将山姆大叔带入供应链

菲亚特克莱斯勒公司的一项新发动机计划揭示了一种创新的方法，可以解决创建先进的新材料以提高发动机效率并减轻车辆重量的任务。

该汽车制造商在田纳西州联邦橡树岭国家实验室的工程师的帮助下寻求帮助。

材料开发通常是高级研究的内容-研发部门可能花费数年时间从事的这类工作，却几乎没有获利的结果。

对于FCA的项目，工程师们可以利用Oak Ridge政府科学家已经进行的研究，更快地将新型耐热铝合金推向市场。

当政府资助的计划进入商业引擎时，这种情况很少见。

这种新合金来自一个使用Oak Ridge的Titan超级计算机的项目，其中包括菲亚特克莱斯勒的工程师和来自Nemak North America的铸造专家，Nemak North America是墨西哥的大型发动机缸体和汽缸盖供应商。

发动机设计人员一直都知道，提高发动机的热效率（转化为工作的燃料中所含的能量）是从电动机中获取更多功率和更少排放物的主要关键。

当今大多数批量生产的铝制气缸盖都是由319级和356级合金制成的，它们在高达390华氏度的燃烧温度下开始变弱和变形。某些等级的合金可以承受更高的燃烧温度而不会造成损坏，但是它们价格昂贵并且很难铸造。

Oak Ridge，FCA和Nemak工程师的合作始于2014年，获得了能源合作研究与开发部的350万美元资助。它产生了一种新的铝合金，可使发动机在大约华氏180度的高温下运行，并可在现有的生产机械上铸造。

含义是重大的。

“从广义上看，我们最近开发的发动机具有大约38％的热效率，其中有些是业内最高的。”

Cosworth Group Holdings首席执行官Hal Reisiger

572度

名为16HT的新合金将操作阈值提高到572华氏度。FCA估计，这种新合金的成本仅比319和356合金高出7％。目前尚无将提高多少燃油效率的估计。实际上，FCA甚至还没有宣布哪个发动机将首先使用这种新合金。

但是第一个应用可能是工作量大的小型涡轮增压四缸发动机，它将取代重型车辆中的大型发动机。

菲亚特·克莱斯勒（Fiat Chrysler）现在在重新设计的吉普牧马人（Jeep Wrangler）中推出2.0升涡轮增压发动机。该公司在FCA媒体网站上最近发布的博客中说，这种新合金至少要等几年才能生产。但是Nemak铸造的大约100个原型气缸盖现在正在FCA进行测试。

橡树岭项目的首席研究员阿米特·谢姆（Amit Shyam）表示，这种新合金可以在发动机的其他地方使用，也许可以代替重型铸铁排气歧管或涡轮增压器壳体。但是气缸盖可能是最先使用的，因为其好处是最大的。

他说：“汽缸盖合金是发动机中最苛刻的应用，如果您考虑到铸件比汽缸体小，但由于附有其他零件而更加复杂的事实，”他说。从热机械方面来看，“要求也更高”。头部看到许多热循环。如果解决了这个问题，那将是获得更好发动机材料的重大进步。因此，这就是为什么我们专注于最初用于轻型汽车发动机的气缸盖合金的原因。

大脑大

FCA工程师认为Oak Ridge的Titan超级计算机在突破中发挥了重要作用。

泰坦（Titan）是美国排名第三的超级计算机，它使用了称为“ ICME”的预测性开发过程，该过程是集成计算材料工程的简称。它实际上创造了约50种合金混合物。

然后对计算机进行编程，以“测试”虚拟金属的加热和冷却特性。然后对具有最高潜力的七种混合物进行更严格的测试。

FCA高级动力总成工程高级经理Gregg Black在博客文章中说：“ Titan和ICME让团队只专注于真正有前途的候选人，而不是花时间进行反复试验。”“对于我们来说，这就像《星球大战》中的东西，无需倒入计算机即可在计算机中创建新合金。”

那就是供应商Nemak进来的地方。

该公司在《美国汽车新闻》的“全球最佳零件供应商”中排名第52位，年销售额达45亿美元，是几乎全世界所有主要汽车制造商的主要铸造发动机零件供应商。Nemak还为多家高端汽车制造商制造了一种名为R350的合金，用于制造昂贵的小批量铸件。

Nemak的工程师带来了R350的样品，橡树岭（Oak Ridge）对分子进行了深入研究，以了解该金属如何承受高温而不会破裂，撕裂或变形。

Shyam说：“在头18个月中，我们花了很多钱试图了解使R350正常工作的原因，而我们发现，可以使R350发挥其作用而无需昂贵的元件。”“并不是每个人都认为镍和钴具有更高的耐热性。其他一些元素的数量较少。”

Shyam说，研究人员使用强大的电子显微镜研究了合金在称为沉淀物或增强元素的横截面中的原子分辨率。从此，橡树岭能够开发16HT合金，从而能够铸造。

Nemak的研发经理Jose Talamantes-Silva说，该项目的主要要求之一是必须在现有生产机械上浇铸16HT，这一要求可以节省数百万美元的模具成本。

但是这种新合金又带来了另一个好处：事实证明，它可以替代当今的合金。

塔拉曼特斯说：“可以使用相同的组件。”“在当前的测试中，我们正在使用FCA进行测试，无需更改任何组件。

“这意味着当今的气缸盖上使用的现有垫圈，阀座和导向件，凸轮轴和密封件可以转移到采用新合金铸造的气缸盖上。”

它还节省了数百万的产品开发成本。Talamantes说，Nemak几乎每周都会与FCA会面，以分享有关磁头性能的数据，他预计发动机测试将于12月完成。

Talamantes说，收紧全球排放法规可能会使新合金替代现有的混合物，一旦产量增加，成本就会下降。

Nemak North America在铸造复杂气缸盖和缸体方面的专业知识在新型铝合金的开发中发挥了重要作用。

物质革命

其他供应商的高管表示，诸如新合金之类的创新技术的热效率提高表明，在内燃机让位给电动机之前，还有很多改进工作要做。

Cosworth Group Holdings首席执行官Hal Reisiger说：“如果从广义上看，我们最近开发的发动机具有约38％的热效率，这在业内是最高的。”

他补充说：“如果能达到40％（我们将做到），您的效率将与化石燃料发电站（用于为电动汽车充电）一样。”英国的Cos-worth公司以制造高性能发动机而闻名，最近在底特律郊区开设了新的北美总部。

在排气系统组件（例如催化转化器和消音器）的供应商天纳克公司，首席技术官本·帕特尔（Ben Patel）表示，该行业正处于“材料科学革命之中，这可能会改变汽车的每一部分。”

“当您处理排放物时，热量就是您的朋友。无论是催化转化器还是SCR柴油催化剂，您尝试实现的化学转化都越快，发生的温度就越高。”

“从现在起二十年，甚至可能不到二十年，今天将不存在汽车上的全新材料。”

新合金

新的Oak Ridge合金就是其中一种材料。如今的合金气缸盖依靠硅作为强化成分。但是实验室研究人员发现，铜可以吸收热量而不会变形。

FCA的布莱克说：“当我们专注于铜时，业内其他人几乎笑了我们，说我们永远无法铸造。”“我们知道比赛是有竞争的，包括在橡树岭国家实验室工作的其他团队，但是我们在这方面的表现都超过了所有人。”

该项目产生了四项专利申请，获得批准后将由Nemak，FCA和Oak Ridge国家实验室拥有。

Shyam说，来自这三个组织的大约35个人参与了该项目，每个人都有自己的专业知识。

“这是高度合作的努力。Nemak擅长处理与铸造相关的问题和铸件，以及在铸造生产过程中可以做什么和不能做什么。FCA非常了解发动机运转时会发生什么，会发生什么以及合金需要什么。成功的标准。我们能够带来很多基本的盟友设计专业知识。我们能够带来一些最好的表征工具来解决这个问题。”

Shyam承认，开发这种新合金有些长远。

他说：“我们采取了一种冒险的方式来理解机械方法，而我们一开始并不自信。”

“我们确实认为，未来几年将会制造出许多内燃机，如果我们能够为这些发动机的效率做出贡献，那么这就是您作为应用研究人员所梦想的。国家实验室。”

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