汽車發動機低碳化材料技術創新實踐探索

宋文璽

摘 要：當前汽車發動機低碳化材料技術的創新已經成為全球汽車產業普遍關注的熱點話題。實現汽車發動機低碳化發展，不僅是對環境責任的積極回應，更是推動汽車產業高質量發展的必然選擇。基于此，文章當前我國汽車發動機低碳化發展需求為出發點，深入探索低碳化材料技術在汽車發動機中的創新實踐，詳細闡述熱電材料、涂層材料、低摩擦材料等材料的實際應用，發現這些高科技材料的運用，不僅能夠提升汽車發動機的性能，減少能耗，還能在節約成本的同時，最大限度地提高汽車發動機的低碳化設計。

關鍵詞：汽車發動機 低碳化材料技術 創新實踐

1 前言

汽車是工業時代最具代表性的發明之一，面對當前能源危機日益嚴峻的局面，人們的環保意識逐漸增強，如何降低汽車的碳排放和能源消耗成為了一項亟需解決的問題。在這一背景下，低碳化材料技術為汽車發動機的創新發展提供了前所未有的發展機遇。這不僅有助于汽車發動機的低碳化改造，更是應對當前全球能源挑戰和環境保護的重要手段。在“十四五”規劃指導下，我國正致力于推動科技創新、協調發展的戰略，而低碳化材料技術的引入正是這一戰略在汽車產業中的具體體現。基于此，本文主要旨在探索汽車發動機低碳化材料技術的創新實踐，通過對當前全球能源危機和環保要求進行深入分析，明確汽車行業面臨的挑戰和機遇，并選取幾個典型的低碳化材料技術進行深入分析，探究其實際應用效果。本文從低碳化材料技術的角度出發，對汽車發動機的創新發展進行研究，突破了傳統的汽車發動機技術研發視角，希望能夠為推動汽車發動機低碳化材料技術創新提供更為有力的理論支撐和實踐指導。

2 我國汽車發動機低碳化發展需求

當前，全球各國均已就氣候控制問題達成了重要共識，即全球氣溫的上升幅度必須嚴格控制在工業革命前水平的2℃以內。經過環境科學家的深入研究和評估指出，為實現這一目標，全球CO2的累計排放量必須控制在3.15萬億噸以下。然而，令人遺憾的是，截至目前，人類已經排放了大約1.9萬億噸的CO2，這意味著全球各國還剩下約1.25萬億噸的排放空間。這一數據清晰地表明，降低CO2排放量需要全球各國共同努力，采取切實有效的措施。

在我國，盡管汽車行業產生的CO2排放量目前僅占全國總排放量的7.5%左右，然而，這并不意味著可以忽視汽車行業的碳排放問題。相反，隨著中國汽車市場的不斷發展和擴大，汽車的需求量和產量都在持續增長，這也導致汽車CO2的年排放總量在不斷增加。

我國政府已經明確承諾，到2030年左右，中國的CO2年排放量將達到頂峰，之后將開始逐年下降。這意味著在未來幾年內，中國必須嚴格控制汽車保有量的增長速度，否則將難以實現減排目標。然而，面對汽車需求量和產量的不斷增長，如何在保證經濟發展的同時，有效控制汽車行業的CO2排放量，將是一項艱巨的任務。

因此，可以預見的是，未來我國汽車行業的CO2排放量占比必然會超過目前的7.5%。為了實現全球氣候控制的目標，我國需要采取更加積極的措施，推動汽車行業的綠色轉型和可持續發展，包括但不限于提高汽車的能源利用效率、推廣新能源汽車等。只有通過全社會的共同努力和持續創新，才能夠更好地應對全球變暖這一全球性挑戰。

為深入剖析汽車產生的二氧化碳（CO2）排放量的變化趨勢，并建立一個可靠的預測模型，需要綜合考慮多個關鍵變量。這一模型不僅涉及直接的排放因素，例如人均國內生產總值（GDP）、人口數量以及每千人擁有的汽車數量，還包括基礎的CO2排放數據。這些因素共同決定了汽車在全國CO2總排放量中的占比。

在構建模型時，必須認識到的是，汽車排放量的變化不僅會受到上述因素的影響，還與其他多個相關變量密切相關。例如，隨著公共交通、新能源等相關產業的發展，汽車出行可能不再是人們唯一或主要的交通方式。同時，交通環境本身也處于瞬息萬變的情況之中，如交通規則的變化、交通基礎設施的改善或道路擁堵狀況等，都可能對汽車的運行效率和排放水平產生影響。

此外，汽車的使用強度也是一個關鍵因素。隨著城市化進程的推進和居民生活水平的提高，汽車的使用頻率和行駛里程也在不斷增加，這將直接導致CO2排放量的增加。同時，汽車產品結構的變化也會對排放產生一定影響，例如新能源汽車普及率升高、傳統能源價格的提高等。

最后，低碳化材料技術的發展和應用對降低汽車排放至關重要。包括低摩擦涂層材料、納米冷卻液添加劑材料等，這些材料的應用可以顯著提升汽車發動機的運行效率，減少汽車在運行過程中的CO2排放。

3 低碳化材料技術在汽車發動機中的應用

3.1 應用低摩擦涂層材料，減少摩擦損失

要實現汽車摩擦損失的降低，就必須推動低摩擦技術的創新與應用。這意味著汽車行業不僅需要做好發動機動力總成系統的設計，使其更具科學性和合理性，還要充分利用先進的低摩擦涂層材料。但當前的經濟形勢下，我國對環境治理提出了更高的要求，特別實在低碳節能方面。因此，汽車行業作為重要的碳排放源之一，必須積極推動汽車發動機低碳化材料技術的應用與創新，在此過程中，性能較佳、摩擦較小的涂層材料技術的運用顯得尤為重要。在實際應用中，比較常見的涂層技術包括合金強化層、石墨涂層、金剛石碳層等，這對于提升發動機的燃油效率和降低碳排放具有關鍵作用，能夠為我國的綠色發展貢獻更多力量。此外，為了確保這些涂層技術的有效應用，還需要在實踐中特別注意加強摩擦副微質點之間的咬合粘接，從而真正實現低摩擦的技術目標。為此，汽車行業可以與相關產業進行深度合作，不斷提升自身技術水平，共同推動這一領域的技術進步。

3.2 采用納米冷卻液添加劑材料，實現熱平衡

在汽車發動機的運行中，冷卻液起著至關重要的作用。其不僅需要具備防腐防銹和防凍的基礎功能，還需有效滿足發動機在工作過程中產生的熱平衡需求。隨著現代科技的不斷發展，廢氣自動再循環技術的運用越來越廣泛，這在一定程度上提升了汽車冷卻系統的熱負荷。為了確保發動機的正常運行并降低廢氣排放，需要采取有效的措施。例如，在提升冷卻液性能方面，除了增加水泵流量和擴大散熱器尺寸外，提高冷卻液的散熱性能同樣至關重要。為了實現這一目標，汽車產業需要對現有的冷卻液材料和技術進行深入研究，開發出更高效、更穩定的冷卻液產品。目前，納米冷卻液添加劑在解決汽車發動機高導熱率問題方面具有較好的表現[1]。然而，這種材料在實際應用中面臨著一個主要難題：納米顆粒的團聚現象。這種問題不僅會影響冷卻液的散熱效果，還可能對水泵油封等設備造成損害。為了克服這一難題，汽車行業可以通過改善納米顆粒分散方法、優化冷卻液的配方等手段，來有效減少或消除納米顆粒的團聚現象，從而確保冷卻液的高效、穩定工作，為汽車發動機低碳化排放提供有力支持。

3.3 增加熱電材料的應用，推動廢氣能量回收

在內燃機的工作過程中，燃油的熱量并非能夠全部轉化為機械能，通常情況下，燃油的轉化率維持在35%-50%之間，熱量的損耗率較高。在這些被浪費的熱量中，約有30%是通過發動機排氣散失的。這種熱量損失不僅增加了燃油的消耗，還提高了內燃機的運行成本，同時也對環境造成了壓力。因此，為了提高內燃機的燃油效率，汽車產業需要加強先進技術的應用。當前，主要有兩種技術可以實現這一目標：有機朗肯循環和排氣發電。其中，前者主要應用于柴油機，而后者則更適用于汽油機。排氣發電的原理主要基于熱電材料的特性，利用內燃機內部的排氣溫度，使這些材料在高溫環境下產生電能。同時，熱電材料能夠在熱端和冷端的溫差下產生電能，其中，熱端通過排氣流動進行加熱，而冷端則通過與冷卻液或環境空氣的熱交換來實現降溫。通過這種方式，可以將內燃機排氣中的熱能轉化為電能，為汽車的電氣設備提供動力。這不僅提高了燃油效率，還有助于減少汽車對環境的影響[2]。考慮到汽車發動機在工作過程中產生的大量廢熱，傳統的散熱方法往往無法有效地回收這些能量。而納米熱電材料的應用，則顯著改變了這一局面，其能夠通過其獨特的熱電效應，將廢熱轉化為電能，這不僅能夠突破傳統技術的瓶頸，還能顯著提高能量的利用效率，減少發動機的能耗和排放。因此，為了充分發揮納米熱電材料的優勢，汽車產業需要積極探索其在發動機部件中的應用。例如，可以考慮使用納米熱電材料制作發動機的排氣系統部件，以利用其高效的熱能轉換特性，從而減少能量的損失和廢氣的排放。此外，還可以探索納米熱電材料在發動機冷卻系統中的應用，通過其優秀的導熱性能提高冷卻效率，進一步降低發動機的工作溫度。值得注意的是，納米熱電材料的應用不僅限于發動機本身，還可以考慮將其應用于汽車的電池系統、電氣元件等其他關鍵部件中，以提高整個汽車的能源利用效率和排放性能。

3.4 加強絕熱材料的使用，提升土層隔熱效果

物理隔熱涂層作為一種獨特的絕熱材料，主要依賴于氧化鋯或氧化鈦的主體作用，通過一系列技術改造，特別適用于發動機活塞的頂端。這種材料在推動發動機低碳化材料技術的創新中扮演著至關重要的角色。從物理特性的角度看，這種絕熱材料的核心成分是氧化鋯或氧化鈦，為了進一步增強其性能，部分材料中還混合了釔或鎂等元素。這些成分共同協作，達到了十分顯著的隔熱效果，有助于降低發動機運行時的熱量產生和傳遞。在技術層面，這種物理隔熱涂層并不僅僅依賴于單一的方法，而是結合了物理和化學兩種技術手段。通過精心設計和制備，使涂層能夠緊密地貼合在活塞的頂部。其中，等離子噴涂工藝是制備這種物理涂層的關鍵技術之一。在這一過程中，需要精確控制涂層的厚度和結合力，確保其在高溫、高壓的發動機環境中仍能保持性能的穩定性。從實際應用的效果來看，物理隔熱涂層能夠顯著降低活塞內部的熱量和熱量傳遞速度[3]。這不僅有助于減少潤滑油的熱沖擊效應，延長潤滑油的使用壽命，還有助于提高發動機的效率和燃油的環保性。隨著社會整體環保意識的提高，這種物理隔熱涂層技術正受到越來越多的關注和重視。回顧其發展歷程，活塞頂部絕熱涂層技術最早應用于軍工行業，但隨著社會的進步和科技的發展，這項技術逐漸走進了汽車工業，成為推動汽車產業創新發展的關鍵因素之一。展望未來，隨著技術的不斷進步和應用領域的拓展，物理隔熱涂層有望在更多領域發揮其獨特的優勢，為社會發展做出更大貢獻。

3.5 加強機油添加劑的使用，有效解決低速早燃問題

在新的時代背景下，公眾對燃油經濟性和環保性能的要求也在不斷提高，傳統的方法由于成本較高，環保性能較差，已經不適用于新的社會發展需要。因此，對于汽車產業來說，必須從更全面的角度來審視和解決這一問題。為了更好地解決這一問題，機油添加劑的選擇和應用成為關鍵。通過使用科學、高效的機油添加劑，可以有效減少機油在使用期間的氧化反應，這不僅能夠提高機油的使用壽命，還能有效確保發動機的穩定運行。同時，通常情況下，汽車在使用過程中，活塞底部會逐漸激烈一些沉淀物，這往往會影響發動機的性能和效率。而通過添加劑的使用，可以顯著減少活塞底部的沉積物，提升活塞的潤滑性，從而有效解決低速早燃的問題，提高發動機的整體運行效率。此外，在汽車低碳化技術創新的大背景下，直噴增壓發動機憑借其燃油效率上的優勢，成為汽車行業技術革新的重要方向[4]。因此，汽車產業必須抓住這一機遇，不斷加強技術研發和創新，來降低汽車的開發和使用成本。包括優化發動機的設計和生產流程、減少發動機能耗和排放等，在滿足公眾需求的同時推動汽車行業的可持續發展和技術進步。

4 結束語

汽車發動機作為汽車的核心組件，只要當汽車發動機實現了低碳化設計，才能夠從根本上減少汽車排放對環境的污染。因此，在具體實踐過程中，汽車企業必須從源頭抓起，大力引進并應用先進的熱電材料、涂層材料、低摩擦材料等低碳化材料技術，推動汽車發動機的綠色變革。這不僅有助于降低汽車的生產成本和有害物質的排放，還可以最大程度上提升汽車排放控制技術水平。未來，隨著低碳化材料技術的不斷發展，相信汽車產業會朝向更為環保、節能、高效的方向發展，從而為人類社會的可持續發展做出更大貢獻。

參考文獻：

[1]劉大學.納米添加劑改善汽車發動機動力性能效果研究——評《汽車潤滑技術》[J].機械設計，2020，37（09）：152.

[2]張嘉寧，蘭程，張文杰，等.淺談提高有機熱電材料性能的策略[J].中國設備工程，2024（05）：124-126.

[3]袁兵，鄭亞莉，杜林麗.氣凝膠絕熱材料在新能源汽車動力電池中的應用[J].當代化工研究，2023（21）：119-121.

[4]付昌星.汽車發動機低碳化材料技術創新實踐探索[J].汽車實用技術，2018（15）：224-225.