作者：山特維克技術(shù)市場(chǎng)專員 林舒

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一種新材料用于GDI汽車發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，需要經(jīng)過(guò)材料廠本身以及汽車制造商苛刻的層層把關(guān)，確認(rèn)材料的各項(xiàng)物理性能達(dá)到采購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。本文就介紹了隨著GDI 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)對(duì)動(dòng)力要求的不斷提高，在傳統(tǒng)材料已經(jīng)不能滿足其發(fā)展的情況下，新的材料如何來(lái)幫助解決這類問(wèn)題。 

現(xiàn)如今，環(huán)境退化和能源短缺的問(wèn)題日益突出，使得政府、汽車生產(chǎn)商和普通民眾對(duì)提高汽車燃油的經(jīng)濟(jì)性、減少汽車尾氣排放有了迫切要求。對(duì)此，國(guó)內(nèi)的諸多城市陸續(xù)出臺(tái)了相應(yīng)的第四階段機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)（簡(jiǎn)稱國(guó)IV），而上海更是于2014年4月30日提前實(shí)施了國(guó)家第五階段機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)（簡(jiǎn)稱國(guó)V）。發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車心臟，通過(guò)將液體或氣體的化學(xué)能通過(guò)燃燒后轉(zhuǎn)化為熱能，為汽車的行走提供動(dòng)力，其性能直接關(guān)系著汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性。為滿足環(huán)保節(jié)能和人們對(duì)現(xiàn)代生活快捷性的要求，加上油品質(zhì)量的復(fù)雜性，促使全球范圍內(nèi)的汽車制造商對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)傾注了極大的熱忱，并為此投入了大量的人力和財(cái)力。 

GDI汽車發(fā)動(dòng)機(jī) 

GDI（Gasoline Direct Injection汽油機(jī)缸內(nèi)直噴）汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)便順應(yīng)了這種發(fā)展要求。這種發(fā)動(dòng)機(jī)將燃油直接噴入氣缸，利用缸內(nèi)氣流和活塞表面的燃料霧化，使燃油實(shí)現(xiàn)更為充分的燃燒，從而提高燃油經(jīng)濟(jì)性、減少尾氣排放，在降低排量的同時(shí)，達(dá)到同等甚至更高的動(dòng)力性能等。 

實(shí)際上，最早的燃油直噴技術(shù)出現(xiàn)于1920年。但直到1990年代中期，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)才克服了工藝技術(shù)上的挑戰(zhàn)，真正開始在歐洲、日本市場(chǎng)走向商業(yè)應(yīng)用。世界著名大型汽車公司，包括通用、福特、大眾、奔馳、豐田、保時(shí)捷等都紛紛在新車型中引入這種發(fā)動(dòng)機(jī)。在中國(guó)，包括吉利、一汽在內(nèi)的中國(guó)國(guó)內(nèi)汽車制造商也在發(fā)展GDI發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。如今，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)迎來(lái)了第三代產(chǎn)品的面世。 

先進(jìn)材料 

早期的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)成本很高，因此首先用到了高檔轎車上，如3.0、3.5排量的林肯轎車、凱迪拉克上。隨著GDI發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的日臻成熟，產(chǎn)量不斷增大，生產(chǎn)成本也得到了削減。在中國(guó)，由于政府鼓勵(lì)小排量，且同時(shí)又能達(dá)到一定動(dòng)力性能的汽車開發(fā)，加上龐大的普通消費(fèi)群體需要更為經(jīng)濟(jì)的車型。因此，GDI技術(shù)在小排量發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了應(yīng)用。目前，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)越來(lái)越多用于不同的新車型，一些大汽車制造商甚至準(zhǔn)備從2015年起，逐步將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的比例提高到100%。 

GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)也順應(yīng)了當(dāng)前中國(guó)汽車市場(chǎng)的發(fā)展要求。首先，經(jīng)過(guò)30多年經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，迫切需要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型，代之以更為環(huán)保、節(jié)能的可持續(xù)發(fā)展模式，中國(guó)政府為此制定了日益苛刻的汽車排放要求，以應(yīng)對(duì)環(huán)境及能源的挑戰(zhàn)。國(guó)際大都市上海更是從2012年6月1日開始，提前對(duì)輕型車輛實(shí)施國(guó)標(biāo)IV；從2014年4月30日開始，開始實(shí)施國(guó)V標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)一步擴(kuò)大了車輛適用范圍。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)是確保在不犧牲汽車動(dòng)力性能的同時(shí)，降低汽車排量，達(dá)到日趨嚴(yán)格的法規(guī)要求的有效手段。 

第二，汽油價(jià)格不斷上漲，給消費(fèi)者使用汽車帶來(lái)了一定的壓力。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)則提供了有效降低油耗的途徑，為消費(fèi)者在享受汽車帶來(lái)的便利和速度的同時(shí)，節(jié)省燃油賬單。據(jù)福特公司介紹，與大排量汽車發(fā)動(dòng)機(jī)相比，其新車型EcoBoostTM在采用了直噴技術(shù)和渦輪增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)后，燃油經(jīng)濟(jì)性提高了20%，CO2排放減少了15%（圖1） 。

第三，據(jù)業(yè)內(nèi)人士介紹，為進(jìn)一步提高汽車燃油效率，適應(yīng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，未來(lái)五年，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的工作壓力還將從目前的20MPa進(jìn)一步提高到30Mpa～35MPa。而現(xiàn)在美國(guó)一些車廠甚至將長(zhǎng)遠(yuǎn)開發(fā)目標(biāo)提高到了70MPa。 

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)壓力的增加，汽車動(dòng)力性也提高了。但是與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，為了使燃料得到充分燃燒，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排等目標(biāo)，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的工作壓力提高了4倍以上，如傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)壓力通常在5Mpa，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力則至少要在20Mpa以上。除此以外，由于甲醇、乙醇的添加，使得燃油腐蝕性增強(qiáng)。如此一來(lái)，對(duì)材料的要求就更為嚴(yán)苛。只有高強(qiáng)度、耐腐蝕，特別是在高壓環(huán)境中耐應(yīng)力腐蝕開裂的材料，才能保證燃料充分且安全地燃燒；再加上不同的使用環(huán)境，如海邊空氣中夾帶的鹽份、冬天道路上的融雪鹽以及油品內(nèi)部含硫等，都會(huì)加大對(duì)包括油管和油軌等在內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)部件的腐蝕。換言之，只有應(yīng)用強(qiáng)度更高、耐腐蝕性更好、能降低在高壓環(huán)境中應(yīng)力腐蝕開裂風(fēng)險(xiǎn)的材料，才能保證GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的正常安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

這也是為什么市場(chǎng)迫切需要高性能材料來(lái)滿足汽車廠應(yīng)對(duì)不斷增高的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)壓力的原因。 

先進(jìn)材料的發(fā)展 

◆ 傳統(tǒng)材料逐漸不能適應(yīng)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展要求 

為了適應(yīng)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)越來(lái)越高的壓力要求，生產(chǎn)商面臨兩種選擇：1)，增加不銹鋼管厚度，以維持一定的機(jī)械性能。但材料變得笨重后，提高了管材加工、運(yùn)輸難度和生產(chǎn)成本，不利于節(jié)能減排。2)，選用更為先進(jìn)的材料，不但減少了零部件重量，而且提高了發(fā)動(dòng)機(jī)性能，同時(shí)達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)。毫無(wú)疑問(wèn)，這種方案越來(lái)越受到市場(chǎng)的青睞。 

◆如何保證材料達(dá)到要求 

一種新材料用于GDI汽車發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，需要經(jīng)過(guò)材料廠本身以及汽車制造商苛刻的層層把關(guān)，確認(rèn)材料的各項(xiàng)物理性能達(dá)到采購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。例如，在將高壓油管和高壓油軌用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)前，汽車廠需要進(jìn)行反復(fù)測(cè)試，驗(yàn)證材料性能。不僅如此，汽車廠商還會(huì)審核材料供應(yīng)商的生產(chǎn)過(guò)程，確保供應(yīng)商能夠始終穩(wěn)定一致地為其供應(yīng)安全、可靠、耐久的材料。 

因此，只有那些具有嚴(yán)格可靠工藝和執(zhí)行能力的優(yōu)秀供應(yīng)商才能達(dá)到汽車廠商的要求。以山特維克推出的全新PressurfectTM 無(wú)縫不銹鋼管系列產(chǎn)品為例，它從材料冶煉至成品實(shí)現(xiàn)一體化生產(chǎn)。這樣一來(lái)，整個(gè)生產(chǎn)流程及材料性能得到全方位掌控，可確保材料成分、表面質(zhì)量、機(jī)械性能、耐腐蝕性能始終如一。 

首先，工廠會(huì)對(duì)材料成分中的各元素含量進(jìn)行優(yōu)化，使最終交付的材料成分設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)性能最優(yōu)，同時(shí)嚴(yán)格控制微量元素，保持成分的一致性。 

其次，在制管過(guò)程中，傳統(tǒng)熱穿孔工藝容易造成內(nèi)壁缺陷多，且難以加工合金化較高的鋼種和變形抗力較大的鋼。采用了熱擠壓工藝后，則可避免上述問(wèn)題，同時(shí)去除了心部夾雜物聚集帶，提高管材內(nèi)外表面質(zhì)量。 

◆在冷軋工藝中，由于只做一次冷軋，可避免多次冷軋所產(chǎn)生的褶皺和微裂紋拉伸；精密控制退火溫度，則將變形量控制在最合理的范圍，最終產(chǎn)品既能滿足客戶耐腐蝕性能要求，又能滿足機(jī)械性能要求。接著，山特維克材料科技采用了光亮退火工藝，進(jìn)一步確保材料的表面質(zhì)量，減少污染物及鹽類的沉積，提高材料的耐腐蝕性能。最后，在管材出廠前，工廠會(huì)進(jìn)行100% 渦流探傷、100 PMI 測(cè)試，同時(shí)，也可根據(jù)需要，選用超聲波探傷。合適尺寸的起始原材料（熱擠壓荒管）可確保管子內(nèi)表面沒(méi)有缺陷，提高耐腐蝕性。

與GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)共同進(jìn)步 

面世已有150 多年的山特維克在汽車行業(yè)擁有70 多年歷史，為世界汽車工業(yè)的巨頭們提供著小到安全氣囊、制動(dòng)組件，大到發(fā)動(dòng)機(jī)在內(nèi)的先進(jìn)材料和切割工具。 

山特維克正與各大主機(jī)廠合作，積極開發(fā)Pressurfect 和PressurfectTM XP 的應(yīng)用。合作企業(yè)除了各大汽車公司外，也包括各大動(dòng)力總成公司及其供應(yīng)商。現(xiàn)在，在中國(guó)市場(chǎng)上已經(jīng)能見到搭載了山特維克Pressurfect 和Pressurfect XP 材料的高壓油管和高壓油軌的新款GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的轎車。 

目前廣泛用于GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)高壓油管和高壓油軌的材料是山特維克Pressurfect 和PressurfectXP 無(wú)縫不銹鋼管系列產(chǎn)品。該產(chǎn)品為GDI 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)量身定制，在高壓的環(huán)境下運(yùn)行良好，使得燃料得到充分燃燒，并降低能耗，減少?gòu)U氣排放。此外，Pressurfect 和Pressurfect XP 順應(yīng)了對(duì)汽車輕量化材料的需求。在美國(guó)機(jī)動(dòng)車工程師學(xué)會(huì)(Society of Automotive Engineer ，簡(jiǎn)稱SAE)2014 年會(huì)上，該款產(chǎn)品被授予“SAE 技術(shù)獎(jiǎng)”。 

山特維克在化學(xué)成分控制，工藝流程以及生產(chǎn)參數(shù)上均做到了優(yōu)化，使得Pressurfect 的機(jī)械性能和耐蝕性能都優(yōu)于同等材料。材料性能的優(yōu)化使得客戶在設(shè)計(jì)油路系統(tǒng)時(shí)安全性，可靠性提升。 

自2007 年開始，第一根用Pressurfect 管材制造的GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)用高壓油管和高壓油軌開始交付應(yīng)用，目前所有的管材均使用安全可靠，沒(méi)有過(guò)任何失效的案例。廠家也承諾，這類管材承諾至少可安全使用10 年或20 萬(wàn)公里而不失效。 

現(xiàn)在，一些汽車廠已經(jīng)著手開發(fā)兩倍于現(xiàn)有工作壓力的GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)工作壓力提高到35Mpa 時(shí)，將是Pressurfect XP 優(yōu)勢(shì)凸顯的時(shí)機(jī)。因?yàn)榈侥菚r(shí)，傳統(tǒng)材料將不再適應(yīng)GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)油管和油軌的需求。在應(yīng)對(duì)同等壓力的條件下，采用Pressurfect XP 制成的管壁厚度最多可減少40%，且降低了應(yīng)力腐蝕開裂的可能性和提高了鋼管的疲勞強(qiáng)度。同時(shí)，釬焊性能也有所提高，只需稍許預(yù)熱，就能裝配噴油嘴或其他組件。 

這些特點(diǎn)，不僅有助于汽車自身輕量化、節(jié)約材料成本，同時(shí)由于油管和油軌重量減輕、壁厚變薄，方便了切割、鉆孔、焊接等加工，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，為包括材料加工、運(yùn)輸、搬運(yùn)在內(nèi)的整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈各方帶來(lái)了諸多便利。 

有報(bào)告稱，目前市場(chǎng)上GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)所占比例約為14%，渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)則為33%。無(wú)論發(fā)動(dòng)機(jī)是否采用渦輪增壓，都可以使用GDI 技術(shù)；如果渦輪增壓配合GDI 技術(shù)一起使用，則可進(jìn)一步提高增壓效果。因此，未來(lái)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)將迎來(lái)GDI 技術(shù)的更大需求。 

為此，山特維克材料科技鎮(zhèn)江工廠已經(jīng)準(zhǔn)備好，為亞太地區(qū)市場(chǎng)生產(chǎn)所需的高性能管材，通過(guò)本地化供應(yīng)和技術(shù)服務(wù)，提高響應(yīng)汽車廠需求的速度。(end)