汽车发动机轻量化材料的应用和展望

郑海彤

摘 要：汽车轻量化不仅是汽车工业发展的方向，同时，也是汽车节能减排的重要措施之一。作为汽车“心脏”的发动机，其轻量化不仅能够降低发动机制造成本，而且也是降低汽车使用能耗的重要手段。该文主要从发动机材料方面分别阐述了铝及铝合金、镁及镁合金、钛及钛合金等轻质金属合金材料和塑料、陶瓷等轻量化材料的特性，轻量化材料在提升汽车发动机性能方面的作用以及在目前汽车发动机中的应用现状，并结合材料科学发展趋势，进一步提出汽车发动机轻量化材料的发展方向。

关键词：发动机 轻量化 材料

中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（c）-0233-01

近年来，为了满足低燃油消耗、低污染的要求，汽车厂商在发展油电混合动力甚至纯电动汽车的同时，也在积极研发新材料，以实现汽车轻量化的目的。而被称为汽车心脏的发动机，也成为了轻量化过程中的关键部分。在不影响汽车整体性能和强度的前提下，作为具有代表性的轻量化材料，铝、镁、钛等轻质合金、塑料、陶瓷材料在汽车中的应用比例渐渐增加，能够有效地减轻各零件质量，提高发动机的输出功率和操纵性，并减少燃油消耗，降低污染排放。因此，轻量化材料的应用成为了各国汽车厂商研究的重中之重。

1 铝及铝合金的应用

随着生产工艺水平的不断提高，作为地球上储量最丰富的金属元素，铝及铝合金在发动机上的应用不断增加，并对汽车轻量化起到了十分显著的效果。铝及铝合金和于传统的钢铁材料相比，有着低密度、高导热、耐腐蚀的特点。有研究表明，在汽车上每使用1 kg铝或铝合金，就能使自重降低2.25 kg，并且在汽车整个使用周期内，减少20 kg的尾气排放。而铝质汽缸盖、铝质发动机缸体、铝质进气歧管等铝质零件的应用，能够使发动机的重量降低30%～40%。同时，由于铝及铝合金本身具有的高导热和耐腐蚀的特点，能使发动机压缩比得到进一步提高，并减少热应力，从而提高发动机功率。另一方面，铝也是能够大量回收利用的金属材料之一，这也为降低生产成本，减少环境污染提供了可能。

虽然含有铝及铝合金的发动机有着重量低、功率高、污染小等优点，但同时也面临着一些问题。其中最主要的就是由于成本较高，铝质缸体发动机中有一部分仍然要使用铸铁材料，而两种材料受热后热膨胀率的不同，导致了变形量不同，即变形一致性的问题。如何解决这个问题，成为了各大汽车厂商特别关注的问题。

2 镁及镁合金的应用

镁及镁合金是开发潜力最大的金属结构材料之一。镁合金具有密度低、质量轻、比强度高、减震性能好、导热导电性能好、工艺性能好等许多优点，这使得镁合金能够在满足强度要求的前提下，为发动机缸体提供更好的散热性能和更高的加工精度。现阶段镁及镁合金在汽车中的应用主要是压铸件，比厚最小可达0.5mm，能够制造各类汽车压铸件。

近年來，欧美等国家先后研制出了许多高强度、抗蠕变镁合金，如Mg-Al-Ca和Mg-Al-Ca-Re，和以MRI-201S、MRI202S、MRI-203S为代表的高温镁合金，这些镁合金被用来大量制造各类汽车零部件。据统计，北美地区已有100余种镁合金汽车零部件正在使用和研制的过程中，而欧洲地区也有60余种。反观我国，汽车镁及镁合金的应用主要的问题是：自主创新产品少，大多数牌号都是仿制国外产品；技术不够成熟，难以满足精度要求；对镁及镁合金的性能研究不透，经验不足；镁制品中往往含有大量杂质和有害元素，并且没有统一的检测标准。

为了充分发挥我国镁资源储量丰富的优势，国家已投入了大量科研经费，对镁及镁合金的生产制备、处理工艺进行试验和研究，并已经取得了一系列技术和工艺的突破，预计以后镁及镁合金的应用会得到极大地发展。

3 钛及钛合金的应用

钛及钛合金有着优异的综合性能，是21世纪最重要的新型结构材料之一。钛的密度是4.51g/cm3，介于铝和铁之间；熔点高达1660℃；抗拉强度高，几乎与超高强度钢相当；工作温度范围大，在-250℃～550℃之间都能保持良好的塑性。因此，近年来钛及钛合金在航空、造船、汽车、生物医疗等行业的应用和发展越发广泛。

目前，受困于成本的制约，钛及钛合金在汽车发动机上的应用主要集中于发动机阀门、弹簧和连杆等零部件，和高强度钢相比，钛合金能降低20%的零部件重量，并在一定程度上提高发动机性能。

现阶段，钛及钛合金应用面临的最大问题是成本过高，这严重制约了钛及钛合金的发展和应用，如何降低生产成本就成为了研究的重点方向。相信随着汽车轻量化进程的不断深入，钛及钛合金必定会起到更为重要的作用。

4 机用塑料零件的应用

从进气系统、冷却系统到发动机部件，塑料零件都占据着一定的地位。机用塑料零件的应用，使得发动机系统的设计、装配和维修都更加容易，同时也节约了生产资料，降低了发动机重量，减小噪音，极大地改善了发动机的整体性能。目前为止，发动机的进气歧管、燃油管、调速阀、气门室罩盖、燃油箱、油门踏板等零部件都可以用塑料来进行制造，它们都具有重量轻、耐腐蚀、不易变形、成型方便、成本低廉的优点。

5 陶瓷材料的应用

陶瓷材料在汽车发动机上有着十分广泛的应用。例如，由于陶瓷材料质量较轻，在涡轮增压器中用陶瓷涡轮取代金属涡轮，能够显著改善“涡轮滞后”现象，并且陶瓷材料在高温下也能保持良好的工作状态，因此能够使涡轮增压器的性能得到提高。此外，用陶瓷材料制作的活塞、汽缸套、气门等零部件，能使机热效率达到50%，最大输出功率提高33%，同时也起到了减少磨损，延长使用寿命的作用。

6 结语

综上所述，铝、镁、钛合金以及塑料、陶瓷材料在汽车发动机中的应用，都能够达到汽车轻量化、提高汽车性能的目的。而目前，在汽车发动机中应用最广泛的是铝及铝合金材料。虽然镁、钛合金相比于铝及铝合金有其自身的优势，但由于生产成本的制约，镁、钛合金等新型结构材料并未成为主要的轻量化材料。同时，随着生产工艺的进步，塑料、陶瓷材料在汽车发动机中的应用也呈现逐渐增加的态势。相信通过材料制备方法的不断改进，这些轻量化材料一定能在未来的汽车工业中占据更重要的地位。

参考文献

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