住友Bakelite將樹脂材料應用於引擎

刊登日期:2017/2/28
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鋁合金與鎂合金等輕金屬是引擎輕量化的主流,如果可以使用樹脂材料,將對輕量化有重大貢獻。引擎約佔車體重量的1/10,引擎活塞由鑄鐵置換成鋁合金時,減重15〜20公斤。除了燃燒室與排氣系統,引擎本體的零件幾乎均可置換成樹脂材料,如果是2.0公升等級的引擎至少可減少40公斤的重量,燃料性能可提高3%。

引擎室內的吸氣與冷卻等輔助系統的作動環境比較穩定,要求100〜130℃的耐熱性,多數可置換成樹脂材料。相較於鋁合金製的吸氣歧管、汽缸/接頭/外殼等,改用樹脂材料可以降低生產成本,可應用於量產車。

引擎本體內燃燒室外接的平衡器、轉軸、齒輪等,可置換成耐熱160℃;具耐熱性與機械強度的Polyaminoamide樹脂或Polyether Ether Ketone。由於此材料成本較高,應用受限。

引擎作動時,燃燒室與排氣系統為高溫狀態,受力大的曲軸與連桿等可動部份,很難置換成樹脂材料。汽缸本體佔引擎重量一半以上,作動時周圍溫度超過200℃,一般使用的樹脂耐熱性僅100〜130℃,只能置換成在高溫下仍滿足剛性要求的高功能性樹脂。

引擎樹脂化有兩個主要的方法,其一是改變燃燒室結構,設計不易熱傳的外圍零件,其二是選擇在高溫下具高強度的高功能樹脂。住友Bakelite的Fraunhofer研究所藉由改變設計,將汽缸本體由鋁合金置換成碳纖維複合酚樹脂,重量減少28%。已應用於德國BMW的「F650」機車;排氣量650、水冷單氣缸引擎。目前正與多家車廠洽商,預計2023〜2025年可以實用化。

汽缸內部壁面溫度大於200℃,即使是具高耐熱性的酚樹脂也難以承受。因此,汽缸內壁仍使用鋁合金,外圍使用樹脂材料,為防止內壁的摩耗,在內壁鍍上鎳與碳化矽的複合材料「NIKASIL塗佈」。利用熱流體分析,調整加熱方式,樹脂部份需承受的溫度控制在110℃左右。內壁與本體間加上分離的密封材料,再於縫隙注入不易傳熱的冷卻水。

引擎內的溫度變化劇烈,樹脂比金屬易產生大的熱應力。重複運轉使用時,會造成材料的變形與劣化。新引擎以鋁合金引擎的結構為基礎,計算引擎作動時樹脂加熱的應力。再藉由拉伸與增加厚度將應力集中於局部區域,以降低整體應力。由於應力集中區域的零件易損壞,設計時採用曲面設計,減少外形的稜角。

這種設計是以使用酚樹脂為前提,整體重量約1.7公斤,較使用鋁合金的2.35公斤減少650公克,輕量28%。新引擎經測試運轉,以最高6000轉/分,運轉5小時,重覆多次測試,與傳統的引擎有相同的功率性能。引擎樹脂化還有另外的附加價值,與配置吸音材料有相同的效果,可以減少5分貝的噪音。此外,由於樹脂零件的熱傳導率低,隔熱性高,可縮短暖機時間。

住友Bakelite試算成本,樹脂製新引擎與鋁合金製品的生產成品相當。樹脂與鋁合金的材料成本相同,碳纖維複合材料的成本高於鋁合成,唯成形性優,可降低加工與模型成本,因此最終的總成本相同。新引擎目前僅進行實驗室的測試,藉由熱履歷計算產品壽命。車輛的耐用年限達10年以上,實用化的實證測試還需經數年的安全性評估。


資料來源: 日經產業新聞 / 材料世界網編譯
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