国产发动机制造中有哪些被卡脖子的环节？

卡脖子，意思就是被国外企业明显存在独占的领域和产品。简单的来说3个极端，基础的材料、系统性应用和工业软件。而独立的硬件零部件的，中国纯本土的企业已经可以做的很好了。合资企业会把中国工厂作为全球的标杆工厂来进行制造的比比皆是。很多中国本土品牌主机厂标版自己几微米工厂的名号也很多。2010s那个本土企业靠买韩国三手生产线的日子一去不复返了。我们来举几个例子：基础材料：在进行一些涂层工艺，特别是物理气相沉积PVD相关的工艺的时候，需要一些超纯净的金属材料，这些材料全部都需要从欧洲进口。发动机的气门弹簧，从拉丝到制造弹簧来说，已经早已实现国产化。但是气门弹簧所使用的钢材，从中国的合资车企到最重视性价比的自主企业，没有一家中国车企敢用国产材料。原因就是气门弹簧的特性需要超纯净的钢材，钢材的不良组织的控制是正常弹簧钢的1%以下，甚至是千分之一以下。中国的钢厂从上个世纪80年代开始攻关发动机气门弹簧钢，四十多年过去了，做样品的不少，成功一个都没有。这个方面目前我和我的一些同事在和南京钢铁在做开发项目，提供对标和开发认证的确认，还有做第三方的材料分析对比与发动机的仿真支持，帮助中国钢厂达到这个，目前我们已经孤独的做了4年多了，算是我们对中国钢铁工业做的一点贡献。做这个的目的不仅仅是做气门弹簧，而是因为弹簧钢是特钢技术的明珠，而发动机气门弹簧钢是明珠中的明珠。这就意味这一家钢厂掌握了超高强度、超纯净、超稳定冶炼特种钢材，而且是能够批量保证稳定性的能力。这是有战略意义的工作。粉末冶金中使用的铁粉以及粉末冶金锻造技术。粉末冶金是一种非常常见的技术，很多高科技机械类企业在做，同时也有很多小作坊在做。传统的工艺本身比较简单，压制成型后烧结就好了。这里的关键在于铁粉。越是技术要求高的零件，就越需要海外进口的粉，主要来自GKN等美国的工厂。高端粉末之所以依赖进口，本身就在于其制造方法的复杂。大概的技术模式是融化的高纯净度铁水从一个炉子很高的地方浇落下来，整个炉子都是真空后有部分惰性气体的，然后在受控的条件下用惰性气体把这些铁水吹起来，然后铁水就被吹的破碎后成为规则圆润的的小颗粒冷却。国内的粉末绝大部分采用的是物理粉碎法或化学法，在高质量性能要求的领域远不及国外的大规模雾化法的质量好。粉末冶金锻造则是一种更加特殊的技术，传统的粉末冶金烧结就好了，粉末冶金锻造是在烧结的粉末冶金基础上进行进一步锻打。模具和后续的烧结有很多特殊工艺。但是粉末冶金锻造技术核心不仅是工艺，而且是基于这些工艺的材料开发。目前最好的发动机用锻钢材料的抗拉强度大概在1150MPa，美国最好的粉末冶金锻造新材料可以实现1950MPa抗拉强度。而且还能做到硬度不是太高，而且可以实现硬度不是太高。控制硬度有利于大规模加工时候对刀具的保护。这种材料目前在美国已经在军事和高端汽车零部件方面应用，可能会对中国禁运。目前给国内能用的可以做到1250MPa抗拉强度。学材料的人，懂的都懂。第一次看到1950MPa材料的时候，我一度以为他们写错了。直到我真的看到了这些材料。之所以短期内在材料开发方面无力，是因为这些企业对材料的基础投入很多，而且具有超长时间的持续投入。例如某很多材料，国内基本上就做个常温机械性能就完了。某美国粉末冶金材料企业把数百种不同的材料以及不同配方的粉末冶金材料从低温到高温的机械性能都做了。然后每年都会新作十几种材料。非金属材料的绝对垄断：越是高端领域的塑料颗粒配方，越是绝对的国外公司垄断。国内一些所谓的塑料配方公司很多也就是塑料配方的搬运工；国六排放大家都知道有一个东西叫GPF，目前国内已经有个别企业在做这个东西，也是很了不起的一件事情。但是里面的GPF载体（涂敷之前）的公司基本只有一家，这家企业女孩子很了解，叫做康宁。由于我国在排放法规方面以国六大幅提前为典型进度太快，进排气及后处理是被海外材料和关键结构设计垄断的重灾区。而且应该长期无解。机油添加剂的垄断：机油大家都知道，很多人也在用中石油、中石化等国产企业集团提供的机油品牌，用的也不错。但是机油主要分为两个部分，1是基础油，2是添加剂。主要的利润在添加剂部分。基础油目前国内很多，但是机油添加剂研发主要是国外企业，例如出光、亚富顿、路博润、润英联、嘉士多等等。系统性应用这里主要指的是电控和燃油喷射系统。在柴油机这块国内的替代做的比较好，主要还是在很长一段发展时间里，我国的柴油技术的法规进度大概比欧洲慢5-6年左右，国内有比较长的时间开展国产化开发工作。另一方面也是因为我国并没有走欧洲车用高速柴油机的路子，在商用车领域的柴油机的控制策略的复杂程度和相关零部件的加工精度要求还是弱了一些的。其实现在已经有不少企业可以做喷油器，线束以及一些电控传感器和配件，包括在市场上作为售后件也能直接匹配。但是由于电控系统的主要开发企业还是那么几家：联电（博世）、德尔福、日本电装等，他们一般只会用自己的配套零件来做系统。国内不是没有做过国产的电控系统。比如说陕西后来被比亚迪收购的秦川福莱尔汽车就曾经自己做过自己开发的电喷系统，我的研究生导师还负责过其中的核心部分的开发。后来一部分系统还移植到了中国一款有名的查打一体无人机的发动机控制系统里面（我的研究生同学现在还在秦岭山里与埃及等国之间穿梭之中）……再比如吉利汽车在甘肃等省参与国家试点的甲醇汽车，也因为甲醇汽车的配套太少，联电拒绝了开发任务，所以吉利汽车开发了一家国产的电控喷射系统服务商，然后一路支持到现在据说数据还不错。但是就传统燃油领域来说，还是传统这几家供应商最为强大。而且由于近些年来电气化零部件和智能化控制的要求越来越多，而控制系统和标定策略的开发开始转向虚拟开发模式，这种距离未来其实会越来越大。而且目前国内对燃油车发展政策未来的不确定性，严重影响了对这类技术的投入。所以国内未来基本上不会再出现新的追赶的企业了。但是如果燃油车因为替代燃料又维持下来了，后续的追赶落差会越来越大，因为国内车企每每开发一台发动机，对方就积累海量的一波数据和模型，随着现在机器学习和虚拟迭代开发的发展，对于这些模型数据的提炼和自动学习迭代有了更好的方法，所以这种迭代经验会越来越多。工业软件这个恐怕是最弱的了吧。别说什么三维造型、计算软件、标定软件、NVH测试软件、结构仿真、流体仿真、燃烧仿真、振动与噪声仿真、温度场仿真等等这些独立的设计与仿真软件，未来的发展路径是更加深入的设计模型化以及将CAD和CAE结合在一起。你可以理解为未来当你要设计一个东西，可以直接修改几个参数，模型就会自动开始构建和考虑最小壁厚和最小倒角等工艺限制要求，然后会自动校核空间干涉限制，做出避让。设计完成后做仿真，会自动根据仿真的结果，哪里安全系数很高，就会自动减肉，哪里安全系数不足，就会根据敏感度寻找最合理的部分加肉。未来的工业设计会越来越简单，但是背后是大量的算法模型，而且很多仿真相关的算法模型是通过监控大量实际运行的零件的高精度实时测量数值，与模型仿真结果对照，然后修正模型，最终让模型具备真实系统的响应特征。这就是所谓真正意义上的数字孪生。现在很多国家，尤其是美国，正在各个领域在尝试构建“绝对优势模型”，甚至包括我们传统觉得纯粹是人力劳动的机械设计领域。这几年，我渐渐开始注意到很多我合作的美国供应商以及美国的研究机构，给我发的设计原型，结构越来越美。所谓美，指的是模型的线条越来越顺畅，光滑，而且越来越多的出现很顺滑的曲面。已经到了一个优雅和美的境地。这个是让我很恐慌的，有些时候甚至有丁仪看到水滴时候的感觉。因为真正做过结构设计的人会知道，当你的设计要满足很多工艺要求、装夹定位以及接口要求的时候，顺畅的曲线和曲面是很难出现的，特别是有些是要先设计，然后计算，然后要在特定的位置加肉或者减肉，然后才能满足要求，就算你最后加上默认的倒圆过渡，模型中必然是存在多段曲线和曲面的衔接。我形象一点的描述就是，正常人画一个东西，正常就是要先画出基本结构，然后慢慢丰富调整，最后调整到一个合适的设计。而我现在经常会看到，感觉就是一挥而就的设计。感觉一个画家下第一笔的时候，就已经知道了整幅蒙娜丽莎样子。或者说一个画家从画第一根头发开始，就直接下笔了，因为他这时候都已经知道从头上剩下的头发位置到脚上的鞋带画在哪里了。其实工业界喊工业4.0狼来了喊了很多年了，很多人觉得就是一个噱头，我一度也认为是如此，但是过去四年越来越不觉得是这样，而且我自己也在领导做这方面基础模型的工作。这些不是仅出现在设计这一端，未来这样的模型可以直接放到智能加工中心中，加工中心根据比对毛坯模型和机加工成品模型的区别，自动分配多道工具的加工量和装夹与加工分步细节，然后自动编制分工序图和加工参数。再到未来你会发现，你必须要买某家的软件才能减少设计差错，你必须订购某个软件库才能让你的工程师完成设计，你必须购买某家的成套加工中心，才能实现在你找不到制造专家的情况下，靠极低的薪水招募到的临时工就可以完成复杂工序的零件制造工作。基础材料科学和基于模型开发的设计革命，才是我们最该担心卡脖子的东西。很多人其实会觉得既然内燃机这么麻烦，干脆绕过不做了不就好了吗。但是其实你会发现，其实发动机有这么大的保有量以及这么大的制造成本的容忍度，恰恰是支持先进材料和先进制造应用的基础平台。因为在现代工业下，你必须要有足够的制造量，才能支持你对材料、工艺、设计、软件系统的开发。汽车发动机其实相当于在每辆车的前舱设置了一个离线式发电站。在每辆车上能够实现从最低品质的无序燃烧热能，提炼出有序和高品质的机械能，而且效率还不错，而且费用还可以支持普及大多数人都可以接受。这简直就是工业奇迹。支撑这个奇迹的本身就是大量的材料、工艺、结构与设计能力百年来的迭代突破。你以为你绕过了这个坑，但事实上且不说你根本绕不开来，我更想要说的是它背后本质的基础科学将会在另一条赛道上默默的等你撞上来。来源：知乎 www.zhihu.com 作者：JackyQ 【知乎日报】千万用户的选择，做朋友圈里的新鲜事分享大牛。点击下载此问题还有 30 个回答，查看全部。延伸阅读：有没有人面试过研发工艺员啊？请问中山纬创资通的EE工程师的工作怎么样，应届生可以学到东西吗？

Jul 18, 2022 - 22:00

卡脖子，意思就是被国外企业明显存在独占的领域和产品。

简单的来说3个极端，基础的材料、系统性应用和工业软件。而独立的硬件零部件的，中国纯本土的企业已经可以做的很好了。合资企业会把中国工厂作为全球的标杆工厂来进行制造的比比皆是。很多中国本土品牌主机厂标版自己几微米工厂的名号也很多。2010s那个本土企业靠买韩国三手生产线的日子一去不复返了。

我们来举几个例子：

基础材料：

在进行一些涂层工艺，特别是物理气相沉积PVD相关的工艺的时候，需要一些超纯净的金属材料，这些材料全部都需要从欧洲进口。

发动机的气门弹簧，从拉丝到制造弹簧来说，已经早已实现国产化。但是气门弹簧所使用的钢材，从中国的合资车企到最重视性价比的自主企业，没有一家中国车企敢用国产材料。原因就是气门弹簧的特性需要超纯净的钢材，钢材的不良组织的控制是正常弹簧钢的1%以下，甚至是千分之一以下。中国的钢厂从上个世纪80年代开始攻关发动机气门弹簧钢，四十多年过去了，做样品的不少，成功一个都没有。这个方面目前我和我的一些同事在和南京钢铁在做开发项目，提供对标和开发认证的确认，还有做第三方的材料分析对比与发动机的仿真支持，帮助中国钢厂达到这个，目前我们已经孤独的做了4年多了，算是我们对中国钢铁工业做的一点贡献。

做这个的目的不仅仅是做气门弹簧，而是因为弹簧钢是特钢技术的明珠，而发动机气门弹簧钢是明珠中的明珠。这就意味这一家钢厂掌握了超高强度、超纯净、超稳定冶炼特种钢材，而且是能够批量保证稳定性的能力。这是有战略意义的工作。

粉末冶金中使用的铁粉以及粉末冶金锻造技术。

粉末冶金是一种非常常见的技术，很多高科技机械类企业在做，同时也有很多小作坊在做。传统的工艺本身比较简单，压制成型后烧结就好了。这里的关键在于铁粉。越是技术要求高的零件，就越需要海外进口的粉，主要来自GKN等美国的工厂。高端粉末之所以依赖进口，本身就在于其制造方法的复杂。

大概的技术模式是融化的高纯净度铁水从一个炉子很高的地方浇落下来，整个炉子都是真空后有部分惰性气体的，然后在受控的条件下用惰性气体把这些铁水吹起来，然后铁水就被吹的破碎后成为规则圆润的的小颗粒冷却。

国内的粉末绝大部分采用的是物理粉碎法或化学法，在高质量性能要求的领域远不及国外的大规模雾化法的质量好。

粉末冶金锻造则是一种更加特殊的技术，传统的粉末冶金烧结就好了，粉末冶金锻造是在烧结的粉末冶金基础上进行进一步锻打。模具和后续的烧结有很多特殊工艺。

但是粉末冶金锻造技术核心不仅是工艺，而且是基于这些工艺的材料开发。目前最好的发动机用锻钢材料的抗拉强度大概在1150MPa，美国最好的粉末冶金锻造新材料可以实现1950MPa抗拉强度。而且还能做到硬度不是太高，而且可以实现硬度不是太高。控制硬度有利于大规模加工时候对刀具的保护。这种材料目前在美国已经在军事和高端汽车零部件方面应用，可能会对中国禁运。目前给国内能用的可以做到1250MPa抗拉强度。学材料的人，懂的都懂。第一次看到1950MPa材料的时候，我一度以为他们写错了。直到我真的看到了这些材料。

之所以短期内在材料开发方面无力，是因为这些企业对材料的基础投入很多，而且具有超长时间的持续投入。例如某很多材料，国内基本上就做个常温机械性能就完了。某美国粉末冶金材料企业把数百种不同的材料以及不同配方的粉末冶金材料从低温到高温的机械性能都做了。然后每年都会新作十几种材料。

非金属材料的绝对垄断：

越是高端领域的塑料颗粒配方，越是绝对的国外公司垄断。国内一些所谓的塑料配方公司很多也就是塑料配方的搬运工；

国六排放大家都知道有一个东西叫GPF，目前国内已经有个别企业在做这个东西，也是很了不起的一件事情。但是里面的GPF载体（涂敷之前）的公司基本只有一家，这家企业女孩子很了解，叫做康宁。由于我国在排放法规方面以国六大幅提前为典型进度太快，进排气及后处理是被海外材料和关键结构设计垄断的重灾区。而且应该长期无解。

机油添加剂的垄断：

机油大家都知道，很多人也在用中石油、中石化等国产企业集团提供的机油品牌，用的也不错。但是机油主要分为两个部分，1是基础油，2是添加剂。主要的利润在添加剂部分。基础油目前国内很多，但是机油添加剂研发主要是国外企业，例如出光、亚富顿、路博润、润英联、嘉士多等等。

系统性应用

这里主要指的是电控和燃油喷射系统。在柴油机这块国内的替代做的比较好，主要还是在很长一段发展时间里，我国的柴油技术的法规进度大概比欧洲慢5-6年左右，国内有比较长的时间开展国产化开发工作。另一方面也是因为我国并没有走欧洲车用高速柴油机的路子，在商用车领域的柴油机的控制策略的复杂程度和相关零部件的加工精度要求还是弱了一些的。

其实现在已经有不少企业可以做喷油器，线束以及一些电控传感器和配件，包括在市场上作为售后件也能直接匹配。但是由于电控系统的主要开发企业还是那么几家：联电（博世）、德尔福、日本电装等，他们一般只会用自己的配套零件来做系统。

国内不是没有做过国产的电控系统。比如说陕西后来被比亚迪收购的秦川福莱尔汽车就曾经自己做过自己开发的电喷系统，我的研究生导师还负责过其中的核心部分的开发。后来一部分系统还移植到了中国一款有名的查打一体无人机的发动机控制系统里面（我的研究生同学现在还在秦岭山里与埃及等国之间穿梭之中）……

再比如吉利汽车在甘肃等省参与国家试点的甲醇汽车，也因为甲醇汽车的配套太少，联电拒绝了开发任务，所以吉利汽车开发了一家国产的电控喷射系统服务商，然后一路支持到现在据说数据还不错。

但是就传统燃油领域来说，还是传统这几家供应商最为强大。而且由于近些年来电气化零部件和智能化控制的要求越来越多，而控制系统和标定策略的开发开始转向虚拟开发模式，这种距离未来其实会越来越大。而且目前国内对燃油车发展政策未来的不确定性，严重影响了对这类技术的投入。所以国内未来基本上不会再出现新的追赶的企业了。但是如果燃油车因为替代燃料又维持下来了，后续的追赶落差会越来越大，因为国内车企每每开发一台发动机，对方就积累海量的一波数据和模型，随着现在机器学习和虚拟迭代开发的发展，对于这些模型数据的提炼和自动学习迭代有了更好的方法，所以这种迭代经验会越来越多。

工业软件

这个恐怕是最弱的了吧。别说什么三维造型、计算软件、标定软件、NVH测试软件、结构仿真、流体仿真、燃烧仿真、振动与噪声仿真、温度场仿真等等这些独立的设计与仿真软件，未来的发展路径是更加深入的设计模型化以及将CAD和CAE结合在一起。你可以理解为未来当你要设计一个东西，可以直接修改几个参数，模型就会自动开始构建和考虑最小壁厚和最小倒角等工艺限制要求，然后会自动校核空间干涉限制，做出避让。设计完成后做仿真，会自动根据仿真的结果，哪里安全系数很高，就会自动减肉，哪里安全系数不足，就会根据敏感度寻找最合理的部分加肉。

未来的工业设计会越来越简单，但是背后是大量的算法模型，而且很多仿真相关的算法模型是通过监控大量实际运行的零件的高精度实时测量数值，与模型仿真结果对照，然后修正模型，最终让模型具备真实系统的响应特征。这就是所谓真正意义上的数字孪生。

现在很多国家，尤其是美国，正在各个领域在尝试构建“绝对优势模型”，甚至包括我们传统觉得纯粹是人力劳动的机械设计领域。这几年，我渐渐开始注意到很多我合作的美国供应商以及美国的研究机构，给我发的设计原型，结构越来越美。所谓美，指的是模型的线条越来越顺畅，光滑，而且越来越多的出现很顺滑的曲面。已经到了一个优雅和美的境地。

这个是让我很恐慌的，有些时候甚至有丁仪看到水滴时候的感觉。因为真正做过结构设计的人会知道，当你的设计要满足很多工艺要求、装夹定位以及接口要求的时候，顺畅的曲线和曲面是很难出现的，特别是有些是要先设计，然后计算，然后要在特定的位置加肉或者减肉，然后才能满足要求，就算你最后加上默认的倒圆过渡，模型中必然是存在多段曲线和曲面的衔接。

我形象一点的描述就是，正常人画一个东西，正常就是要先画出基本结构，然后慢慢丰富调整，最后调整到一个合适的设计。

而我现在经常会看到，感觉就是一挥而就的设计。感觉一个画家下第一笔的时候，就已经知道了整幅蒙娜丽莎样子。或者说一个画家从画第一根头发开始，就直接下笔了，因为他这时候都已经知道从头上剩下的头发位置到脚上的鞋带画在哪里了。

其实工业界喊工业4.0狼来了喊了很多年了，很多人觉得就是一个噱头，我一度也认为是如此，但是过去四年越来越不觉得是这样，而且我自己也在领导做这方面基础模型的工作。这些不是仅出现在设计这一端，未来这样的模型可以直接放到智能加工中心中，加工中心根据比对毛坯模型和机加工成品模型的区别，自动分配多道工具的加工量和装夹与加工分步细节，然后自动编制分工序图和加工参数。

再到未来你会发现，你必须要买某家的软件才能减少设计差错，你必须订购某个软件库才能让你的工程师完成设计，你必须购买某家的成套加工中心，才能实现在你找不到制造专家的情况下，靠极低的薪水招募到的临时工就可以完成复杂工序的零件制造工作。

基础材料科学和基于模型开发的设计革命，才是我们最该担心卡脖子的东西。

很多人其实会觉得既然内燃机这么麻烦，干脆绕过不做了不就好了吗。但是其实你会发现，其实发动机有这么大的保有量以及这么大的制造成本的容忍度，恰恰是支持先进材料和先进制造应用的基础平台。因为在现代工业下，你必须要有足够的制造量，才能支持你对材料、工艺、设计、软件系统的开发。

汽车发动机其实相当于在每辆车的前舱设置了一个离线式发电站。在每辆车上能够实现从最低品质的无序燃烧热能，提炼出有序和高品质的机械能，而且效率还不错，而且费用还可以支持普及大多数人都可以接受。这简直就是工业奇迹。支撑这个奇迹的本身就是大量的材料、工艺、结构与设计能力百年来的迭代突破。你以为你绕过了这个坑，但事实上且不说你根本绕不开来，我更想要说的是它背后本质的基础科学将会在另一条赛道上默默的等你撞上来。

来源：知乎 www.zhihu.com
作者：JackyQ

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