汽车发动机低碳化材料技术创新实践探索

宋文玺

摘 要：当前汽车发动机低碳化材料技术的创新已经成为全球汽车产业普遍关注的热点话题。实现汽车发动机低碳化发展，不仅是对环境责任的积极回应，更是推动汽车产业高质量发展的必然选择。基于此，文章当前我国汽车发动机低碳化发展需求为出发点，深入探索低碳化材料技术在汽车发动机中的创新实践，详细阐述热电材料、涂层材料、低摩擦材料等材料的实际应用，发现这些高科技材料的运用，不仅能够提升汽车发动机的性能，减少能耗，还能在节约成本的同时，最大限度地提高汽车发动机的低碳化设计。

关键词：汽车发动机 低碳化材料技术 创新实践

1 前言

汽车是工业时代最具代表性的发明之一，面对当前能源危机日益严峻的局面，人们的环保意识逐渐增强，如何降低汽车的碳排放和能源消耗成为了一项亟需解决的问题。在这一背景下，低碳化材料技术为汽车发动机的创新发展提供了前所未有的发展机遇。这不仅有助于汽车发动机的低碳化改造，更是应对当前全球能源挑战和环境保护的重要手段。在“十四五”规划指导下，我国正致力于推动科技创新、协调发展的战略，而低碳化材料技术的引入正是这一战略在汽车产业中的具体体现。基于此，本文主要旨在探索汽车发动机低碳化材料技术的创新实践，通过对当前全球能源危机和环保要求进行深入分析，明确汽车行业面临的挑战和机遇，并选取几个典型的低碳化材料技术进行深入分析，探究其实际应用效果。本文从低碳化材料技术的角度出发，对汽车发动机的创新发展进行研究，突破了传统的汽车发动机技术研发视角，希望能够为推动汽车发动机低碳化材料技术创新提供更为有力的理论支撑和实践指导。

2 我国汽车发动机低碳化发展需求

当前，全球各国均已就气候控制问题达成了重要共识，即全球气温的上升幅度必须严格控制在工业革命前水平的2℃以内。经过环境科学家的深入研究和评估指出，为实现这一目标，全球CO2的累计排放量必须控制在3.15万亿吨以下。然而，令人遗憾的是，截至目前，人类已经排放了大约1.9万亿吨的CO2，这意味着全球各国还剩下约1.25万亿吨的排放空间。这一数据清晰地表明，降低CO2排放量需要全球各国共同努力，采取切实有效的措施。

在我国，尽管汽车行业产生的CO2排放量目前仅占全国总排放量的7.5%左右，然而，这并不意味着可以忽视汽车行业的碳排放问题。相反，随着中国汽车市场的不断发展和扩大，汽车的需求量和产量都在持续增长，这也导致汽车CO2的年排放总量在不断增加。

我国政府已经明确承诺，到2030年左右，中国的CO2年排放量将达到顶峰，之后将开始逐年下降。这意味着在未来几年内，中国必须严格控制汽车保有量的增长速度，否则将难以实现减排目标。然而，面对汽车需求量和产量的不断增长，如何在保证经济发展的同时，有效控制汽车行业的CO2排放量，将是一项艰巨的任务。

因此，可以预见的是，未来我国汽车行业的CO2排放量占比必然会超过目前的7.5%。为了实现全球气候控制的目标，我国需要采取更加积极的措施，推动汽车行业的绿色转型和可持续发展，包括但不限于提高汽车的能源利用效率、推广新能源汽车等。只有通过全社会的共同努力和持续创新，才能够更好地应对全球变暖这一全球性挑战。

为深入剖析汽车产生的二氧化碳（CO2）排放量的变化趋势，并建立一个可靠的预测模型，需要综合考虑多个关键变量。这一模型不仅涉及直接的排放因素，例如人均国内生产总值（GDP）、人口数量以及每千人拥有的汽车数量，还包括基础的CO2排放数据。这些因素共同决定了汽车在全国CO2总排放量中的占比。

在构建模型时，必须认识到的是，汽车排放量的变化不仅会受到上述因素的影响，还与其他多个相关变量密切相关。例如，随着公共交通、新能源等相关产业的发展，汽车出行可能不再是人们唯一或主要的交通方式。同时，交通环境本身也处于瞬息万变的情况之中，如交通规则的变化、交通基础设施的改善或道路拥堵状况等，都可能对汽车的运行效率和排放水平产生影响。

此外，汽车的使用强度也是一个关键因素。随着城市化进程的推进和居民生活水平的提高，汽车的使用频率和行驶里程也在不断增加，这将直接导致CO2排放量的增加。同时，汽车产品结构的变化也会对排放产生一定影响，例如新能源汽车普及率升高、传统能源价格的提高等。

最后，低碳化材料技术的发展和应用对降低汽车排放至关重要。包括低摩擦涂层材料、纳米冷却液添加剂材料等，这些材料的应用可以显著提升汽车发动机的运行效率，减少汽车在运行过程中的CO2排放。

3 低碳化材料技术在汽车发动机中的应用

3.1 应用低摩擦涂层材料，减少摩擦损失

要实现汽车摩擦损失的降低，就必须推动低摩擦技术的创新与应用。这意味着汽车行业不仅需要做好发动机动力总成系统的设计，使其更具科学性和合理性，还要充分利用先进的低摩擦涂层材料。但当前的经济形势下，我国对环境治理提出了更高的要求，特别实在低碳节能方面。因此，汽车行业作为重要的碳排放源之一，必须积极推动汽车发动机低碳化材料技术的应用与创新，在此过程中，性能较佳、摩擦较小的涂层材料技术的运用显得尤为重要。在实际应用中，比较常见的涂层技术包括合金强化层、石墨涂层、金刚石碳层等，这对于提升发动机的燃油效率和降低碳排放具有关键作用，能够为我国的绿色发展贡献更多力量。此外，为了确保这些涂层技术的有效应用，还需要在实践中特别注意加强摩擦副微质点之间的咬合粘接，从而真正实现低摩擦的技术目标。为此，汽车行业可以与相关产业进行深度合作，不断提升自身技术水平，共同推动这一领域的技术进步。

3.2 采用纳米冷却液添加剂材料，实现热平衡

在汽车发动机的运行中，冷却液起着至关重要的作用。其不仅需要具备防腐防锈和防冻的基础功能，还需有效满足发动机在工作过程中产生的热平衡需求。随着现代科技的不断发展，废气自动再循环技术的运用越来越广泛，这在一定程度上提升了汽车冷却系统的热负荷。为了确保发动机的正常运行并降低废气排放，需要采取有效的措施。例如，在提升冷却液性能方面，除了增加水泵流量和扩大散热器尺寸外，提高冷却液的散热性能同样至关重要。为了实现这一目标，汽车产业需要对现有的冷却液材料和技术进行深入研究，开发出更高效、更稳定的冷却液产品。目前，纳米冷却液添加剂在解决汽车发动机高导热率问题方面具有较好的表现[1]。然而，这种材料在实际应用中面临着一个主要难题：纳米颗粒的团聚现象。这种问题不仅会影响冷却液的散热效果，还可能对水泵油封等设备造成损害。为了克服这一难题，汽车行业可以通过改善纳米颗粒分散方法、优化冷却液的配方等手段，来有效减少或消除纳米颗粒的团聚现象，从而确保冷却液的高效、稳定工作，为汽车发动机低碳化排放提供有力支持。

3.3 增加热电材料的应用，推动废气能量回收

在内燃机的工作过程中，燃油的热量并非能够全部转化为机械能，通常情况下，燃油的转化率维持在35%-50%之间，热量的损耗率较高。在这些被浪费的热量中，约有30%是通过发动机排气散失的。这种热量损失不仅增加了燃油的消耗，还提高了内燃机的运行成本，同时也对环境造成了压力。因此，为了提高内燃机的燃油效率，汽车产业需要加强先进技术的应用。当前，主要有两种技术可以实现这一目标：有机朗肯循环和排气发电。其中，前者主要应用于柴油机，而后者则更适用于汽油机。排气发电的原理主要基于热电材料的特性，利用内燃机内部的排气温度，使这些材料在高温环境下产生电能。同时，热电材料能够在热端和冷端的温差下产生电能，其中，热端通过排气流动进行加热，而冷端则通过与冷却液或环境空气的热交换来实现降温。通过这种方式，可以将内燃机排气中的热能转化为电能，为汽车的电气设备提供动力。这不仅提高了燃油效率，还有助于减少汽车对环境的影响[2]。考虑到汽车发动机在工作过程中产生的大量废热，传统的散热方法往往无法有效地回收这些能量。而纳米热电材料的应用，则显著改变了这一局面，其能够通过其独特的热电效应，将废热转化为电能，这不仅能够突破传统技术的瓶颈，还能显著提高能量的利用效率，减少发动机的能耗和排放。因此，为了充分发挥纳米热电材料的优势，汽车产业需要积极探索其在发动机部件中的应用。例如，可以考虑使用纳米热电材料制作发动机的排气系统部件，以利用其高效的热能转换特性，从而减少能量的损失和废气的排放。此外，还可以探索纳米热电材料在发动机冷却系统中的应用，通过其优秀的导热性能提高冷却效率，进一步降低发动机的工作温度。值得注意的是，纳米热电材料的应用不仅限于发动机本身，还可以考虑将其应用于汽车的电池系统、电气元件等其他关键部件中，以提高整个汽车的能源利用效率和排放性能。

3.4 加强绝热材料的使用，提升土层隔热效果

物理隔热涂层作为一种独特的绝热材料，主要依赖于氧化锆或氧化钛的主体作用，通过一系列技术改造，特别适用于发动机活塞的顶端。这种材料在推动发动机低碳化材料技术的创新中扮演着至关重要的角色。从物理特性的角度看，这种绝热材料的核心成分是氧化锆或氧化钛，为了进一步增强其性能，部分材料中还混合了钇或镁等元素。这些成分共同协作，达到了十分显著的隔热效果，有助于降低发动机运行时的热量产生和传递。在技术层面，这种物理隔热涂层并不仅仅依赖于单一的方法，而是结合了物理和化学两种技术手段。通过精心设计和制备，使涂层能够紧密地贴合在活塞的顶部。其中，等离子喷涂工艺是制备这种物理涂层的关键技术之一。在这一过程中，需要精确控制涂层的厚度和结合力，确保其在高温、高压的发动机环境中仍能保持性能的稳定性。从实际应用的效果来看，物理隔热涂层能够显著降低活塞内部的热量和热量传递速度[3]。这不仅有助于减少润滑油的热冲击效应，延长润滑油的使用寿命，还有助于提高发动机的效率和燃油的环保性。随着社会整体环保意识的提高，这种物理隔热涂层技术正受到越来越多的关注和重视。回顾其发展历程，活塞顶部绝热涂层技术最早应用于军工行业，但随着社会的进步和科技的发展，这项技术逐渐走进了汽车工业，成为推动汽车产业创新发展的关键因素之一。展望未来，随着技术的不断进步和应用领域的拓展，物理隔热涂层有望在更多领域发挥其独特的优势，为社会发展做出更大贡献。

3.5 加强机油添加剂的使用，有效解决低速早燃问题

在新的时代背景下，公众对燃油经济性和环保性能的要求也在不断提高，传统的方法由于成本较高，环保性能较差，已经不适用于新的社会发展需要。因此，对于汽车产业来说，必须从更全面的角度来审视和解决这一问题。为了更好地解决这一问题，机油添加剂的选择和应用成为关键。通过使用科学、高效的机油添加剂，可以有效减少机油在使用期间的氧化反应，这不仅能够提高机油的使用寿命，还能有效确保发动机的稳定运行。同时，通常情况下，汽车在使用过程中，活塞底部会逐渐激烈一些沉淀物，这往往会影响发动机的性能和效率。而通过添加剂的使用，可以显著减少活塞底部的沉积物，提升活塞的润滑性，从而有效解决低速早燃的问题，提高发动机的整体运行效率。此外，在汽车低碳化技术创新的大背景下，直喷增压发动机凭借其燃油效率上的优势，成为汽车行业技术革新的重要方向[4]。因此，汽车产业必须抓住这一机遇，不断加强技术研发和创新，来降低汽车的开发和使用成本。包括优化发动机的设计和生产流程、减少发动机能耗和排放等，在满足公众需求的同时推动汽车行业的可持续发展和技术进步。

4 结束语

汽车发动机作为汽车的核心组件，只要当汽车发动机实现了低碳化设计，才能够从根本上减少汽车排放对环境的污染。因此，在具体实践过程中，汽车企业必须从源头抓起，大力引进并应用先进的热电材料、涂层材料、低摩擦材料等低碳化材料技术，推动汽车发动机的绿色变革。这不仅有助于降低汽车的生产成本和有害物质的排放，还可以最大程度上提升汽车排放控制技术水平。未来，随着低碳化材料技术的不断发展，相信汽车产业会朝向更为环保、节能、高效的方向发展，从而为人类社会的可持续发展做出更大贡献。

参考文献：

[1]刘大学.纳米添加剂改善汽车发动机动力性能效果研究——评《汽车润滑技术》[J].机械设计，2020，37（09）：152.

[2]张嘉宁，兰程，张文杰，等.浅谈提高有机热电材料性能的策略[J].中国设备工程，2024（05）：124-126.

[3]袁兵，郑亚莉，杜林丽.气凝胶绝热材料在新能源汽车动力电池中的应用[J].当代化工研究，2023（21）：119-121.

[4]付昌星.汽车发动机低碳化材料技术创新实践探索[J].汽车实用技术，2018（15）：224-225.