摘 要

随着全球环境保护以及能源意识日益增强，国内外对于汽车行业节能减排也逐步做出了规定。发动机作为汽车中的动力部件，对汽车的燃油经济性起到至关重要的作用。发动机技术不断革新，导致对于发动机部件的工作要求越来越高，这使得国内外发动机材料的研究越来越广泛。

本文首先对汽车发动机的发展历史进行了概述，对发动机结构及运用材料进行介绍，并对发动机发展趋势及材料需求进行分析。其次，通过对国外主要国家发动机材料专利数据的查询，分析各个国家对于发动机相关材料的研究情况，并与国内发动机材料研究现状进行比较分析。再次，根据专利数据，分析国内外发动机材料在降低摩擦，轻量化和燃烧增压方面的应用现状，并在此基础上，得出发动机材料的发展趋势。最后，对我国汽车发动机材料的发展方向进行展望，并且提出相关的发展建议和看法。

本文的特色在于：借助欧洲专利局和佰腾网等专利搜索引擎，对专利数据的搜索和整理，以此分析国内外汽车发动机材料发展趋势。

关键词：发动机材料；摩擦；燃烧增压；轻量化

Abstract

With the increasing awareness of global environmental protection and energy, domestic and foreign regulations on energy conservation and emission reduction have been made gradually. As a power component of automobile, engine plays a vital role in fuel economy of automobile. The continuous innovation of engine technology has led to higher and higher requirements for engine parts, which has led to more and more extensive research on engine materials at home and abroad.

This paper first summarizes the development history of automobile engine, introduces the structure and materials of engine, and analyzes the development trend and material demand of engine. Secondly, based on the major foreign countries patent data query engine material, analysis of various countries for engine related materials research, and comparing with domestic engine materials research present situation analysis. Again, according to the patent data, analysis engine in reducing friction materials at home and abroad, the present situation of the application of lightweight and combustion pressure, and on this basis, the development trend of engine material. Finally, the development direction of automotive engine materials in China is prospected, and relevant development Suggestions and opinions are put forward.

The characteristics of this paper are as follows: with the help of patent search engines such as the European Patent Office and Patexplorer, the patent data are searched and sorted out, so as to analyze the development trend of automotive engine materials at home and abroad.

Key Words：engine materials; friction; combustion pressurization; lightweight

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1课题研究的背景 1

1.2课题研究的意义 1

1.3研究的主要内容 2

第2章 汽车发动机及材料 3

2.1汽车发动机发展历史 3

2.2汽车发动机结构及材料 3

2.2.1曲柄连杆机构 3

2.2.2配气机构 4

2.2.3其它重要部件 5

2.3汽车发动机发展趋势及材料需求 6

2.3.1发动机轻量化趋势及材料需求 6

2.3.2发动机增压趋势及材料需求 7

2.3.3发动机低摩擦趋势及材料需求 9

第3章 国内外发动机材料发展现状 10

3.1国外汽车发动机材料发展现状 10

3.1.1美国发动机材料发展 14

3.1.2日本发动机材料发展 15

3.1.3韩国发动机材料发展 16

3.1.4德国发动机材料发展 17

3.1.5俄罗斯发动机材料发展 17

3.2国内汽车发动机材料发展现状 18

3.3国内外发动机材料发现现状对比分析 20

第4章 材料在发动机领域的应用趋势 21

4.1国外发动机材料应用趋势 21

4.2国内发动机材料应用趋势 25

4.3国内外发动机材料应用趋势对比分析 26

第5章 总结与展望 27

参考文献 29

致 谢 30

第1章 绪论

1.1课题研究的背景

自2008年至2009年受到金融危机影响，汽车销量出现下滑外， 2011年至2016年期间，全球汽车产量分别为7986万辆、8424万辆、8731万辆、8978万辆、9078万辆及9498万辆，同比分别增长2.96%、5.45%、3.65%、2.82%、1.12%及4.63%，近十年来全球车市场发展平稳。汽车市场的日益饱和，使得市场对于汽车的要求越来越高。随着社会环保意识以及能源意识的日益增强，各国政府对于汽车行业的节能减排也逐步做出了规定，并设定了相关的法案，这对于汽车的性能做出了更大的要求。由于发动机作为主要驱动部件，在摩擦，重量，以及燃烧增压等方面对于汽车的燃油效率影响很大，例如在重量方面，传统发动机占车身比重一般为10％左右，通过轻量化处理可以使汽车减重，继而减少燃油损失和废气的排放。因此发动机的效率对于汽车节能减排起到至关重要的作用。近几年关于汽车发动机技术的研究非常广泛，随之而来的是对于汽车发动机材料更高的要求，有关汽车发动机材料的研究对于发动机性能的提高起到了至关重要的作用，这些都逐渐引起汽车发动机研究界的重视，发动机材料相关的研究也逐渐增多。

1.2课题研究的意义

（1）从世界范围来说，社会对于大排量汽车的需求和社会政府对能源环境越来越重视这一趋势之间的矛盾，导致涡轮增压发动机以及各种混合动力汽车等新概念在汽车领域上开始流行并且大量运用，这使得汽车发动机在减少摩擦，轻量化，燃烧增压上的要求更加严苛。要想达到现代汽车对发动机的燃油经济性要求，汽车发动机材料的研究也就变得非常重要。

（2）现阶段，世界上对于发动机材料的研究涉及包括物理，化学等很多方面，这就导致现有的材料研究呈现出“单打独斗”的情形，各个国家和研究组织在材料研究上的合作并不明显。本文将对国内外发动机材料的研究现状进行研究和总结，为行业研究人员提供思路，具有一定的理论和学术意义。

（3）国内汽车行业起步很晚，因此在汽车技术包括汽车发动机材料上的研究和世界汽车强国之间的差距很大，作为连续9年占据世界第一汽车销量市场的国家，中国理应在汽车的研究上位居世界前列。由于中国汽车行业起步之初，大多数汽车公司采用合资模式，一直到今天，依然占据中国的主要市场，例如2017年，中国市场卖出了2888万辆汽车，将近60%的车辆就是由上述的“合资车企”生产。这种近乎“垄断”的现状压缩了国内自主品牌汽车，间接导致了我国汽车行业对于汽车材料及发动机材料的研究仍处于初级阶段。本文通过对于国内外汽车发动机材料研究趋势上的比较，得出国内汽车行业在发动机材料研究上的潜力和不足，吸取国外的优点和经验，对今后汽车发动机及汽车行业的发展，具有一定的指导意义。

1.3研究的主要内容

首先，本课题将对汽车发动机的发展历史进行阐述，对发动机发展趋势及其部件材料的研究方向进行概述。介绍发动机各部件的工作原理包括汽油发动机和柴油发动机部件例如曲柄连杆，活塞，飞轮，气门等及它们所处的工作环境，进而介绍这些发动机部件工作所需的要求以及相关制造材料。

其次，通过对于2011年-2017年国外关于汽车发动机材料的专利数查询，结合近几年汽车及其相关产业发展的趋势，对于美国，日本，韩国，德国，俄罗斯五个汽车大国发动机材料研究的情况进行论述。并进一步将发动机材料分为金属合金材料和有机材料，分析世界及上述五个国家对发动机材料研究的侧重点。查询国内发动机材料专利数，对国内外发动机材料的发展现状进行比较分析。

再次，研究发动机各种材料对于发动机摩擦，轻量化，燃烧增压方面的影响。通过分析2011年-2017年国内外发动机材料在这三个方向上的专利数，阐述美国，日本，韩国，德国，俄罗斯和中国在材料研究方向上的侧重点。总结国内外发动机材料的发展趋势，找出国内发动机材料研究上的潜力和不足。

最后，总结国内外发动机材料的发展历程和发展现状，在此基础上，对我国汽车发动机材料的研究方向和选择进行建议，以提高国内汽车发动机材料的水平。

第2章 汽车发动机及材料

2.1汽车发动机发展历史

18世纪中叶，德国人瓦特发明了蒸汽机，蒸汽机的发明为各种机器的工作提供了动力，这是发动机的前身。在1770年，局纽发明出了世界上第一辆利用蒸汽作为动力的三轮式机车，1858年，里诺发明了运用煤气作为动力来源的发动机，通过空气混合的气体取代了之前的蒸汽发动机中的蒸汽，这可以说是内燃机的原型。1867年，奥德姆研制出了现代意义的汽油发动机，继而在1883年，卡尔.本茨制造出世界上第一辆汽车，可以说汽车发动机的历史是和汽车历史一同开始的。19世纪末，德国人发明了压燃式柴油机，为汽车的多样化发展提供了条件。1957年，在德国又发明出了转子活塞发动机，并被日本马自达公司采用购买，这种发动机成为现代汽车主要采用的发动机样式。随着市场的需要，汽车厂商开始研制生产大功率发动机例如六缸、八缸发动机等。又因为社会对于环境能源上的重视，政府实施了一系列汽车排量限制的法案，低排量及涡轮增压发动机等新类型发动机逐渐占据市场。可以说在汽车发动机发明的最初100年里，发动机的结构一直处于改进阶段，直到转子活塞发动机的出现，发动机的基本结构已经完成。近些年的发动机发展，主要是在技术上的改进和材料上的革新。

2.2汽车发动机结构及材料

汽车发动机根据燃料的不同特性，可以分为汽油发动机和柴油发动机2种类型。由于柴油发动机工作采用的是压燃方式，燃烧室中的压力更大，温度更高，对于发动机部件的要求也就更高。因此在很多发动机部件上，柴油发动机的部件强度要求往往要高于汽油发动机。

发动机主要分为2大机构，曲柄连杆机构和配气机构。在现代汽车的要求下，发动机各部件因为轻量化等的要求，以及涡轮增压的流行，导致发动机各部件在工作时的要求越来越严苛，这也导致了发动机部件新材料的研究兴起。

2.2.1曲柄连杆机构

曲柄连杆机构主要分为机体组，曲轴飞轮组和活塞杆组等几大部件。其主要作用是为燃料提供密闭的燃烧环境，并将燃烧后产生的膨胀气体作用于活塞顶上的压力转变成曲轴旋转的转矩，不断向工作机械输出机械能。

机体组作为发动机的支架，在发动机中，起到了支撑各部件，保证发动机正常工作的作用。主要是由气缸体，气缸盖，油底壳以及盖垫等部件组成。气缸盖及气缸体的作用是封闭气缸，保护工作部件，并且是燃烧室的重要组成部分。考虑到发动机内部的压力条件，传统发动机气缸体和气缸盖一般都采用抗压能力较好，铸造性能强的灰铸铁或者合金铸铁。

发动机缸体由于其质量占比以及对整个发动机工作时的支撑作用，其性能一直都是汽车发动机研究改进的主要对象， 除了传统汽车一直在运用铸铁材料外，现在一些高端汽车发动机开始使用铝合金材料，其优势就是质量轻，达到节油的目的。研究表明，在动力性相同的发动机中，铝合金制缸体发动机相较于铸铁缸体发动机，至少能减少20公斤的重量。

作为活塞和曲轴之间的“动力桥梁”，曲轴飞轮组的作用是将活塞的往返重复运动转变成曲轴的旋转运动。在发动机工作中，曲轮轴需要有足够的硬度来维持传递动力的作用，因此大多采用优质中碳钢或中合金碳钢，也有使用球墨铸铁的。飞轮是一外缘有齿圈的圆盘，其作用是改善曲轴的不稳定运动，传统发动机飞轮一般采用铸铁为材料。但现在主流汽车一般都会选择铬表面涂层材料来包围铸铁材料，并且辅以渗氮和镀钛等工艺。除了对飞轮有刚性要求外，有些车为了减轻自身的重量，其飞轮也开始使用质量较轻的铝合金材料。

活塞连杆组中最为重要的就是活塞，其主要的功能是承担缸内燃烧气体的压力，通过自身的往复运动，将燃烧气体压力产生的能量转换成曲轴的转动。活塞的要求有：要有足够的刚度、强度、质量小以保证最小惯性力和有效寿命；导热性好、耐高温、高压、腐蚀以满足燃烧室内苛刻的环境；活塞工作时摩擦尽可能小。传统汽车发动机一般采用的是铸铁活塞和钢活塞，制造工艺要求不高，成本低。现在的一些新型汽车开始采用合金活塞，以提高更好的刚度和强度。

2.2.2配气机构

配气机构主要是由气门组和气门传动组2部分构成。其主要任务是根据各气缸中所进行的循环和点火顺序的要求，定时开关气缸的进、排气门，使新鲜的可燃混合气体或空气能够在规定时间内进入气缸，废气在相应时间从气缸中排出，在压缩与作功2个行程中，关闭气门以保证密封性。

气门组主要是由气门、气门导管和弹簧等部件组成。气门的作用是密封燃烧室，并且能够控制发动机燃烧室中燃料的输入和废气的输出，主要分为进气门和排气门。由于气门头部所处的环境的温度很高，并且由于燃烧室中燃烧产生的气体压力和弹簧的压力等影响，气门所采用的材料必须是硬度大，耐高温，耐磨的刚性材料。由于排气门的工作要求更高，一般来说排气门的材料一般都要比进气门材料要好些。进气门一般采用合金钢，比如说铬钢，排气门由于受到的气体温度更高，因此一般采用的是耐热型合金。

气门传动组主要是由凸轮轴、气门挺柱，摇臂等主要部件组成。其任务主要是使进排气门按规定时间进行开关，并满足工作所要求的开度。传统发动机主要采用铸铁材料铸造气门传动组，随后开始采用性能更好的球墨铸铁，继而到现在采用铝合金材料。

2.2.3其它重要部件

发动机除了2大机构外，还有5大系统，分别是：点火系统、燃油供给系统、冷却系统、润滑系统和起动系统。

点火系统由高压线圈、火花塞等组成，作用是通过高压线圈将电流转变成高压，并通过火花塞点燃，使混合可燃气燃烧。

燃油供给系统由油箱、油管、管道、化油器组成，作用就是提供工作使用的燃油。其中比较重要的部件有火花塞，散热器，机油泵，机油滤清器，进排气歧管。

冷却系统由水泵、水箱及冷却管道等组成，作用是使冷却水充分循环，使发动机能够一直保持在合适的温度下进行工作。

润滑系统由发动机油底壳、机油滤清器、集滤器组成，主要作用是通过机油润滑发动机曲轴、连杆、活塞等运动部件，减少部件工作中的摩擦耗能，并且减少磨损，提高部件的工作寿命。

起动系统主要由启动机组成，作用是连接发动机飞轮。

这五大发动机系统中比较重要的有火花塞，散热器，机油滤清器，进排气歧管等。

发动机最开始使用的是普通铜芯火花塞和电阻火花塞，火花塞对伸入燃烧室电极的最基本要求是耐烧蚀和良好的导热性。随着材料和工艺技术的发展，传统火花塞的性能无法满足发动机工作需求，现代汽车发动机主要使用的火花塞材料一般分为四种，包括镍合金，铱金，铂金，铱铂金，由于火花塞需要更加稳定的工作条件，铱铂金是最好的。但由于成本上的因素，中低端车所使用的是电阻火花塞，而中高端车追求更好的效率所采用的大多是铱金材料。

散热器的作用是保证发动机能够长时间在正常温度范围内连续工作，因此在材料选择上，生产商主要考虑以下几点：散热性能好、抗腐蚀能力强、经济性好及加工简单，因此一般用铜或铜合金作为散热器材料。在最近的研究中新型碳纤维的复合材料由于其优秀的抗腐蚀能力和质量轻等优点，开始用于散热器中的风扇。

机油滤清器作用是清除灰尘及沉淀物。现代滤清器所使用的机油滤芯一般采用经过树脂处理的微孔滤纸，外壳主要采用合金钢材料，内部也包括一些橡胶材料，以达到减轻重量的作用。

进气歧管的任务是将化油器提供的可燃气体传递到气缸中。排气歧管的任务是将各气缸工作产生的废气收集再送到排气管中，然后排出。2者的工作条件都十分苛刻，需要采用抗热抗腐蚀的材料。一般来说，汽车发动机进、排气歧管用铸铁制成，部分进气歧管也使用质量更轻的铝合金材料。在结构上，进气歧管通过凸缘连接化油器，排气歧管直接与排气管连接。二者都固定在气缸上，为了防止漏气，其连接面处装有密闭性能好的石棉材料衬垫。

2.3汽车发动机发展趋势及材料需求

汽车发动机的发展趋势主要包括轻量化，涡轮增压和减少摩擦损耗三个方向。

2.3.1发动机轻量化趋势及材料需求

由于世界对于能源和环保的意识的日益重视，各国政府对于汽车等工业产品的排放标准变得更加严苛。2015年在巴黎举办的世界气候大会上，通过的巴黎协定规定了，各国的减排活动，无论是相对的还是绝对的量化减排，都将纳入一个有效的框架之中。这说明了各国政府对于减少汽车排量的决心。轻量化正是在这个大趋势下，汽车市场提出的对于汽车的改进方案。据统计汽车整车质量减少10％，燃油效率将会提高6.2％-8.1％，整车质量每减少100千克，每公里的油耗就会节约0.3-0.6，二氧化碳的排放量每公里也将减少5克。这说明在强度能够保证的情况下，轻量化对于汽车燃油经济性的提高和排放量减少有极大提升。由于传统发动机一般来说占整个汽车重量的10％左右^[1]，作为汽车中重要的一部分，发动机部件的轻量化对于汽车的燃油效率的提高有一定的影响，因此汽车轻量化同样适用于发动机上，如何寻找质量相对轻，强度又能够保证的发动机材料即轻量化材料成为发动机材料研究的主题^[2]。近些年关于汽车发动机轻量化的研究发展呈现上升趋势。

发动机轻量化研究一般分为2个方向^[3]，一种是基于发动机设计上的变化，另外一种是基于发动机部件材料的升级。

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