今天,发动机零部件和系统的发展基本上由整车制造商的三个目标驱动:较小安装空间、低重量和高功率密度。因此,一个紧凑轻量化的设计是成功的关键。空气管理系统产品通过提供智能化的塑料解决方案来迎接这个挑战。
马勒产品上的轻量化技术
如果有可能用塑料给进气模块或气缸罩替换铝材料,那么产品重量可减轻30%。然而在这些发动机部件中,不能牺牲强度来达到低重量要求,这是塑料作为轻量化材料存在的问题之一。塑料比低密度金属的弹性模量低70倍,此外塑料的强度较低,有更加明显的温度敏感性。
为了努力弥补这些不利因素,需要用到改性材料。具体在发动机部件应用上,就是合成材料即增强玻璃纤维。塑料分子的交联在根本上决定了材料的化学性能,而机械性能,如弯曲强度等则主要由纤维确定。有鉴于此,对塑料的应用需要非常精确和具体的设计。马勒开发了有关塑料设计方面的具体计算方法,譬如预测塑料部件具体的失效方式,同时考虑到纤维方向并将其应用到产品开发过程中。
除材料的低密度之外,塑料还有许多其他方面的优点:容易注塑和焊接使得对功能的集成成为可能,因而提供了一个紧凑、集成设计的有效途径,从而为减轻重量提供了帮助。
进气歧管和气缸罩在塑料工程中的应用
马勒成功地在塑料进气歧管上以塑料代替铝材料。这应归功于运用热塑性塑料良好的注塑性能,达到重量和成本的节约,同时,产生功能方面的优势。 随后,在进气模块上采用塑料的例子随之而来,不仅在汽油发动机上,而且也应用在柴油发动机上。
塑料在柴油进气模块的应用,也展示了塑料作为轻量化材料所能达到的极限。柴油发动机的开发意味着更高的充气压力、更高的废气再循环和更高的温度。由EGR(废气再循环)在空气管道上引起的高温度使塑料的应用更加困难。这些问题的解决方案已经出现:混合式模块设计已经变得可行,可在塑料件上采用其有金属功能部件,如热插件、金属材料制成的加强结构和热保护罩等,并且开发了适用于高温的特殊塑料。这些高性能耐热塑料有可被适用于200℃的PPS(聚醚砜)或适合于高达250℃的PEEK(聚醚醚酮)。
在柴油机进气系统中,由于这些方法的采用,使得轻量化塑料使用的趋势稳步上升。近来,为进一步减轻重量和加大功能集成度,金属气缸罩由尼龙制成塑料端盖替换。马勒开发的气缸罩盖和仍在开发中的其他塑料端盖,包括在商用车的应用,顺应了这一趋势。高温载荷下强度和密度的要求是对于塑料这一轻量化材料的特殊挑战。
通过创新的制造过程实施轻量化设计
即使轻量化材料(也要求高效率地使用。下一步的诀窍是型腔设计,塑料生产过程中谈到的“物理泡沫”,在马勒,这个过程将被引入到生产中。在注射过程中,气体如CO2或N2,被分散在融溶的塑料中,在注射后的压力损失导致气体从融溶液体中逃逸并形成一个一致的微孔结构。这种结构与骨头结构相似,因此是一个理想轻量化设计型式:极低的重量、高强度。在应用塑料部件方面,如气缸罩盖、空气过滤器或进气模块壳体中,通过采用该种技术,这些结构可以进一步减轻达15%的重量。
未来属于创新塑料
通过进一步开发塑料材料,与智能设计理念一道,应用领域可能进一步拓展。今天由金属材料制成的发动机隔层零件,将来也会被塑料部件所替换。通过创新和基于塑料的部件设计,马勒将会通过一个高水平功能集成和通过对新颖的生产过程使用实现型腔设计,进一步演绎塑料应用在发动机机上的成功故事。







