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現在，我們在選擇汽車(chē)的時(shí)候，經(jīng)常會(huì )考慮發(fā)動(dòng)機的材料。我們也經(jīng)常會(huì )在許多廠(chǎng)商的推廣宣傳上看到“全鋁發(fā)動(dòng)機”這個(gè)耀眼的字眼。為何廠(chǎng)商要炫耀他的全鋁發(fā)動(dòng)機，那不是“全鋁”的發(fā)動(dòng)機材料是什么？全鋁發(fā)動(dòng)機有什么好處呢？還有哪些新型的材料被用來(lái)制造發(fā)動(dòng)機部件？這篇文章，我們就來(lái)一起討論這個(gè)話(huà)題。
傳統的發(fā)動(dòng)機無(wú)論是缸體還是缸蓋都是采用鑄鐵的，但是鑄鐵有著(zhù)許多先天的不足，例如重量大、散熱性差、摩擦系數高等等，所以，許多發(fā)動(dòng)機廠(chǎng)商都在尋找更適合的材料制造發(fā)動(dòng)機的構成部件。
輕量化材料：首先我們從材料的輕量化來(lái)討論新型發(fā)動(dòng)機材料的優(yōu)勢。
1、全鋁缸蓋和缸體
我們日常所說(shuō)的全鋁發(fā)動(dòng)機是指缸蓋和缸體都是鋁合金制造的發(fā)動(dòng)機。而缸蓋是鋁合金，缸體是鑄鐵的發(fā)動(dòng)機，一般我們還是稱(chēng)作鑄鐵發(fā)動(dòng)機?，F在，全鋁發(fā)動(dòng)機已經(jīng)在大量的車(chē)型上被采用，在國外，羅孚的k系列發(fā)動(dòng)機，寶馬的M52直列六缸發(fā)動(dòng)機，日產(chǎn)的VQ發(fā)動(dòng)機，捷豹的-AJ－V8發(fā)動(dòng)機、奔馳的V6和V8發(fā)動(dòng)機、通用的LS1和北極星V8發(fā)動(dòng)機、標致的2升四缸發(fā)動(dòng)機和通用的新型直列四缸發(fā)動(dòng)機等等都是采用鋁合金制造。國內的許多小排量發(fā)動(dòng)機也逐步采用全鋁發(fā)動(dòng)機，如國產(chǎn)鈴木系列的發(fā)動(dòng)機G13、K14等。甚至包括一些國產(chǎn)發(fā)動(dòng)機也采用鋁合金材質(zhì)了，最著(zhù)名的就是東安動(dòng)力開(kāi)發(fā)的468發(fā)動(dòng)機，這款發(fā)動(dòng)機被配備在哈飛路寶和昌河愛(ài)迪爾上，獲得了很大的成功。
很早以前的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機就開(kāi)始大規模采用全鋁缸蓋了。缸蓋的重量并不大，所以汽車(chē)制造商喜歡它并不是因為它重量輕，而是因為它有更好的散熱性能。隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機技術(shù)的發(fā)展，四氣閥結構成為發(fā)動(dòng)機的主流設計趨勢。與一起的兩氣閥發(fā)動(dòng)機相比，每缸四氣閥的氣缸蓋比每缸兩氣閥的氣缸蓋在工作時(shí)要產(chǎn)生更多的熱量，采用全鋁缸蓋是最好的解決辦法。
出于成本的考慮，氣缸體采用全鋁設計比氣缸蓋要晚得多。氣缸體是發(fā)動(dòng)機上最重的部分，因而使用鋁合金材料可以減輕發(fā)動(dòng)機的重量，從而達到減輕整車(chē)重量的目的。這一點(diǎn)對于前置前驅車(chē)型來(lái)說(shuō)，顯得尤為可貴，當然在另一方面，由于材料價(jià)格和加工工藝的區別，采用鋁合金缸體的發(fā)動(dòng)機會(huì )增加一些成本。
2、樹(shù)脂或鎂作為材料的進(jìn)氣管
在發(fā)動(dòng)機的構成上，復雜的進(jìn)氣管是另外一個(gè)很重的部件。特別如今流行的更復雜的可變長(cháng)度的進(jìn)氣管，其重量相當可觀(guān)。剛開(kāi)始的時(shí)候，人們采用鋁合金來(lái)作為進(jìn)氣管的替代材料，后來(lái)許多汽車(chē)制造商開(kāi)始采用具有熱塑性的66號尼龍，或者其他耐熱的可塑性材料制造進(jìn)氣管。因為這些復合材料的有許多優(yōu)點(diǎn)：價(jià)錢(qián)便宜、重量輕、內臂平滑（從而空氣流動(dòng)好、氣阻?。?，因此它對于汽車(chē)制造商來(lái)說(shuō)是很理想的進(jìn)氣管材料。
但是這些復合材料也有讓人很頭痛的缺陷，它很容易產(chǎn)生一些細小的裂紋，這種裂紋導致高速進(jìn)氣時(shí)會(huì )在進(jìn)氣管里產(chǎn)生令人不快的噪音，所以許多高檔的豪華車(chē)都沒(méi)有采用這種材料制造進(jìn)氣管。例如奔馳就選擇了鎂合金——這種材料比鋁更輕，盡管它比較昂貴，而且耐高溫能力有限。貴不是主要問(wèn)題，因為要知道，前提是裝配在豪華車(chē)上，對于豪華車(chē)來(lái)說(shuō)，性能的提高比成本相對來(lái)說(shuō)要更重要。耐熱能力有限也不要緊，因為進(jìn)氣管的溫度并不高。鎂合金是金屬材質(zhì)的，空氣在鎂合金制造的進(jìn)氣管內流動(dòng)，要比在塑料的噪音要小的多。
也有一些車(chē)采用了非常少見(jiàn)的材料，例如TVR和法拉力V8采用的是一種稱(chēng)作凱福拉（Kevlar）的材料來(lái)制造進(jìn)氣管，它能獲得更輕的重量，而且進(jìn)氣噪音與金屬進(jìn)氣管相當。這些都是很少采用的特例，就不多討論了。
摩擦力和運動(dòng)慣性的優(yōu)化：除了輕量化，新型材料在摩擦力和運動(dòng)慣性方面同樣具有很大的優(yōu)勢。
1、鋁活塞和鋼制氣缸套
發(fā)動(dòng)機的響應性與發(fā)動(dòng)機部件的運動(dòng)慣性是分不開(kāi)的，發(fā)動(dòng)機的運動(dòng)部件包括曲軸、活塞、連桿等。由于曲軸要求瞬間強度非常高，所以只能采用高強度鋼來(lái)制造。
活塞就沒(méi)有曲軸這樣的局限了，在高轉速發(fā)動(dòng)機上，通常都是用鋁合金來(lái)制造活塞。更輕的活塞重量能產(chǎn)生更高的發(fā)動(dòng)機轉速，從而能獲得更大的動(dòng)力輸出。
使用鋁合金來(lái)制造活塞，成本并不是非常昂貴，主要問(wèn)題是出在摩擦阻力上。在發(fā)動(dòng)機運轉的時(shí)候，活塞與氣缸壁之間肯定會(huì )產(chǎn)生摩擦。而鋁和鋁直接的摩擦系數是很高的，它比鋁和鑄鐵之間的摩擦系數要高得多。這樣一來(lái)，如果全鋁缸體配合全鋁活塞，發(fā)動(dòng)機運轉的時(shí)候摩擦阻力就會(huì )非常大，這顯然是不可取的，這也就是為何許多發(fā)動(dòng)機使用鋁合金活塞，但必須使用鑄鐵缸體的原因。但如果為了采用全鋁缸體而采用鑄鐵活塞，那顯然是更得不償失的。
那如何解決這一矛盾呢？
目前最主流的解決辦法，就是在鋁制的氣缸體內鑲一個(gè)鋼制的氣缸套，讓鋁合金活塞不會(huì )與鋁制的氣缸壁相接觸。這種設計可以解決這一矛盾，當然也會(huì )增加一些成本。
這種方法在70年代中期首先被雪佛蘭Vega所采用。它的發(fā)動(dòng)機采用全鋁設計，在鋁合金的氣缸體內鑲上了一個(gè)鑄鐵的缸套，當然活塞同樣也是用鋁合金制造的。它的摩擦阻力比全鑄鐵的發(fā)動(dòng)機要小得多，因此它的動(dòng)力得到了很大程度的提高。不僅如此，這臺發(fā)動(dòng)機還能獲得更輕的重量和更小的運勁慣性，改善了車(chē)子的加速性、操控性和經(jīng)濟性。后來(lái)，這種方法被許多配備了高轉速發(fā)動(dòng)機的汽車(chē)所采用。
還有一個(gè)解決辦法，就是采用增強型金屬纖維氣缸套（FRM）。本田在它的NSX 3.2升發(fā)動(dòng)機上采用了這個(gè)技術(shù)。它的成本和升功率在鑄鐵缸體和鑲缸套之間。這種解決辦法，是在全鋁的缸體上直接把金屬纖維加熱融化以后，通過(guò)特殊工藝把金屬粒子滲透到氣缸壁上，就仿佛在氣缸壁上電鍍了一層厚度只有0.5毫米的金屬纖維。與鑄鐵缸體相比，它能產(chǎn)生更低的摩擦阻力，因而改善了轉速和功率。同時(shí)，金屬纖維是直接滲透到氣缸缸體里的，所以它的強度非常大（相當于整個(gè)缸體的強度）。
2、鈦合金連桿
鈦是一種重量很輕，強度很大的材料，而且價(jià)格非常昂貴，一般只在航空領(lǐng)域采用。但是，這種航空材料最終還是被應用在了汽車(chē)上，不過(guò)僅限于高性能的運動(dòng)轎車(chē)，因為只有這些汽車(chē)才會(huì )為了提高性能而不計成本的采用盡可能適合的材料。蘭博基尼的Diablo、法拉力的F355 / 360 M / 550 M 、還有保時(shí)捷的911 GT3等都采用鈦合金來(lái)制造連桿，以提高發(fā)動(dòng)機的轉速。
3、鍛造工藝
鍛造是一種非常傳統的制造工藝，但是它不能在高強度和輕量化之間取得很好的平衡。在本田的Type R和其他高性能汽車(chē)上，經(jīng)常采用鍛造工藝來(lái)制造活塞、曲軸和連桿。
由于鍛造需要用手工完成，因此需要花費巨大的人工成本。鍛造高溫的金屬能讓更多的礦物質(zhì)滲透到金屬粒子當中去，因而改善了零件的強度和耐熱性，最終有利于發(fā)動(dòng)機的轉速提高和動(dòng)力輸出。同時(shí)，鍛造還能改善一些部件的摩擦系數，例如采用鍛造工藝制造的活塞就能更好的減小表面的摩擦系數。
傳統的發(fā)動(dòng)機無(wú)論是缸體還是缸蓋都是采用鑄鐵的，但是鑄鐵有著(zhù)許多先天的不足，例如重量大、散熱性差、摩擦系數高等等，所以，許多發(fā)動(dòng)機廠(chǎng)商都在尋找更適合的材料制造發(fā)動(dòng)機的構成部件。
輕量化材料：首先我們從材料的輕量化來(lái)討論新型發(fā)動(dòng)機材料的優(yōu)勢。
1、全鋁缸蓋和缸體
我們日常所說(shuō)的全鋁發(fā)動(dòng)機是指缸蓋和缸體都是鋁合金制造的發(fā)動(dòng)機。而缸蓋是鋁合金，缸體是鑄鐵的發(fā)動(dòng)機，一般我們還是稱(chēng)作鑄鐵發(fā)動(dòng)機?，F在，全鋁發(fā)動(dòng)機已經(jīng)在大量的車(chē)型上被采用，在國外，羅孚的k系列發(fā)動(dòng)機，寶馬的M52直列六缸發(fā)動(dòng)機，日產(chǎn)的VQ發(fā)動(dòng)機，捷豹的-AJ－V8發(fā)動(dòng)機、奔馳的V6和V8發(fā)動(dòng)機、通用的LS1和北極星V8發(fā)動(dòng)機、標致的2升四缸發(fā)動(dòng)機和通用的新型直列四缸發(fā)動(dòng)機等等都是采用鋁合金制造。國內的許多小排量發(fā)動(dòng)機也逐步采用全鋁發(fā)動(dòng)機，如國產(chǎn)鈴木系列的發(fā)動(dòng)機G13、K14等。甚至包括一些國產(chǎn)發(fā)動(dòng)機也采用鋁合金材質(zhì)了，最著(zhù)名的就是東安動(dòng)力開(kāi)發(fā)的468發(fā)動(dòng)機，這款發(fā)動(dòng)機被配備在哈飛路寶和昌河愛(ài)迪爾上，獲得了很大的成功。
很早以前的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機就開(kāi)始大規模采用全鋁缸蓋了。缸蓋的重量并不大，所以汽車(chē)制造商喜歡它并不是因為它重量輕，而是因為它有更好的散熱性能。隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機技術(shù)的發(fā)展，四氣閥結構成為發(fā)動(dòng)機的主流設計趨勢。與一起的兩氣閥發(fā)動(dòng)機相比，每缸四氣閥的氣缸蓋比每缸兩氣閥的氣缸蓋在工作時(shí)要產(chǎn)生更多的熱量，采用全鋁缸蓋是最好的解決辦法。
出于成本的考慮，氣缸體采用全鋁設計比氣缸蓋要晚得多。氣缸體是發(fā)動(dòng)機上最重的部分，因而使用鋁合金材料可以減輕發(fā)動(dòng)機的重量，從而達到減輕整車(chē)重量的目的。這一點(diǎn)對于前置前驅車(chē)型來(lái)說(shuō)，顯得尤為可貴，當然在另一方面，由于材料價(jià)格和加工工藝的區別，采用鋁合金缸體的發(fā)動(dòng)機會(huì )增加一些成本。
2、樹(shù)脂或鎂作為材料的進(jìn)氣管
在發(fā)動(dòng)機的構成上，復雜的進(jìn)氣管是另外一個(gè)很重的部件。特別如今流行的更復雜的可變長(cháng)度的進(jìn)氣管，其重量相當可觀(guān)。剛開(kāi)始的時(shí)候，人們采用鋁合金來(lái)作為進(jìn)氣管的替代材料，后來(lái)許多汽車(chē)制造商開(kāi)始采用具有熱塑性的66號尼龍，或者其他耐熱的可塑性材料制造進(jìn)氣管。因為這些復合材料的有許多優(yōu)點(diǎn)：價(jià)錢(qián)便宜、重量輕、內臂平滑（從而空氣流動(dòng)好、氣阻?。?，因此它對于汽車(chē)制造商來(lái)說(shuō)是很理想的進(jìn)氣管材料。
但是這些復合材料也有讓人很頭痛的缺陷，它很容易產(chǎn)生一些細小的裂紋，這種裂紋導致高速進(jìn)氣時(shí)會(huì )在進(jìn)氣管里產(chǎn)生令人不快的噪音，所以許多高檔的豪華車(chē)都沒(méi)有采用這種材料制造進(jìn)氣管。例如奔馳就選擇了鎂合金——這種材料比鋁更輕，盡管它比較昂貴，而且耐高溫能力有限。貴不是主要問(wèn)題，因為要知道，前提是裝配在豪華車(chē)上，對于豪華車(chē)來(lái)說(shuō)，性能的提高比成本相對來(lái)說(shuō)要更重要。耐熱能力有限也不要緊，因為進(jìn)氣管的溫度并不高。鎂合金是金屬材質(zhì)的，空氣在鎂合金制造的進(jìn)氣管內流動(dòng)，要比在塑料的噪音要小的多。
也有一些車(chē)采用了非常少見(jiàn)的材料，例如TVR和法拉力V8采用的是一種稱(chēng)作凱福拉（Kevlar）的材料來(lái)制造進(jìn)氣管，它能獲得更輕的重量，而且進(jìn)氣噪音與金屬進(jìn)氣管相當。這些都是很少采用的特例，就不多討論了。
摩擦力和運動(dòng)慣性的優(yōu)化：除了輕量化，新型材料在摩擦力和運動(dòng)慣性方面同樣具有很大的優(yōu)勢。
1、鋁活塞和鋼制氣缸套
發(fā)動(dòng)機的響應性與發(fā)動(dòng)機部件的運動(dòng)慣性是分不開(kāi)的，發(fā)動(dòng)機的運動(dòng)部件包括曲軸、活塞、連桿等。由于曲軸要求瞬間強度非常高，所以只能采用高強度鋼來(lái)制造。
活塞就沒(méi)有曲軸這樣的局限了，在高轉速發(fā)動(dòng)機上，通常都是用鋁合金來(lái)制造活塞。更輕的活塞重量能產(chǎn)生更高的發(fā)動(dòng)機轉速，從而能獲得更大的動(dòng)力輸出。
使用鋁合金來(lái)制造活塞，成本并不是非常昂貴，主要問(wèn)題是出在摩擦阻力上。在發(fā)動(dòng)機運轉的時(shí)候，活塞與氣缸壁之間肯定會(huì )產(chǎn)生摩擦。而鋁和鋁直接的摩擦系數是很高的，它比鋁和鑄鐵之間的摩擦系數要高得多。這樣一來(lái)，如果全鋁缸體配合全鋁活塞，發(fā)動(dòng)機運轉的時(shí)候摩擦阻力就會(huì )非常大，這顯然是不可取的，這也就是為何許多發(fā)動(dòng)機使用鋁合金活塞，但必須使用鑄鐵缸體的原因。但如果為了采用全鋁缸體而采用鑄鐵活塞，那顯然是更得不償失的。
那如何解決這一矛盾呢？
目前最主流的解決辦法，就是在鋁制的氣缸體內鑲一個(gè)鋼制的氣缸套，讓鋁合金活塞不會(huì )與鋁制的氣缸壁相接觸。這種設計可以解決這一矛盾，當然也會(huì )增加一些成本。
這種方法在70年代中期首先被雪佛蘭Vega所采用。它的發(fā)動(dòng)機采用全鋁設計，在鋁合金的氣缸體內鑲上了一個(gè)鑄鐵的缸套，當然活塞同樣也是用鋁合金制造的。它的摩擦阻力比全鑄鐵的發(fā)動(dòng)機要小得多，因此它的動(dòng)力得到了很大程度的提高。不僅如此，這臺發(fā)動(dòng)機還能獲得更輕的重量和更小的運勁慣性，改善了車(chē)子的加速性、操控性和經(jīng)濟性。后來(lái)，這種方法被許多配備了高轉速發(fā)動(dòng)機的汽車(chē)所采用。
還有一個(gè)解決辦法，就是采用增強型金屬纖維氣缸套（FRM）。本田在它的NSX 3.2升發(fā)動(dòng)機上采用了這個(gè)技術(shù)。它的成本和升功率在鑄鐵缸體和鑲缸套之間。這種解決辦法，是在全鋁的缸體上直接把金屬纖維加熱融化以后，通過(guò)特殊工藝把金屬粒子滲透到氣缸壁上，就仿佛在氣缸壁上電鍍了一層厚度只有0.5毫米的金屬纖維。與鑄鐵缸體相比，它能產(chǎn)生更低的摩擦阻力，因而改善了轉速和功率。同時(shí)，金屬纖維是直接滲透到氣缸缸體里的，所以它的強度非常大（相當于整個(gè)缸體的強度）。
2、鈦合金連桿
鈦是一種重量很輕，強度很大的材料，而且價(jià)格非常昂貴，一般只在航空領(lǐng)域采用。但是，這種航空材料最終還是被應用在了汽車(chē)上，不過(guò)僅限于高性能的運動(dòng)轎車(chē)，因為只有這些汽車(chē)才會(huì )為了提高性能而不計成本的采用盡可能適合的材料。蘭博基尼的Diablo、法拉力的F355 / 360 M / 550 M 、還有保時(shí)捷的911 GT3等都采用鈦合金來(lái)制造連桿，以提高發(fā)動(dòng)機的轉速。
3、鍛造工藝
鍛造是一種非常傳統的制造工藝，但是它不能在高強度和輕量化之間取得很好的平衡。在本田的Type R和其他高性能汽車(chē)上，經(jīng)常采用鍛造工藝來(lái)制造活塞、曲軸和連桿。
由于鍛造需要用手工完成，因此需要花費巨大的人工成本。鍛造高溫的金屬能讓更多的礦物質(zhì)滲透到金屬粒子當中去，因而改善了零件的強度和耐熱性，最終有利于發(fā)動(dòng)機的轉速提高和動(dòng)力輸出。同時(shí)，鍛造還能改善一些部件的摩擦系數，例如采用鍛造工藝制造的活塞就能更好的減小表面的摩擦系數。
