汽車發動機輕量化材料的應用和展望

鄭海彤

摘 要：汽車輕量化不僅是汽車工業發展的方向，同時，也是汽車節能減排的重要措施之一。作為汽車“心臟”的發動機，其輕量化不僅能夠降低發動機制造成本，而且也是降低汽車使用能耗的重要手段。該文主要從發動機材料方面分別闡述了鋁及鋁合金、鎂及鎂合金、鈦及鈦合金等輕質金屬合金材料和塑料、陶瓷等輕量化材料的特性，輕量化材料在提升汽車發動機性能方面的作用以及在目前汽車發動機中的應用現狀，并結合材料科學發展趨勢，進一步提出汽車發動機輕量化材料的發展方向。

關鍵詞：發動機 輕量化 材料

中圖分類號：U464 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（c）-0233-01

近年來，為了滿足低燃油消耗、低污染的要求，汽車廠商在發展油電混合動力甚至純電動汽車的同時，也在積極研發新材料，以實現汽車輕量化的目的。而被稱為汽車心臟的發動機，也成為了輕量化過程中的關鍵部分。在不影響汽車整體性能和強度的前提下，作為具有代表性的輕量化材料，鋁、鎂、鈦等輕質合金、塑料、陶瓷材料在汽車中的應用比例漸漸增加，能夠有效地減輕各零件質量，提高發動機的輸出功率和操縱性，并減少燃油消耗，降低污染排放。因此，輕量化材料的應用成為了各國汽車廠商研究的重中之重。

1 鋁及鋁合金的應用

隨著生產工藝水平的不斷提高，作為地球上儲量最豐富的金屬元素，鋁及鋁合金在發動機上的應用不斷增加，并對汽車輕量化起到了十分顯著的效果。鋁及鋁合金和于傳統的鋼鐵材料相比，有著低密度、高導熱、耐腐蝕的特點。有研究表明，在汽車上每使用1 kg鋁或鋁合金，就能使自重降低2.25 kg，并且在汽車整個使用周期內，減少20 kg的尾氣排放。而鋁質汽缸蓋、鋁質發動機缸體、鋁質進氣歧管等鋁質零件的應用，能夠使發動機的重量降低30%～40%。同時，由于鋁及鋁合金本身具有的高導熱和耐腐蝕的特點，能使發動機壓縮比得到進一步提高，并減少熱應力，從而提高發動機功率。另一方面，鋁也是能夠大量回收利用的金屬材料之一，這也為降低生產成本，減少環境污染提供了可能。

雖然含有鋁及鋁合金的發動機有著重量低、功率高、污染小等優點，但同時也面臨著一些問題。其中最主要的就是由于成本較高，鋁質缸體發動機中有一部分仍然要使用鑄鐵材料，而兩種材料受熱后熱膨脹率的不同，導致了變形量不同，即變形一致性的問題。如何解決這個問題，成為了各大汽車廠商特別關注的問題。

2 鎂及鎂合金的應用

鎂及鎂合金是開發潛力最大的金屬結構材料之一。鎂合金具有密度低、質量輕、比強度高、減震性能好、導熱導電性能好、工藝性能好等許多優點，這使得鎂合金能夠在滿足強度要求的前提下，為發動機缸體提供更好的散熱性能和更高的加工精度。現階段鎂及鎂合金在汽車中的應用主要是壓鑄件，比厚最小可達0.5mm，能夠制造各類汽車壓鑄件。

近年來，歐美等國家先后研制出了許多高強度、抗蠕變鎂合金，如Mg-Al-Ca和Mg-Al-Ca-Re，和以MRI-201S、MRI202S、MRI-203S為代表的高溫鎂合金，這些鎂合金被用來大量制造各類汽車零部件。據統計，北美地區已有100余種鎂合金汽車零部件正在使用和研制的過程中，而歐洲地區也有60余種。反觀我國，汽車鎂及鎂合金的應用主要的問題是：自主創新產品少，大多數牌號都是仿制國外產品；技術不夠成熟，難以滿足精度要求；對鎂及鎂合金的性能研究不透，經驗不足；鎂制品中往往含有大量雜質和有害元素，并且沒有統一的檢測標準。

為了充分發揮我國鎂資源儲量豐富的優勢，國家已投入了大量科研經費，對鎂及鎂合金的生產制備、處理工藝進行試驗和研究，并已經取得了一系列技術和工藝的突破，預計以后鎂及鎂合金的應用會得到極大地發展。

3 鈦及鈦合金的應用

鈦及鈦合金有著優異的綜合性能，是21世紀最重要的新型結構材料之一。鈦的密度是4.51g/cm3，介于鋁和鐵之間；熔點高達1660℃；抗拉強度高，幾乎與超高強度鋼相當；工作溫度范圍大，在-250℃～550℃之間都能保持良好的塑性。因此，近年來鈦及鈦合金在航空、造船、汽車、生物醫療等行業的應用和發展越發廣泛。

目前，受困于成本的制約，鈦及鈦合金在汽車發動機上的應用主要集中于發動機閥門、彈簧和連桿等零部件，和高強度鋼相比，鈦合金能降低20%的零部件重量，并在一定程度上提高發動機性能。

現階段，鈦及鈦合金應用面臨的最大問題是成本過高，這嚴重制約了鈦及鈦合金的發展和應用，如何降低生產成本就成為了研究的重點方向。相信隨著汽車輕量化進程的不斷深入，鈦及鈦合金必定會起到更為重要的作用。

4 機用塑料零件的應用

從進氣系統、冷卻系統到發動機部件，塑料零件都占據著一定的地位。機用塑料零件的應用，使得發動機系統的設計、裝配和維修都更加容易，同時也節約了生產資料，降低了發動機重量，減小噪音，極大地改善了發動機的整體性能。目前為止，發動機的進氣歧管、燃油管、調速閥、氣門室罩蓋、燃油箱、油門踏板等零部件都可以用塑料來進行制造，它們都具有重量輕、耐腐蝕、不易變形、成型方便、成本低廉的優點。

5 陶瓷材料的應用

陶瓷材料在汽車發動機上有著十分廣泛的應用。例如，由于陶瓷材料質量較輕，在渦輪增壓器中用陶瓷渦輪取代金屬渦輪，能夠顯著改善“渦輪滯后”現象，并且陶瓷材料在高溫下也能保持良好的工作狀態，因此能夠使渦輪增壓器的性能得到提高。此外，用陶瓷材料制作的活塞、汽缸套、氣門等零部件，能使機熱效率達到50%，最大輸出功率提高33%，同時也起到了減少磨損，延長使用壽命的作用。

6 結語

綜上所述，鋁、鎂、鈦合金以及塑料、陶瓷材料在汽車發動機中的應用，都能夠達到汽車輕量化、提高汽車性能的目的。而目前，在汽車發動機中應用最廣泛的是鋁及鋁合金材料。雖然鎂、鈦合金相比于鋁及鋁合金有其自身的優勢，但由于生產成本的制約，鎂、鈦合金等新型結構材料并未成為主要的輕量化材料。同時，隨著生產工藝的進步，塑料、陶瓷材料在汽車發動機中的應用也呈現逐漸增加的態勢。相信通過材料制備方法的不斷改進，這些輕量化材料一定能在未來的汽車工業中占據更重要的地位。

參考文獻

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