汽車發(fā)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(yè)發(fā)展的方向，同時，也是汽車節(jié)能減排的重要措施之一。作為汽車“心臟”的發(fā)動機，其輕量化不僅能夠降低發(fā)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(fā)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(fā)動機性能方面的作用以及在目前汽車發(fā)動機中的應用現(xiàn)狀，并結合材料科學發(fā)展趨勢，進一步提出汽車發(fā)動機輕量化材料的發(fā)展方向。

關鍵詞：發(fā)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(fā)展油電混合動力甚至純電動汽車的同時，也在積極研發(fā)新材料，以實現(xiàn)汽車輕量化的目的。而被稱為汽車心臟的發(fā)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(fā)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(fā)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(tǒng)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(fā)動機缸體、鋁質進氣歧管等鋁質零件的應用，能夠使發(fā)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(fā)動機壓縮比得到進一步提高，并減少熱應力，從而提高發(fā)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(huán)境污染提供了可能。

雖然含有鋁及鋁合金的發(fā)動機有著重量低、功率高、污染小等優(yōu)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(fā)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(fā)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(yōu)點，這使得鎂合金能夠在滿足強度要求的前提下，為發(fā)動機缸體提供更好的散熱性能和更高的加工精度?，F(xiàn)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(tǒng)計，北美地區(qū)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(qū)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(chuàng)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(tǒng)一的檢測標準。

為了充分發(fā)揮我國鎂資源儲量豐富的優(yōu)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(fā)展。

3 鈦及鈦合金的應用

鈦及鈦合金有著優(yōu)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(yī)療等行業(yè)的應用和發(fā)展越發(fā)廣泛。

目前，受困于成本的制約，鈦及鈦合金在汽車發(fā)動機上的應用主要集中于發(fā)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(fā)動機性能。

現(xiàn)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(fā)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(tǒng)、冷卻系統(tǒng)到發(fā)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(fā)動機系統(tǒng)的設計、裝配和維修都更加容易，同時也節(jié)約了生產資料，降低了發(fā)動機重量，減小噪音，極大地改善了發(fā)動機的整體性能。目前為止，發(fā)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(yōu)點。

5 陶瓷材料的應用

陶瓷材料在汽車發(fā)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(xiàn)象，并且陶瓷材料在高溫下也能保持良好的工作狀態(tài)，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(fā)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(fā)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(yōu)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(fā)動機中的應用也呈現(xiàn)逐漸增加的態(tài)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(yè)中占據更重要的地位。

參考文獻

[1] 羅鷹.鋁、鎂、鈦合金材料在汽車發(fā)動機中的應用[J].上海汽車，2009（3）：43-45.

[2] 朱正德.實現(xiàn)發(fā)動機輕量化的技術途徑及實際應用[J].汽車與配件，2013（7）：30-31.

[3] 周巧玲.淺談汽車發(fā)動機的輕量化[J].科技資訊，2011（35）：128-129.