在过去的十年中，二氧化碳的减排一直是汽车马达领域的发展方向。一辆汽车的寿命中，其中制造过程中的碳排放占约20%，其它的80%是在使用过程当中产生，因此人们始终关注着节能方面的技术。为了满足一直在提高的车辆法定排放标准，关于内外驱动式的方法研究变得十分必要。这会导致单个发动机组件的负载大大提高。
作为第二个重要课题“小型化”.内燃机的汽缸体积明显减小了。而发动机流失的功率可以利用增压技术得到补偿。这个举措的目的是尽可能提高发动机效率。通过减小汽缸体积可以降低马达摩擦损失、车身移动重量、小面积的能源损耗，也就降低了能源消耗，提高了发动机有效系数。但是这种提高功率的方式会增加单个发动机零部件的负载。
轻质材料被称为“最理想材质”。这几年，为了集成舒适和安全功能，车身重量大大增加，这是目前市场上一种逆向的趋势，这样的设计最终并不能担负起减少耗能的责任。发动机，尤其是汽缸体曲轴箱作为成套设备中最重的一个部件，角色尤为重要。因此关于原材料“铝制材质“与”层状石墨铸铁“的比较和讨论，一直是汽车设计领域中的焦点。
由于以下情况的大势所趋：
二氧化碳排放降低
轻质结构
小型化
然而关于发动机发展的部分对立意见出现了，并且矛盾日益激烈。用于汽缸体曲轴箱的材料不是根据单一的标准就能选择出来的，相反地，要全面考虑产品的特征和完整性，当然，这一切的前提都是建立在有效运行时间中，零部件的高稳定性上。以下将对用于零部件生产的原材料作进一步的讨论。
热机械条件
过去的20年当中，能效功率的开发一直着重的是单体发动机，因此可以确定，大多数联动装置（发动机+传动器）的功率在过去增加了将近一倍，扭矩在发展的进程中也明显提高了。（图1）展示了，从1997年到今天，奥迪V6 TDI发动机在功率和扭矩增加的同时，二氧化碳排放量也在降低。
同时该时间段内的发动机排放标准越来越严格。1992年出台的欧1尾气排放标准到现在为止已经提高了好几个不同程度的限制规格。目前的排放规定是2014年9月制定的针对欧6尾气等级排放标准，即柴油机为80mg/km一氧化氮和4.5mg/km灰尘排放，汽油机为60mg/km一氧化氮。并且第一次制定了针对汽油机放射微粒物质上限为45mg/km，到2017年柴油机也将执行该标准。
为了遵循这些规定，发动机将面临多种类型的研发。同时大量发动机额外技术也开发出来。例如柴油汽车通过更换新型发动机，并安装SCR系统（脱硫系统催化剂）可减少NOx尾气的排放。该项技术通过改变发动机的工作方式、燃烧方式，来提高能效，也就是通过提高汽缸顶端压力（柴油发动机）、喷射压力和燃烧压力，就如同提高了温度。该工作方式增大了发动机组件的负载，详情见以下描述：
汽缸组的负载主要在以下四个范围产生（图2）：
汽缸的衔接范围
汽缸衬垫/导轨
汽缸曲柄的螺杆套
轴承座
衔接处的最重要的参数是热机负载。由于汽缸的整体铸造工艺决定了发动机汽缸的间距或结构长度，因此不良的散热条件会增加发动机的热负载。发动机衔接宽度、实心、直径，影响到发动机的整体体积，因此必须标注说明。对于铝制汽缸组，汽缸套连接在一起时，为了保持缸壁的支撑力，要注意衔接片宽度。由两种原材料铸成的汽缸，需要安装具有力学作用的芯状衔接冷却装置，确切地说是插入冷却装置。对于铝制汽缸组，冷凝管路不可单独用于散热工作，而且要注意缸体顶端的密封问题，可通过蠕变过程，也就是衔接片插入来防止散热。
需要特别注意的是导轨范围的热机负载。缸壁的主要作用是吸收汽体用来燃烧，而产生的热量只能通过汽缸壁来排放。同时导轨的活塞和活塞环之间会产生磨擦热，会导致功率损耗、增大磨擦功率，增大腐蚀强度、增大油耗。
由于石墨铸铁（EN-GJL）被广泛用于汽缸组制造，也使得铝制汽缸组导轨技术出现多样化。其中的研发成果例如：浇铸所谓的，热力/机械衔接轴衬或整体溶解，也就是铝硅合金作为缸体的原材料，使目前发动机组件的安装在一定程度上更强调整体构造。外壳的构造必须考虑到除热、磨擦功率、油耗、磨损强度、燃料当中的燃烧值和冷凝效果。同时还展示了在导轨腐蚀方面的研发潜力。原则上倾向在浇铸发动机组应运导轨技术，因为铝制发动机组导轨生产的成本高，所以额外增加了过程中的风险和其它费用。
汽缸盖的螺纹套管接头是主要的负载体。由于与导轨和冷却套之间的空间距离较近，需要特别注意安装洁净的去耦合装置，力求达到：
1． 导轨弯曲部位无较大的预紧力
2． 在力的流动方向无通向水室的结构缺陷和裂缝
在轴承座上会产生主要的力学作用，每个发动机研发计划都有不同的解决方式来安装发动机组的曲轴。以下是不同的解决方法：
凸起结构
汽缸组上部安装金属座板
安装轴承架的凸起装置
在发动机组的主轴承螺杆上通过曲轴和轴承盖预紧力产生负载，并且有可能产生通向缸体螺旋衔接处和燃烧节点的能流。另外、高负载发动机组通过引入横向螺纹套管接头来提高稳定性。对于铝制发动机产生于汽缸盖螺栓的动力，也就是穿过主轴承螺栓的动力被钢制螺栓吸收，因此高能效的铝制发动机组需要更多成本用于所谓的拉杆。然而相比较EN-GJL，铝制材料发动机组的质量明显降低，同时针对底盘结构，由于铝制材料的热膨胀性较大，需在轴承座上安装铸铁插件，用于防止铝制材料结构在支撑位置上产生裂缝而导致油压泄漏。
通过准确的耐久上限实验，可以描述出原材料的特性，以及轴承座上的负载。试验条件为：利用成型零件在牵引力和压力的作用下进行原材料试验（频率 f=20kHz，压强比 R=-1）。为了准确体现发动机运行的效果，试验条件必须达到150℃，（图3）所示数值（90%合格率）为铝制、石墨铸铁（EN-GJL）两种原材料的试验结果，还展示了每种原材料不同的重要合金成份。轴承座经过试验证明了， EN-GJL 450 合金可承重双倍动力压强，相比较EN-GJL 250 也是铝合金整体构造，铝材质比初级合金可承受更大负载。
另外，研发人员通过提高应力场，提高原材料的热机效果， 进一步提高轻质材料的坚韧度。对于只占到汽车整体质量的3%-4%的发动机，汽缸组可能是汽车整体结构中质量最大的单体零部件。这里向人们展示了，从功率等级分类中，推断出合适的原材料，还展示了热机效果、经济性、过程安全性、模块化系统等。
在过去几年市场中，尤其是汽油发动机领域，替换铝制材质为EN-GJL材质后观察得出以下观点：
混合的结构体
模块化系统：与功率分级不同的同步处理
创造价值
产品成本
对于发动机缸体原材料的选择主要考虑以上4个方面，选择标准随后进行详细叙述。
浇铸方法
通过零部件的解释分析，例如：功率、质量和汽缸体积，可以选择原材料和浇铸方法。而浇铸方式决定了产品的以下几个方面的特征：
样式：永久铸型（金属铸型/压铸模型）或沙铸
核芯制造（砂芯/连接系统/钢芯管）
模具填充（重力填充或压力填充）
当现实制造过程中EN-GJL砂铸法受限时，可用其它工艺进行铝材料的生产（图4和图5）。
通常所说的，永久铸模法由于较好的除热效果可达到永久铸型和压力铸型的优点。由于凝固速度的提高， 在大多数压铸法中可以放弃费用较高的热处理环节。最多可能需要固溶处理。永久铸模法的缺点是不同的结构改造受限。该两种模型可通过砂铸法的优点来平衡，但是砂铸法的缺点是模型、砂芯制造和回收利用需要较高投资和生产成本。
如选择浇铸方法需要注意以下几方面:
符合零部件制造过程中安全生产条件和实际过程中的误差范围
个体成本、制造成本、测试成本、清洁成本、数量
力学条件：达到静止/动态稳定性，也就是一系列固有的公差
个体零部件质量与发动机整体质量的比较
同一部位与结构大小的比较
几何边界条件，特别在零部件数量较大的时候，其兼容性并不是一成不变的：结构空间、封闭或开放式顶盖研发、功能组合、大小不限的缸壁厚度、同一系列不同坯料制成缸壁的
厚度误差、附载质量，包含：a）浇铸过程中的毛刺、b）转位半径、c）供给支架、d）铸件侧面凹陷部分、e）附加装置、f）附加螺栓固紧件...
制造工艺-过程链
按照原材料和浇铸方式的组合，必须建立起用于制造——过程链的坯料供应。对于石墨铸铁材质的发动机组，大多数制造过程是在基础结构上安装砂芯装置和核芯装置，并利用重力来填充熔液。而铝制材质的制造过程非常依赖于浇铸方式的选择。对于这两种过程，工艺过程中采用与砂铸法必须注意以下方面，如（图6）介绍。
热处理：
为了达到与石墨铸铁材料同级别的相同特征，铝制发动机组必须强制进行热处理。
防水处理：
为了保障汽缸组介质管路中的压力密度，在铝制材质制造过程中，在缩孔倾斜处预装防水零件。借助于已安装的前置压力流失测量装置，不再有严重的密封性泄漏，特别是在发动机整个使用期限内，要求无泄漏。
导轨的生产：
石墨铸铁发动机组还必须安装导轨，但是对于铝制发动机组会提高额外成本，因为用于避免活塞和活塞环之间摩擦的导轨不适用于通用型铝合金发动机组（不包含合金ALSi17Cu4Mg）。通常的解决方案是焊接技术，确切地说，就是加入石墨铸铁轴套或是导向镀层。
综合以上叙述的过程链，铝制材料和石墨铸铁材料会被以下因素影响成本和可能存在的质量风险，也就是全球化生产。
质量：
事实上，对于铝制材质，以下涉及到的因素由铸件特征来决定：
焊接构造（模具）：
初级晶体结构中的二级树枝状结晶体的臂距：由现场的冷却条件，膨胀和抗拉强度，静止和动态数值决定。
砂铸和金属模铸过程中的晶体精密加工
共晶体：较大的冷却率十分重要，可以让硅晶体紧凑，不松散、粗糙、较薄。冷却率由于缸体厚度和浇铸方式的限制，因此在砂铸和金属模铸过程中，要添加钠或锶用来提纯。
渗透性铸造：
首先，当温度较高时，铝处于液体流动状态，对氢元素有较大的溶解力，在凝结过程中，骤然降低溶解能力，可将氢元素从毛细孔分离出来。
当凝结过程中体积缩小2-7%时，会产生收缩孔的风险。
杂质的影响：
铁与硅混合产生不同的针状毛坯物，会降低抗拉强度和膨胀性，特别是切口应力集中效应α-AL5FeSi。
由于较高的吸附力，吸附氢氧元素形成具有陶瓷特性的（AL2O3）。
对于原材料浇铸，必须注意浇铸工艺的特点：
由于铁-碳二元系统，零部件的冶炼组合和铸壁厚度（冷却速度决定）可形成一个稳定或亚稳定的凝固条件。
基础构造：亚铁/珠光体铸铁的比值幅度：珠光铸铁部分越大，强度越大。
珠光体/亚铁铸铁比值由碳和硅的成分来形成。
通过放晶种处理，可改变晶种数量，有利于石墨脱离和基础构造。
石墨铸钢自有吸附能力，也必须注意EN-GJV自有吸附能力特点。
（图7）展示了，不同原材料浇铸的缺陷。涉及重要的方面，铝合金由于自有较大的吸附能力，因此可吸附氧、氢、铁和磷分子而影响最终质量。石墨铸钢原材料内部缺陷较大，而每个缺陷都会影响整个零部件的质量。
经济效益
浇铸工艺的方法选择直接决定了生产成本，在铝制发动机组和石墨铸铁发动机组固有的过程链中，都使用砂铸法铸造，主要区别在于热处理、防水处理和导轨制造。必须注意以下内容，评估的基础数值是：四缸石墨铸铁发动机组的总成本为基础数值。
热处理：
铝制发动机组必须在连续加热炉中用热效除砂工艺——热砂再生工艺，对组件进行热处理。首先，所有的核芯装置必须运进熔炉，利用热效应，在砂芯装置中点燃残留物燃烧器使其分裂。随后零部件置于必要的热处理过程当中。每进行一次热处理，与石墨铸铁发动机组相比，铝制发动机组会增加投资费用、热处理费用和能源消耗费用。T6热处理会增加约10%的费用（参考数量）。
防水处理：
由于对非金属物质有较强的吸附力，铝制发动机组在进气冲程过程中产生倾斜，在进气冲程过程中铸件表皮受到外力作用而变薄。特别是在发动机工作温度较高情况下，导致铸件表皮变薄而导致渗油，而缸体内部温度又不可测定，进一步削弱了铸件表片厚度。一般在砂铸法和模铸法中，15%的发动机组都会出现该情况。
对此大多数铸件要浸入树脂，来填充表面材料的缺陷，随后要烘干并清除零部件上多余的密封胶，再进行二次密封测试。但是固有的防水措施和额外的密封测试会额外增加成本费约10%左右。（R4发动机组，参考数量）
导轨生产
在这里要区分市场上通用技术——“焊接/压入”石墨铸钢轴套和镀层。汽缸衬垫的预处理需要参考所有变量。当汽缸衬垫机轴满足焊接条件时，外壳粗糙表面的预处理是十分必要的。首先要在焊接基层表面凹陷部分要准确地贴附上焊接填充材料。衬套的焊接（包括材料费）会导致成本提高大约30-40%，外壳镀层会导致成本提高50-70%（气体等离子涂料，数量参考）。
原材料价格
另外要注意，不同原材料价格导致工艺步骤的区别。过去的国际市场上，石墨铸铁大概0.2欧元/Kg，而铝大概为2.3欧元/Kg（2014年10月）。
通过以上列举的价格，可以看出：相对于石墨钢铸发动机组，铝制发动机组的质量、导轨和热处理工艺明显会导致成本价格大幅地上涨。
国际化
为了研发和投资成本的降低，大多数原始设备制造商（OEMs）尝试通过标准化的制定来节约成本。这个趋势也对发动机分级产生影响。通过所谓的基本战略和模块化战略，大量地制造通用型零件，达到最大效益规模。内置发动机必须适应客户、陆地和驾驶条件。事实上，在世界范围生产的发动机，被称为“全球发动机基础标准”[7]。
在世界范围内生产同类型发动机，仍然具有很大的困难。区域生产中心前提是要有很多国家来围绕这个中心，并且制定生产标准和质量等级。研发经验的不足和自动化程度的低下，受限的社会意识，都是极大的困难。在这里对供货商的强化管理是必要的，要注意的是，稳定、坚固的制造过程对铸件质量起到正面影响，因此要参照零部件铸造规定的设计以及固有的器械设备设计来制定质量标准。铸造工人对生产设施和生产材料专业规定的执行，直接影响了最终质量。[表一]展示了影响因素对生产质量的效果，该评估是2003年由10位
铸造行业的专家评审而出的，表明了铝和铁材质的结果。对石墨铸铁材料来讲，几何形状因素对质量影响占到60%，而由于铝元素吸附能力较大对于质量的影响占到75%。因此可以确定，在早期的实验中，80%的石墨铸铁（EN-GLJ）以及95%的铝材质零件质量受设计结构和原料设计影响。仅仅对某些利基产品的零部件进行复杂的几何设计及加强检修强度的特别铸造法，不适合于产品的全球化生产。
通过以上结论，可以得出，铝制发动机组国际化高标准的生产比较困难，对于高品质铁合金，鉴于冶金技术和模制材料对于铸造条件也有较高的要求，以至于国际化生产也同样困难。
结论
从以上论述中可以得出，对于发动机组零部件没有所谓“正确”——合适的原材料。对于每种新的设计来说，最佳解决方案，是必须重新开发新的产品，来达到结构空间要求和客户使用要求。因此许多个体因素必须评估，并优先排序。当“客户使用，技术优化即盈利”作为最终目标时，绝不可以单独定义每个个体标准。
