在高温工况下,发动机的金属身躯已经成为一种标志。然而,随着树脂材料的突破,“塑料”逐渐入侵发动机。钢铁侠要变身了?
被塑料“入侵”的发动机是什么样子?
对于传统发动机来说,歧管零部件往往采用铜焊的金属件,而福特公司日前成功利用杜邦公司制造的Zytel HTN PPA(苯丙醇胺)合成树脂取代这部分的金属,制造出歧管系统中的冷却剂套管,并应用在两款发动机上。这个应用使得发动机总重量减轻了1磅,生产制造成本节省1美金。
福特通过与杜邦公司、伊利诺伊工具公司的密切合作,促成了这款全新设计并且实用的产品,而该研发团队也已经被塑料工程师协会提名为“2013汽车革新技术大奖中革新塑料奖项的候选人。”
歧管系统中冷却剂套管
全新的福特Duratec 3.5升和3.7升V型六缸发动机将使用这种注射成型且具有交叉结构的冷却剂套管。该元件以Zytel HTN PPA树脂塑料作为原材料,而没有采用过去的铜焊金属管。当发动机冷却液在这种全新的冷却套管中循环流动的时候,相关部件工作情况正常,说明新的设计满足零部件的设计要求。
当初,曾有另一种方案被提出,即用普通尼龙高分子聚合材料来代替发动机歧管,但是,后来这种方案被论证为不可行。首先,这种材料无法长时间抵挡化学品以及高温的腐蚀作用,所以尽管金属价格昂贵且重量较大,现在的发动机部件依然还是由金属打造,以满足抗腐蚀要求。其次,如果不改变发动机原有的结构,只是把铜焊金属管用尼龙元件代替,这种做法也是不可取的,因为把中空管集合成歧管系统的二次成型过程会产生很大压力,这种压力将对尼龙元件造成损毁。
最终设计团队选择了Zytel HTN PPA合成树脂,得益于该材料出众的耐高温和抗化学腐蚀性(尤其是抗冷却剂腐蚀性),它经常被用作发动机冷却零部件以及加油装置快速接口原材料。团队成员面临的难题是,如何通过全新的结构设计,把Zytel材料的冷却剂套管与发动机歧管整合在一起。他们使用Moldflow模型仿真分析软件优化结构工艺,并利用有限元分析优化整体设计;RJG公司的铸模空腔压力感测技术,则被用于获取二次成型过程中施加在空腔内壁上的压力值,这些数据用来控制加工过程中套管所承受的压力,以免压力过大造成不必要的损坏。
由Zytel HTN树脂材料加工出发动机歧管系统中的冷却剂套管
Duratec 3.5升和3.7升V型六缸发动机将是最早搭载一体式注射成型交叉结构冷却剂套管的两款产品,并将率先出现在福特Taurus、Flex、Edge和Explorer车型中。这两款全新发动机除了降低了重量和节约了成本,生产加工所需的步骤和机械设备也有减少,可以省去粉末金属涂层工艺。
Zytel HTN和Zytel系列其他的树脂材料也已经在汽车领域得到了广泛应用,其中不乏在发动机上的应用。举例来说,Zytel LC 7000 和 Zytel RS LC 4000用来加工汽车上使用的低压软管和套管,相比于标准尼龙11和12,这些材料全都拥有更长的使用寿命以及低温下更出色的抗冲击强度;杜邦公司利用Zytel HTN树脂材料为梅赛德斯奔驰公司打造了两款注射成型油底壳,用于大型重载卡车上;Zytel HTN甚至被川崎汽车用作SIM-WIL电动车的车轮电动机绕线管材料。
过去的理解是,可生物降解塑料很难承受高温,因此工作温度较高的发动机中,是无法出现这些原材料的。但是,随着Zytel HTN材料成功“入侵”发动机,也意味着树脂材料在特性上得到了很大提升,更为合理的设计也能够拓宽材料的应用范围。那些对树脂材料充满兴趣的汽车制造商,是不是觉得钢铁侠有一天也会摆脱笨重,获得另一副身体呢?
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