直噴High Precision Injection和單渦輪雙渦管TwinPower Turbo Technology（技術介紹圖片來源於汽車之家網站）。下圖二為寶馬N13 1.6T發動機。
N20系列發動機有著輝煌的歷史、並且廣泛應用於寶馬品牌多款車型中。那為什麼只是用了4年就切換到新的發動機系列了呢？其中的緣由可以分為內因和外因兩大方面。
我們先來說說外因。
寶馬的老對手賓士在推出了A級和B級前驅車型以後嘗到了甜頭，率先啟動了相應的發動機橫置前驅車型平台MFA。並且相應的賓士2.0T發動機M270也可兼容發動機橫置布置和縱置布置（縱置型號為M274）。此後賓士連續推出了新A級，新B級，CLA，GLA等多款發動機橫置前驅車型主打年輕市場。而與此同時寶馬品牌的主打2.0T N20系列發動機則只有縱置布置型號。另一方面，賓士AMG基於M270發動機打造的四缸高性能發動機M133，成功應用於A45 AMG，CLA45 AMG，GLA45 AMG等前驅運動車型中。其功率和扭矩參數驚人的達到了265kW和450NM。下圖一為賓士AMG M133 2.0T四缸高性能發動機。如下圖二所示，在最新版的A45 AMG車型中，高功率調教的M133發動機功率和扭矩參數進一步提升達到了280kW和475NM。雖然這是款小批量不惜血本的高性能運動發動機，但是無疑也讓寶馬感受到了壓力。賓士M133發動機的參數不僅超越了N20系列發動機，甚至高於直列六缸的N55系列發動機，並在2014和2015年度連續兩次拿到了國際發動機大獎。
再來說說內因，寶馬開發混動超跑i8需要一款高性能小體積小排量的發動機與電動機配合來。與此同時，入門車型採用發動機橫置前驅成為大趨勢，靈活的橫置縱置兼容發動機成為越來越迫切的需求。
在上述內外因的作用下，N13/N20「王子」系列發動機逐漸向新一代的模塊發動機轉型。
二、寶馬模塊發動機優良性能的秘訣是什麼？
寶馬模塊發動機系列很好的解決了上述提到的迫切需求。比如B38的1.5T三缸渦輪增壓發動機很好的被應用在混動超跑i8中。以小體積小排量，和電動機在一起布置進了i8緊湊的空間中。下圖一為橫置布局的B38的1.5T三缸渦輪增壓發動機。下圖二為i8所使用的B38系列1.5T三缸渦輪增壓發動機B38A15T0，其功率和扭矩參數達到了170kW和320NM。這個參數已經達到了稍低於「28」系列高功率調教N20B20A發動機（高於「25」系列低功率調教N20B20A發動機）的級別。符合了真正高性能運動發動機的要求。並且與電動機聯合出力達到了266kW和570NM，達到了適合跑車的性能。並且B38 1.5T三缸渦輪增壓發動機將逐漸替代N13 1.6T 四缸渦輪增壓發動機。
另一方面，為了順應入門車型採用發動機橫置前驅的大趨勢，寶馬推出了UKL發動機橫置前驅車型平台。對應的B48 2.0T四缸渦輪增壓發動機靈活的橫置縱置兼容布局方式很好地解決了橫置前驅和縱置後驅車型共用發動機問題。大幅提升了發動機和零部件的重用率，降低了生產成本，同時也提高了可靠性。下圖一為B48 2.0T四缸渦輪增壓發動機橫置布局。下圖二為B48 2.0T四缸渦輪增壓發動機縱置布局。如下圖三所示，橫置布局的B48 2.0T四缸渦輪增壓發動機應用於UKL前驅平台的寶馬2系AT 220i和225i車型上，加上搭配B38 1.5T三缸渦輪增壓發動機的218i車型，組成了高功率、中功率和低功率的三種不同配置。對應的縱置布局的B48 2.0T四缸渦輪增壓發動機應用於後驅平台的寶馬3系320i和330i車型上，其功率扭矩級別分別與之前搭載N20B20B的320和N20B20A的328對應。為了順應豪華車使用2.0T四缸渦輪增壓發動機的環保趨勢，寶馬730i車型上搭載了目前最高功率調教的B48發動機，功率和扭矩分別達到了190kW和400NM。因此B48將逐漸替代N20成為2.0T四缸渦輪增壓發動機的主力。
關於寶馬模塊發動機系列的成功秘訣所在可以從兩個方面分析。
一方面是大家聊得比較多的發動機模塊化理念以及N20「王子「發動機相關技術的進一步升級。寶馬認為每缸排量為0.5L對其來說是最優化的排量組合，因此B38 三缸1.5T，B48 四缸2.0T以及B58 直列六缸3.0T發動機都可以重用相關的控制技術和多種發動機零部件。這方面相關的文章很多，因此不再贅述，感興趣的話可以參考文章最後的參考文獻。
另一方面就是今天分析的重點，寶馬使用了先進的發動機鑄造技術來打造一個高強度的全鋁發動機系列。更高的發動機強度，使得該系列發動機可以迸發出強大的性能或者說留足了發展餘量，來應對不同車型對發動機不同的需求。具體技術細節我們接著往下看。
三、寶馬如何提高全鋁發動機強度？
發動機的主要鑄造材料可分為兩種，一種材料為鐵，稱為鑄鐵發動機。另一種材料為鋁，稱為鑄鋁發動機。如果缸蓋、缸體、曲軸等發動機主體都使用鑄鋁材料則稱為全鋁發動機。曾經有很長一段時間，高性能的渦輪增壓發動機都是鑄鐵發動機。因為鐵相對鋁材料強度更高，高溫下的耐壓能力強，耐磨損。比如大眾集團堅持使用了很長一段時間的鑄鐵發動機系列，包括今天仍在使用並得獎的奧迪2.5T 直列五缸渦輪增壓鑄鐵發動機。然而同時，全鋁發動機的優勢也是非常明顯的，那就是重量更輕。因此寧願犧牲一些發動機性能，全鋁發動機由於其輕量化的優勢也漸成主流。那麼既要使用全鋁發動機，又要提高發動機的強度來實現高性能渦輪增壓發動機的苛刻要求，則需要一些獨門的發動機鑄造技術。下面我們就來看看寶馬是如何在模塊發動機系列上實現這一點的。
a. 鋁合金髮動機缸體砂鑄
前面提到賓士AMG設計的M133高性能2.0T四缸增壓發動機基於M270發動機打造，達到了非常驚人的功率和扭矩參數。其實M133最大的更改就是使用了特殊的鋁合金材料，即鋁中加入了不同種類的微量元素，使得其發動機的缸體強度提升了。看來不僅人需要微量元素，微量元素對於鋁合金髮動機也是好東西。不過這微量元素一加，傳統鑄造技術就用不了了。必須使用更加繁瑣的發動機砂鑄技術。發動機砂鑄嚴格意義上應該稱作砂芯重力壓鑄Sand Core Gravity Die Casting。說的簡單一點，融化的鋁合金需要倒在一個沙子做的模具（砂模）里，等冷卻了以後需要砸除鋁合金鑄件外部的砂模。因此鑄造中的砂模是一次性的，每個砂模都有微小的區別。需要繁瑣對砂模檢驗、修補、澆注、砸除，再對得到的鑄件檢驗、測試，不合格的還要回爐再造。因此發動機砂鑄成了高性能的全鋁發動機的代名詞。
如果大家對發動機砂鑄技術感興趣，推薦大家找找紀錄片《超級工廠-法拉利》("Ultimate Factories" Ferrari Episode 2006)來看一下。沒錯，因為砂鑄技術是所有法拉利和瑪莎拉蒂跑車的御用發動機鑄造技術。下圖一為法拉利的工作人員正在介紹發動機砂鑄所用的砂模。下圖二為法拉利599所用的V12全鋁發動機。下圖三為法拉利599 V12發動機對應砂鑄所用的砂模。下圖四為澆注後砸除砂模得到的法拉利599 V12發動機鋁合金缸體。
那麼寶馬量產車上大量使用砂鑄技術製造發動機可見為了實現發動機高性能也是蠻拼的。我們一起來看看寶馬有啥特殊之處吧。
由寶馬的官方發動機資料來看，N20「王子」系列發動機缸體所用的鋁合金牌號為AlSi9Cu3，屬於硅鋁合金，對應使用傳統低壓壓鑄技術。而新一代的模塊發動機系列發動機缸體所用的鋁合金牌號為AlSiMgCu0.5，屬於硅鎂鋁合金，對應使用砂芯重力壓鑄技術。如下圖所示，AlSiMgCu0.5應該類似於AlSi7Mg0.3Cu0.5（即表中AlSi7Mg0.3（Cu））或者介於前四種硅鎂鋁合金參數之間。相應的硅鎂鋁合金在拉伸強度Tensile Strength、斷裂應變Fracture Strain、布氏硬度Brinell Hardness、屈服應力Yield Stress等方面都要優於硅鋁合金AlSi9Cu3。簡單來說硅鎂鋁合金具有更高的強度。
此次寶馬在瀋陽投產的發動機工廠包括一個鋁合金鑄造工廠Light metal foundry。這個製造工廠採用了寶馬先進的工業4.0生產設備，整個生產高度自動化。並且使用的砂模材料都有環保沙製成。其循環利用超過了90%。並且整個工廠充分考慮了節能環保和廢水的循環處理。下圖一為寶馬鑄造工廠內的砂模。下圖二為自動化生產設備正在向砂模中澆注融化的鋁合金。
此外，使用了新的硅鎂鋁合金材料後，寶馬還可對發動機缸體進一步熱處理，提高發動機缸體強度。如下圖為寶馬專利的硅鎂鋁合金熱處理過程。首先通過較長時間的500攝氏度以上固溶熱處理Solution Treatment，然後通過氣冷或水冷降溫到接近室溫進行淬火處理Quenching，最後在經過一段時間的100~200攝氏度的人工老化Artificial Ageing。
b. 發動機封閉冷卻水道設計(closed deck design)
水冷發動機需要通過冷卻液冷卻活塞缸壁。為了充分冷卻發動機，最簡單的方法就是將水道圍繞活塞缸壁一整圈。這樣的設計即為開放水道設計。但是由於水道處活塞缸壁缺乏著力點，此處的強度也相應降低。為了提升發動機強度，冷卻水道被設計成斷續的缺口。增加活塞缸壁周圍的著力點從而提升此處的強度。這種水道設計即稱為封閉水道設計。如下圖一，左側為開放水道，右側為封閉水道。下圖二為N20發動機的缸體維修說明圖，可見水道圍繞活塞缸壁一整圈為開放水道設計（圖中2~8為各個安裝螺栓位置）。下圖三為B48發動機的缸體維修說明圖，可見冷卻水道被設計成斷續的缺口為封閉水道設計（圖中2~5為各個安裝螺栓位置）。
c. 電弧噴塗技術wire arcspraying technology (LDS)
為了進一步提升活塞缸壁的強度，寶馬引入了專利的電弧噴塗技術來替代傳統的鑄鐵缸套。電弧噴塗技術通過等離子噴塗高強度材料到活塞缸壁，其厚度僅有0.33mm，卻大幅增加了活塞缸壁的耐磨性，達到了傳統的鑄鐵缸套水平。下圖為傳統缸套和電弧噴塗比較示意圖，左側為傳統缸套套在活塞缸壁上增加強度，但是厚度大。右側為電弧噴塗技術在活塞缸壁上噴塗的0.33m厚高強度塗層。厚度小，強度高。下圖二為電弧噴塗技術的原理，通過高電流融化高強度材料線材然後用高壓氣體將離子化的材料噴塗在活塞缸壁上形成襯套。下圖三為寶馬瀋陽發動機鑄造工廠中的電弧噴塗設備正在對發動機缸體進行噴塗處
貴
首先是成本，鈦合金太貴了，汽車是走批量的，肯定是成本越低越好。其次是可加工性，鈦合金不好加工啊。發動機一般都是澆鑄後精加工的。鈦合金澆鑄不好做，容易有質量問題。而且鈦合金的加工也有問題。兩者同樣導致成本上升。
不是想做就做的，得考慮實際因素，鈦合金固然優點眾多，但是鈦合金不容易加工成型，傳統發動機都是鑄造成型，就是在砂型中澆注鐵水冷凝成型，不同澆鑄溫度，鑄型結構甚至是空氣溫度，濕度都會對鑄造產生影響，看著外部表面是一樣的，其實內部組織已經千差萬別了。鐵和鈦合金相比有點就在於 這些影響因素已經研究的很透徹了。其次鈦合金很難進行鍛造，很容易變形開裂，沒有太多企業能完成鈦合金鍛件的鍛造。再有就是實際經濟因素了。
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