发动机的质量在乘用车整车中占12％左右。发动机的轻量化，可以提高汽车动力性、节省材料、降低成本，并涉及整车的质量分布。发动机的轻量化必须保证在以工作可靠性和整车安全性为前提下，通过材料、工艺、结构的优化设计达到轻量化目标。具体措施如下：

①通过拓扑优化分析相关零件结构并进行尺寸优化和形状优化，降低零件质量并同时降低零件成本。

②通过不同零件的功能组合，进行零件模块化设计，减少零件数量，提高模块通用性。

③采用先进的轻量化材料技术、加工设备及成形工艺技术实现汽车发动机产品零件的轻量化。

④在具体实施的过程中应采取概念设计先行，材料与工艺相辅相成的技术路线。

1.结构优化

目前在发动机设计研发行业里，发动机集成化、轻量化是设计的主流方向，同时发动机零部件的结构创新和优化对装备和工艺也提出了新的要求。下面列举几个结构创新的例子。

（1）气缸盖集成排气歧管。

大众最新的第三代EA888将排气歧管集成于气缸盖内，排气歧管内的热废气能够更好地与缸盖水套进行热交换。这样同是采用发动机冷却水来冷却，相当于冷却系统多了一个热源，能够更快地实现暖机，减少冷起动造成内部构件的摩擦，使发动机更快地进入高效工作状态，从而达到降低排放，节省油耗的目的。由于内置式气缸盖排气歧管也起到了简化发动机零部件的作用，从而能让发动机减少3～5kg，同时减少的质量位于发动机顶部，所以这对整车的重心降低是有好处的。

（2）空心凸轮轴。

传统的一体式凸轮轴采用单一的材料，通过铸造或锻造制坯后经多工序切削加工而成。而在凸轮轴轻量化工作中，主要是将其空心化。空心凸轮轴有三种方式：加工式空心凸轮轴、铸造空心凸轮轴、组装式空心凸轮轴。

其中组装式空心凸轮轴是由铁基粉末冶金材料制成凸轮，然后用烧结或机械的办法将凸轮固定在空心钢管上。与铸铁件相比，中空装配式凸轮轴质量减少25％～30％，在降低生产成本、提高整机性能等方面具有传统凸轮轴无法比拟的优势，越来越受到广泛关注和重视，并成为凸轮轴制造技术的发展方向。(www.daowen.com)

（3）曲轴的轻量化。

所采取的主要措施有：减少扇板数量，从传统的8片减少到4片；减小扇板的宽度，并进行形状优化；缩小主轴颈的尺寸。另外，国内有些汽车厂已经开发出主轴颈、拐颈为空的中空曲轴，使得曲轴质量降低15％。

（4）利用3D打印技术优化结构。

3D打印制造技术给内燃机提供了全新的发展前景，使得制造商可以利用分层材料制造零部件，并减轻装配操作强度和优化发动机部件数量。这种技术最大的好处是便于整合和优化零部件。例如，雷诺卡车公司新开发的发动机，零部件数量减少200个，相当于减少了25％。工程师集成了80个缸体零件和45个缸盖零件，这些措施都大大减少了发动机的质量。

2.材料创新

发动机轻量化在材料方面首先是考虑用铝合金材料、镁合金材料替代密度大的铸铁材料，在优化改进结构的基础上实现结构更强，质量更小。高强度结构钢使零件设计得更紧凑和小型化，有助于汽车的轻量化，主要应用于气门弹簧、齿轮、涨断连杆等。铝合金主要应用于气缸体、缸盖、活塞、进气管、水泵壳、起动机壳体、摇臂、发动机支架、滤清器底座、齿轮室罩盖、飞轮壳、油底壳等发动机零部件。镁合金主要应用于链条室、气门等。此外，随着汽车轻量化要求越来越高，使用蠕墨铸铁作为缸体缸盖材料也越来越普遍，一台装配好的蠕墨铸铁发动机的质量一般要比灰铸铁发动机轻9％左右。

发动机材料大部分为优质铸铁、结构钢或铝合金，但随着材料技术的发展，一些复合材料也开始在发动机上应用。

发动机油底壳作为储油槽的外壳，用于收集和储存润滑油并保证散热。目前，绝大多数的汽车油底壳主要为冲压成形的钢制油底壳或压铸成形的铝合金油底壳，但也有部分企业开始应用玻璃纤维增强复合材料。

玻璃纤维增强复合材料的密度比钢材和铝合金的密度都要小，所以能够有效降低零部件的质量，而且通过注塑成形可以实现收集器、机油滤清器及机油挡板等的集成，进一步减少空间占用、生产制造费用和装配费用。从汽车轻量化的角度出发，与铸铝油底壳相比，结构优化后的玻璃纤维增强复合材料注塑成形油底壳的质量减少了37.16％，实现了轻量化设计。

另外，进气歧管塑料化也是汽车轻量化的要求。塑料进气歧管不仅质轻，而且由于内壁光滑，可改进气体流动性，提高气体流量，进气效率高，隔热效果好，因而能提高发动机性能和燃料利用率。由于焊接技术的提高，可制作从简单到复杂的塑料进气歧管，把复杂的进气歧管分片注塑成形，利用振动摩擦焊接组焊成形。分片注塑结构工艺优化，可降低模具成本，避免注塑制品缺陷，提高制品性能。