汽车发动机材料动态

１．现代车用发动机材料的发展趋势

随着公路建设的发展，交通管理条件的改善，汽车性能的提高，汽车平均行驶速度增大，高速行驶越来越多。汽车不单自身处在高速运动状态下，而且汽车的各种运动零部件就更处在高速运动之中。这就对汽车的各种零部件，提出了各种严苛的要求。

近年来 现代汽车及其发动机逐步向轻量化方向发展 轻量化的材料具有代表性的有轻金属、高弹力钢、塑料等。在构成材料中，这些材料所占有的比例渐渐增加。特别是美国被日本和欧洲制小型车占据了市场以后，在汽车的小型轻量化方面投入了巨大的研究开发费用，以与外国汽车公司相抗争，根据通用汽车公司的战略，今后将转向使用铝和塑料的轻量化材料。在这之前，有很多例追求轻量化极限的车样，例如菲亚特ＶＳＳ车发动机罩盖使用与聚酯和塑料的特性相适应的材料。以塑料复合材料为主体的复合式发动机在美国汽车公司已试制成功。这种发动机的特性是大量使用玻璃纤维和碳纤维增强环氧、聚酰亚胺、聚酰亚胺基树脂７７ｋｇ，占全体的６５％，金属部件仅用于缸套、曲轴、凸轮轴、阀弹簧、排气阀、燃烧室等。

在构造上，波尔舍和奔驰汽车公司采用五构件发动机，用螺栓、衬垫、粘合剂将２８个复合材料板粘合在一起，因此，福特用发动机２３００ｍＬ有１８７ｋｇ，但试制发动机已被大幅度减轻７６ｋｇ，而且这种发动机在３０００ｒ／ｍｉｎ全负荷条件下能连续运转１００ｈ，有足够的实用性。各汽车制造厂和研究所对轻型新材料研究虽十分盛行，但对大批量生产还存在成本平衡问题。在汽车界价格激烈竞争的情况下，轻量化带来的成本提高是不容易得到认可的。要进行轻量化，有必要用铝和塑料来代替铸铁和钢板，但同时成本也要上升，特别是轻量化２０％以上，将带来成本大幅度提高是不容质疑的。为此，实施轻量化，应尽可能降低成本的提高，是设计者们的目标，如凯迪拉克和别克发动机的油底壳，原采用深冲压钢板，制造时不得不将其分成两部分再作焊接，但改用成型性良好的尼龙，并将它热压成型一体化，就可避免成本的提高，从而达到轻量化的目的。

２．机用塑料零件

塑料在汽车发动机的制造中扮演着重要的角色。从空气进气系统、冷却系统到发动机部件，塑料不仅使发动机系统更容易设计和装配，而且也使发动机重量更轻。聚酰胺和ＰＰ可用来制造空气的净化系统，从不洁空气中分离出尘埃和微粒。近来生产的输气管和节流阀已使用了ＰＢＴ，制造的塑料摇杆、封盖合二为一，这不仅节约了制造材料和装配成本，也减轻了发动机的重量，有益于整个发动机的轻量化和提高燃料的利用率。塑料吸进管几乎全部由ＰＡ构成。ＰＡ表面光滑平整，在使汽车功能最大化的同时，能有效地降低噪音和震动。塑料在汽车输油管的应用中也有着重要的意义。塑料燃油管成本低、并具有耐腐蚀、质轻、形状稳定的特点。为了开发新一代空气、燃气混合舱，可采用更多的塑料部件，包括空气净化器、电子控制装置、燃料管、喷射头、模拟压力传感器、气体温度传感器、压力调节器、节流阀等零部件可配置成一个部件单位，因而方便了汽车装配，降低了装备成本。

对发动机零件来说，采用塑料调速阀是一项革新。塑料电子调速阀被用来代替目前的机械调速阀。发动机的机油盘由乙烯基酯树脂和ＰＡ制成，可以制造包括气流盘、垫圈、过滤器和对接传感器等整体的、容易装配的组件。由于冷却技术的

革新，以及塑料在散热板中的应用，散热片比以前更轻，塑料的可塑性使散热片小巧而美观 塑料的高耐腐蚀性有利于阻止塑料散热器泄漏，用的材料就是ＰＡ。由于ＰＡ耐高温的特性，可使散热器的底盘保持完整而不会产生任何的弯曲，不会减少散热器的气体流动。ＰＡ的轻质和易伸缩性使散热片底盘可由更小的部件组成，因而可以减轻整体质量。由ＰＰ制成的散热片和由ＰＡ制成的底盘特点相似，目前在制造中都比较流行。另外，ＰＡ和聚苯硫醚ＰＰＳ 都有很强的耐腐蚀性和耐高压的性能，是水泵的理想材料。

利用塑料的质轻、防锈、吸振、设计自由度大的特点，汽车发动机有关的塑料结构件在９０年代取得了长足的进步，而且是今后重点发展方向之一。塑料制品不仅能够减少零件质量，在降低噪音方面也起到很好的作用。生产厂家应利用塑料制品成型的特点，尽量使多个零件一体化，减少零件的数目，设法达到一次成型复杂零件的目的。

发动机零部件塑料化的开发和发展可以分成两大类。一个是替代金属件的注射成型制品，另一个是聚烯烃、尼龙等的吹塑成型制品。前者是以速度表齿轮、油泵齿轮等的塑料化开始，最近发展的发动机气缸盖、皮带轮罩、冷却风扇、发动机进气歧管等，后者是２０％ＣＴＦ 玻璃纤维 增强ＰＡ６和ＰＡ１１弹性体２种材料一体成型的连接管等。到目前为止发动机零部件开发中最引人注目的是塑料进气歧管和油门脚踏板。

发动机进气歧管欧洲部分车型的发动机进气歧管由塑料制成。进气歧管塑料化的目的是减轻零件质量之外，塑料管内表面比铸铁或铸铝件内表面光滑，因此空气流动阻力小，从而提高发动机的性能。其次利用塑料的隔热性能提高燃烧效率，能够降低油耗，减少排放污染物。另外塑料的振动衰减效应好，因此塑料歧管的减振和降噪效应好。塑料进气歧管的成型，大部分用低熔点合金芯子法，但其设备投资太大，阻碍着大面积推广使用。形状不太复杂的进气歧管可以分割成几个件，分别注射成型之后采用振动焊接的方法来完成制品的生产，但存在可靠性差、焊接部位留下毛刺等缺点。日本富士重工开发了一种吹塑成型和注射成型相结合的方法。即事先把吹塑成型的三维形状芯子固定在注射机中，其外部低压注射塑料而完成制品的生产。

散热器为了减轻质量，提高耐腐蚀性和节约铜材，散热器上下水管材料逐渐由塑料取代铜材。塑料水管目前一般采用３０％ＧＦ增强的ＰＡ６６，注射成型，并以机械方式与散热器接合，通过橡胶密封圈使接合面上达到密封的目的，同时起着防振作用。材料要求耐热水、耐长效防冻液、耐蠕变、耐疲劳、耐振动、不变形等。

油门和离合器脚踏板塑料制成的汽车油门和离合器脚踏板，在欧洲汽车上已开始使用。我国生产的捷达轿车油门脚踏板是由３０％ＧＦ增强的ＰＡ６６注射成型。塑料制品钢板焊接而成的金属脚踏板相比有许多优点，塑料脚踏板成本低，减轻质量５０％～７５％，吸振性好。塑料脚踏板是整体结构，运动间隙小，灵敏度高。将来的发展趋势是油门、离合器、制动脚踏板联成一体的塑料制品。

发动机气门室罩盖塑料发动机气门室罩盖的优点成型方便、成本低、质量。塑料发动机气门室罩比金属制品成本降低３０％，减轻质量５０％，而且降低噪音。塑料材料可选用玻璃纤维和矿物填料混合增强的ＰＡ６６或ＰＥＴ。这些材料具有低翅曲、热稳定、高抗冲、尺寸稳定的特点。目前国内生产的奥迪Ｃ３Ｖ６发动机气门室罩就是塑料注射成型的。

燃油箱用户对汽车的要求越来越高，如舒适的车内空间、平稳的行驶性、宽

大的后货箱等，其结果是装油箱的地方只有留下一块形状复杂的有限空间。因此，燃油箱的形状变得很复杂，传统的铁油箱难以制造复杂的形状，既便能制造也

需要很多的加工工序，并提高制造成本。目前，已采用吹模法制造塑料燃油箱。

塑料燃油箱的主要优点是设计自由度大，可充分利用空间、质量轻，耐腐蚀性好

，尤其是遇到含甲醇汽油以及含氧元素的燃料情况下，更能显出塑料油箱的耐腐

蚀性。塑料燃油箱能够吹塑一体成型，因此大大提高生产效率，降低成本。

国内商业化的塑料油箱大多数是采用超高分子量聚乙烯吹塑成型的单层油箱

，满足欧洲规定的ＥＣＥ３４规定，即燃油箱的汽油渗透量不允许超过２ｇ／２

４ｈ。但美国规定的是整车挥发的碳氢化合物气体量不能超过２ｇ／２４ｈ，因

此发展了多层塑料油箱技术和其他阻隔技术。日本和德国的复合吹塑机能够生产

出五层塑料，即多层塑料油箱，其汽油渗透量不超过２ｇ／２４ｈ。

燃油蒸发污染控制装置 碳罐 随着环境保护要求的提高，我国也从１９９

８年开始实行限制汽车燃油蒸发排放污染量，目前世界上普遍采用燃油蒸发污染

控制装置 碳罐 来解决。碳罐实际上是在塑料罐里装着活性碳的一种装置，安

置在燃油箱和发动机之间，吸附汽车停驶时从燃油箱蒸发出来的油气，从而防止

排放到大气中去，当发动机工作时 被吸附的油气再吸收到发动机中去。罐体材

料要求耐发动机室的高温 并具有很好的熔焊性能及耐油性能，因此一般采用尼

龙－６材料。

３．机用轻合金材料零件

现代汽车越来越多地使用轻合金材料。如铝质发动机体、铝质缸盖、铝质进

气歧管、铝皮车身、铝质制动鼓，甚至还有铝车架等。总的发展趋势是将铸铁件

用铝来代替。据国外经验每公斤铝约能代替２．２５～２．５ｋｇ铸铁。所以大

量采用铝制件是减轻汽车质量的一个方面。除铝制件外，汽车用镁合金制件也越

来越引起人们注意。镁在汽车上的应用已有４０多年的历史，它比铝更轻。近年来，已用镁合金制造曲轴箱壳、各种阀体、盖板、衬套等多种零件。

由于铝的比重只有铁的１／３，由铁向铝转换也比较容易，所以把活塞、进气支管、气缸盖、盘轮等都采用了重量轻的铝合金。美国和欧洲的车用发动机油箱等 也将钢板改用为铝合金。但在日本，主要使用的是钢板和塑料，这是因为欧美等国和日本的铝价格差异较大。因此，未来汽车的材料构成比例中，欧美地区的铝将成为主要比率 铝是轻量化首选材料。

铝汽缸体、汽缸盖在现代车用发动机上可见，铝汽缸体有全铝型和缸孔中嵌入铸铁缸套型。为降低成本和更进一步轻量化，提倡采用全铝型。对此开发耐活塞环滑动，耐磨性优良的铝合金是十分必要的。美国ＧＭ公司采用全铝缸套，法国车的铝汽缸盖已达１００％，铝汽缸体已达４５％。美国福特公司ＮＧＴ货车发动机汽缸盖、Ｚｅｔａ４缸机、ＭｏｄｕｌａｒＶ６／Ｖ８机、克莱斯勒公司新Ｖ６发动机缸体和缸盖都使用铝合金材料。克莱斯勒公司Ｊｅｅｐ吉普５缸机、３．８ＬＶ６和道奇货车发动机改用铝合金缸盖。日本的日产汽车公司Ｎｉｓｓａｎ在Ｍａｘｉｍａ麦克西马车上使用了新型的ＶＱ系列Ｖ６发动机，其特点是在制造这种发动机的铸铝缸体时，使用了高压模铸工艺ＨＰＤＣ。这种工艺可改善浇注，增加强度，尤其适于薄壁汽缸，该缸体比原来的缸体轻５０％以上。此外，在动力系统中使用铝材的零部件还在扩大。在日本和欧洲的发动机中使用铸铝油底壳 可改善刚性结构、降低ＮＶＨ。日产公司ＶＱ和丰田公司的Ｌｅｘｕｓ凌志ＩＭＺ－ＦＥＶ６发动机均使用了铸铝油底壳。通用公司也在５．７ＬＣｏｒｖｅｔｔｅＶ８发动机上使用这种油底壳。此外，日产公司ＶＱ汽缸还采用了铝气门挺杆。由于铝的再生效果显著，本田公司在美国的制造厂还将回收铝

用于发动机零件的制造上。

铝散热器汽车的冷气设备 冷凝器、蒸发器 、机油冷却器、散热器、暖风设备等热交换器中的冷凝器、蒸发器、空冷式机油冷却器几乎１００％的用铝制造。铝散热器的难点是耐久性和散热能力。耐久性主要是因腐蚀而漏水的问题。其原因是冷却液引起的内部腐蚀和盐类引起的外部腐蚀。向冷却水中添加防锈剂可防止内部腐蚀 对于盐类引起的外部腐蚀可采用表面处理和耐蚀合金来防止。钛合金连杆Ｔｉ－６Ａ１－４Ｖ已用于摩托车和四轮电动车的连杆上，比钢制连杆轻１５％～２０％。意大利的新型法拉利Ｆｅｒｒａｒｉ３．５ＬＶ８与Ａｃｕｒａ的ＮＳＸ发动机首次使用了钛合金连杆。

钛合金发动机气门用Ｔｉ－６Ａ１－４Ｖ等制成的气门比钢制气门轻３０％～４０％，可提高极限转速２０％。排气门因采用了Ｔｉ－２４Ｓｉ合金提高了高温强度，但排气温度在７５０℃以上时，强度、抗氧化性不稳定。

钛合金弹簧类Ｔｉ－１３Ｖ－１１Ｃ－３Ａｌ等合金的开发，可用于发动机气门弹簧上。

耐热钢、耐热合金耐热材料主要用于燃烧室的高温部位 柴油机的预燃室等 和排气系统。此外，由于触媒转换器和涡轮增压器的普及，其使用量不断增加。

４．机用合金钢材零件

排气系统材料作为排放法规的对策，采用触媒转换器的汽车不断增多。高温下工作的氧化触媒载体必须用耐高温的耐热材料。一般的说，触媒转换器的圆锥部位采用ＦＣＤ４５的高硅材料、平面光滑部位采用与排气管相同的ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４０９等。触媒支撑 缓冲垫、波纹型筛网 材料采用铬镍铁耐热耐

蚀合金７５０、６０１等。排气歧管一般采用普通铸铁，随着排气温度的升高，改用Ｓｉ３．５％～４．５％的耐热铸铁。排气管接头靠近发动机，热冲击大。目前，多数厂家使用耐热不锈钢ＦＣＤ４５及其改进钢种。为了轻量化和美观的要求，正在考虑用压制成形件取代铸钢件，可采用热胀系数小且具有高温强度的钢种，以高温强度为主时，则选用奥氏体不锈钢。挠性管承受７００℃以上排气的热冲击，其管子外表面温度高达６００℃～７００℃，极易产生ＮａＣｌ引起的高温腐蚀问题，采用耐高温抗蚀性强的高Ａｌ钢和高Ｓｉ钢 成形性、焊接性优良的奥氏体不锈钢，板厚仅为０．２～０．３ｍｍ。

触媒反应器和排气管合金应具有优良的高温抗氧化性、成形性和焊接性。１１－１３Ｃｒ铁素体不锈钢 其厚度为１．０～２．０ｍｍ的板材和带材已被大量采用。反应器中的触媒载体，目前有用陶瓷蜂巢状，但为了缓冲目的，用耐热性优良的细丝编成金属网将其包住。近年来，由于金属蜂巢型触媒载体，因耐冲击性高、排气背压低、可小型化而受到青睬。它一般制成二层或三层结构，外侧温度在５００℃以下时可用镀铝钢板。但为降低成本和防锈目的，有用单板和单管制造的倾向。具有较高耐蚀性的１８Ｃｒ系铁素体不锈钢受到重视。

消声器所用材料是镀铝钢板和减振钢板。消声器内的管子和挡板采用镀铝钢板 也有采用不锈钢板的倾向，这是为了适应其结构从二层或三层向单层板转化的需要。一般轻型或微型车的尾管，采用低碳钢或涂有耐热涂料的钢 也有的使用镀铝钢和不锈钢。

发动机进气门采ＳＵＨ１１气门杆端部通过淬火来提高耐磨性。排气门主要使用２１－４Ｎ ＳＵＨ３５、３６，为提高气门表面耐蚀、耐磨、耐烧蚀等性能，一般涂覆″司太立硬质合金″。高功率车的排气门则采用钴系合金 铁钨铬

钴硬质合金 ，但由于钴价格昂贵，有用镍合金代用的倾向。

５．机用铸铁材料的零件

常见灰口铁 普通铸铁 用于汽缸体、排气歧管、飞轮、摇臂支承、皮带轮、主轴承盖等重视刚性的零件；球墨铸铁是一种成本低的强韧铸铁 主要用于曲轴、气门摇臂等重视韧性的零件。合金铸铁通过添加Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ等提高强度、耐磨性，主要用于凸轮轴、气门杆挺等耐磨零件。曲轴有从锻件向铸件转化的趋势，这不仅降低了成本，还可通过铸造实现中空，达到轻量化效果。而且转向节也由锻钢改由球墨铸铁制造。作为排放对策之一是提高排气温度，提高排气系统零件的耐热性 以降低排放 排气系统零件必须保证高品质。排气歧管采用耐热性优良的加硅球墨铸铁。涡轮增压器壳则采用含较多镍的耐蚀高镍铸铁 该铸铁耐蚀性、铸造性优良且强度高。

６．陶瓷基复合材料

在车用发动机上陶瓷基复合材料尤其有着广泛的应用。如活塞部分采用陶瓷材料后，可使燃烧室中实现部分隔热，从而减少冷却系统的容量和尺寸。在高强度柴油机中可有效降低活塞环槽区的温度，有时可取消对活塞的专门冷却。由于陶瓷材料的质量较轻 配气机构中的气门、挺柱、摇臂及弹簧座改用陶瓷后，允许发动机以提高转速来提高功率，或者在转速不变的情况下降低气门弹簧的弹力而降低功率损耗。气门座、摇臂头等易磨损部件用陶瓷材料后，可以减少磨损，延长使用寿命。在柴油机的涡流室安装陶瓷镶块后，改善了发动机低负荷时的燃烧，也改善了低温启动性能，降低了燃烧噪声和ＨＣ的排放量。涡轮增压器零件中使用陶瓷最普遍的是增压器涡轮，与金属涡轮相比，陶瓷涡轮质量轻，转动惯量仅为金属涡轮的３１％，“涡轮滞后”现象得以改善，使增压器的动态性能提

高了３６％，能在金属涡轮不能承受的高温下工作，并且由于热膨胀系数小，预

先减小涡壳与蜗轮之间的间隙以提高效率。此外，气缸盖、活塞销以及排气管等

皆可用陶瓷来制造。

７．橡胶软管

橡胶软管胶管 ，是用来输送流体的连接软管，在汽车有限的空间配管，要求有好的挠性，易装配。为了防止胶管膨胀并有耐压性能，胶管有加强层以增加其刚性，保证管内流体畅通。胶管按输送流体的种类不同可分五种 水管、燃油管、空气管、刹车管、一般油管。汽车用胶管包括燃油管、制动软管、动力转向管以及各种变形水管。ＮＢＲ、ＡＣＭ、ＣＳＭ氯磺化聚乙烯、ＣＯ均聚型氯醚橡胶，都具有良好的耐油性、气密性和耐磨性，均可作为汽车软管的内层胶。胶管是由内外胶层和骨架层组成的中空管状制品，骨架层大多是纺织物，也有用金属制的。胶管广泛用来输送各种气体、液体；粘流体、粉粒及块状物体等。常见胶管的选材：胶管有纯胶管、织物层胶管以及多织物层胶管，在织物层中还有中间胶层。随着含氧元素燃料的增加，胶管已开始采用低渗透性的ＣＳＭ、氟硅胶来取代ＮＢＲ，外层大多采用耐候性优良的ＥＰＤＭ。空调管多采用丁基橡胶，防止制冷剂渗透。制动软管除要求耐制动液外，还必须具备优异的耐老化性。

８．橡胶密封制品 油封、密封圈

橡胶密封制品有油封、Ｏ型圈、各种断面密封圈、垫、条等。根据使用特点分静态和动态两种。用来防止流体从机械的静止部件或运动部件泄漏，并防止外界灰尘、泥沙及水进入机械内部。

１ 油封油封又称唇形油封。广泛用于车用发动机系统。油封的质量好坏集中反映在漏油上。国外油封已达到每小时只漏０．００２ｇ油，即１１ｈ才漏一滴油。不同橡胶材料作油封的性能不同 其中聚硫橡胶、丁腊橡胶是制作油封的

理想材料。与其它材料相比，橡胶油封的优点是体积小、成本低、效果好，安装方便、适用温度范围广。

２ 密封圈密封圈包括油封以外的所有密封元件。用于动态时称盘根，用于静态时称作垫片或垫圈。液压系统中应用最多的是Ｏ型密封圈。适于制作密封圈的橡胶材料有硅橡胶、氟橡胶、丁腈橡胶、聚硫橡胶以及聚氨酯橡胶等。硅橡胶使用温度宽－７０℃～２３０℃ 、电绝缘性、耐磨性都好。氟橡胶可在２００℃～２５０℃连续工作、耐磨性强、耐高真空性好。丁腈橡胶耐油性好，使用温度在１２０℃以下。聚硫橡胶耐油最好，耐溶剂也好，气密性好。聚氨酯橡胶耐磨性好、弹性高、耐溶剂、耐辐射、易水解，适作气动密封圈。

车用发动机的性能、寿命、安全性等，与采用的材料息息相关。只有采用高性能、高水平的材料，配以先进的设计和生产技术，才能生产出高性能、高水平的车用发动机。车用发动机要降低使用费用，必须提高可靠性、减轻自身质量，降低燃料消耗。而采用高强度合金材料、轻金属材料、工程塑料等，是实践证明的有效途径 也是现代汽车发动机的发展趋势。