ご存知のように、世界で最も効率的なエンジンは、排気量2.5Lの新しいカムリに搭載されたエンジンであり、TNGAプラットフォームをベースにした最初のエンジンです。エンジンの効率は41％です。
では、このエンジンはどのような技術を使用しており、効率は41％ですか？主な技術は、吸気VVT、排気VVT、アトキンソンサイクル、無限可変オイルポンプ、高圧縮比、EGR、多孔質燃料噴射、低摩擦チェーン、樹脂コーティングベアリング、シリンダーヘッド一体型エキゾーストマニホールドなどです。基本的には、現在使用できる技術はすでに導入されており、究極を達成したと言えます。
限界では、エンジンの効率を一度に1ポイントずつアップグレードする必要があり、これを追加するのは困難です。それは空飛ぶボルトの100メートルのレースのようなものです。あなたは彼に9.58秒から9.4秒に増加させたいと思っています。これは彼にとって基本的に不可能です。9.58秒はすでに彼の全身エネルギーの発生の結果です。
現在、従来の燃料エンジンの効率改善はボトルネック、特に現在の燃料消費量に直面しており、排出規制はますます厳しくなっており、ボトルネックの突破口を見つけることが差し迫っています。
熱効率を改善し続ける方法は本当にありませんか？実際、そうではないかもしれません。
セラミックエンジンは方向性です
19世紀後半にドイツでガソリンエンジンとディーゼルエンジンが発明されて以来、自動車のエンジンは金属でできていました。当時は金属が唯一の選択肢だったので、これは避けられない選択です。金属の高強度、耐熱性、信頼性により、エンジン部品に最適です。
しかし、ボトルネックに遭遇するまで、エンジン技術の継続的な開発があります。金属の特性により、エンジンの上方効率が制限されます。
なんでそんなこと言うの？エンジンの原理は誰にでも明らかです。熱エネルギーを膨張ガスに放出してピストンを押して仕事をするのは、燃料の燃焼です。このプロセスでは、燃料の熱エネルギーの約3分の1だけがピストンを押して作動させます。さらに、熱の大部分はシリンダーライナーからクーラントに伝達され、次に空気に伝達されます。
なぜあなたはそれを冷やしたいのですか？金属の性質上、エンジンのコアコンポーネントは、ピストンリンケージ、シリンダーブロック、およびクランクシャフトです。ピストンはアルミ合金製、トップには耐熱コーティングを施し、クランクシャフトとコンロッドは基本的に鋳鉄と合金鋼です。
アルミニウム合金の極限温度耐性は約350°C、鋳鉄は約450°C、超耐熱合金は約1000°Cです。したがって、これらの金属コア部品の温度が限界温度点より低くなければならないことを確認する必要があります。そうでないと、高温になります。変形、部品の損傷やエンジンのスクラップが発生します。
セラミックエンジンは、上記のすべての問題を解決します。
そして、セラミック材料の特徴は次のとおりです。
- 1.セラミック材料の熱特性は、融点が非常に高く（2000℃以上）、一般金属の融点は約1400℃です。高温での化学安定性に優れ、セラミックの熱膨張係数は金属よりも低い。温度が変化しても、セラミックの寸法安定性は良好です。
- 2.セラミックの硬度は1500HV以上ですが、一般的な合成金属は約400HVです。また、セラミックの断熱性は非常に良好です。このセラミックの特性によると、ピストン、接続ロッド、シリンダーライナー、シリンダーヘッド、その他の頑丈な部品を作るためにセラミック材料を使用すると、エンジンの熱効率が少なくとも35％以上向上します。エンジン効率約70％に達し、Camryエンジンの効率は41％になります。効率改善の原則は、セラミック材料の耐熱温度と断熱性により、ピストンの動作温度が大幅に改善されることです。約1000°Cから約1300°Cで、熱効率が約30％向上します。
- 3.セラミックは約1400°Cの温度で良好な安定性を維持するため、物理的および化学的特性は非常に良好で、変形や腐食はありません。これにより、ピストン、シリンダーライナー、シリンダーヘッドを冷却する必要がなくなります。大規模なエンジン冷却システム、冷却ファン、コンデンサー、ラジエーター、インタークーラー、関連する接続ライン、および冷却液は必要ありません。これらの部品を取り外すことで、車両の重量を約100KG減らすことができます。ピストンの作動温度は300°C以上上昇し、燃料と空気の混合物の燃焼を大幅に促進し、燃焼はより徹底的になります。これは、燃料消費量と排出量に大きな利点があります。
- 4.セラミックは密度が低く、軽量です。従来のアルミニウム合金ピストンと比較して、鋼製のコネクティングロッド、セラミック、およびピストンロッドは、重量を約2倍削減できます。これは避けられず、コネクティングロッドピストンの重量が軽くなり、ピストンとコネクティングロッドの慣性力が2倍になります。ピストンの動作速度を大幅に向上させることができ、出力は少なくとも1/3増加します。これは非常に速いF1にとって非常に良い見通しです。
- 5.セラミックは耐食性があり、高温で酸化しにくく、酸、アルカリ、塩などの耐食性に優れています。この観点から、燃料の選択範囲が大幅に改善され、燃料品質の悪い燃料を選択することができます。
セラミック材料の観点から、セラミックの主成分はケイ酸塩です。主成分はシリコン、アルミニウム、酸素で、地殻元素の総量の90％を占めています。リソースは非常に豊富です。鉄は地殻元素の量の4.75％しか占めていません。
大量生産は可能ですか？
セラミックエンジンは従来の金属エンジンよりも大きな利点があるのに、なぜ普及して大量生産されないのでしょうか。
1990年、中国初の水なしコールドセラミックエンジンが上海で誕生しました。エンジンはセラミック高温耐性と耐摩耗性の特性を十分に活用しました。 11種類のセラミック断熱部品とセラミック摩耗部品を使用しました。 400時間のベンチテストの後、実車の長距離テストが行われ、上海はスムーズに北京に到着しました。
合計724時間のテストと評価の後、最小燃料消費率は213.56 g / km.hであり、これは非常に驚くべき結果です。現在、熱効率の高い1.5L過給直噴エンジンの最低燃費は380g /km.hです。そしてこれは90年代の製品です。
現在、エンジンピストンの上部にもセラミックコーティングが施され、コネクティングロッドにもセラミック部品を使用したアルミニウム製のコネクティングロッドがあり、硬度と耐疲労性が4〜5倍に向上しています。これらの技術はすべてトヨタに適用されています。
これらの実例からわかるように、セラミック技術の開発はエンジン技術の革新を促進します。しかし、人気がない根本的な原因は、もろさです。セラミックが克服できないのは難しい問題です。試験に使用したセラミックエンジンに使用したセラミック材料はすべて高純度の合成材料でできており、精密制御技術によって焼成されています。プロセスが複雑で、コストが高く、脆性は根本的に解決されていません。 。
ただし、新しいテクノロジーがあります。ナノメータ化により、壊れやすいセラミックはプラスチックと同じ靭性を持つことができます。セラミックベースのナノコンポジットでは、ナノ粒子は主にマトリックス内または粒子間に分散しており、その機能は機械的特性を向上させるだけではありません。ナノコンポジットセラミックは、マトリックス材料の強度と靭性を2〜5倍に高め、硬度、強度、および耐疲労性を向上させることができます。
まとめ
ナノセラミックで解決すべき重要な技術的問題はまだたくさんありますが、ナノセラミックの調製は比較的成熟しています。新しいテクノロジーは絶えず出現しています。研究が深まるにつれ、ナノセラミックはより完璧になり、金属を完全に置き換えることができる日が間近に迫っていると思います。近い将来、自動車にナノセラミック技術を使用することで、自動車革命が始まると思います。
