引擎盖下的塑料

传统上，在发动机舱中使用金属以外的任何材料都是不可想象的。但是，那种旧的经验法则正在改变，因为许多汽车制造商和供应商使用塑料来减少车辆重量。

任何汽车引擎盖下的世界都是严酷的。高温和持续的振动对大多数部件产生了严重的应力。部件会与油、润滑脂、汽油、传动液、制动液、水、冰、路盐、污垢、灰尘和其他元素接触，更不用说极端的冷热温度。耐磨性对任何连接到发动机或安装在附近的部件也很重要。

传统上，在发动机舱中使用金属以外的任何材料都是不可想象的。但是，这个古老的经验法则正在迅速改变。许多汽车制造商和供应商都在使用塑料，如尼龙、聚苯硫醚和聚丙烯，以减轻汽车重量和提高燃油效率。其他的好处包括部件的巩固，节省成本，耐用，耐腐蚀和隔音。

因此，打开发动机罩，发现塑料进气歧管、气门盖、燃油轨、水泵外壳、暖通空调系统、制动液库、电子节流阀控制系统、发动机罩、过滤系统和其他动力总成部件已不再罕见。

在本月于底特律举行的SAE大会上，轻质材料将成为热门话题。汽车工程师们正在努力寻找方法来满足新的企业平均燃油经济性(CAFE)标准。它要求汽车制造商在不牺牲安全或成本的情况下，从现在到2020年将平均燃油经济性提高40%。面对不断增长的提高燃料效率的压力，许多工程师正在探索使用塑料代替传统金属部件的新方法。

“咖啡厅正在驾驶汽车制造商重新思考引擎盖下的事情，”Ticona Polymers Inc.的汽车应用技术营销经理Paul Spevetz说（佛罗伦萨）。“他们正试图从较小的解放引擎中获得更多的电力。”这是强迫工程师使用更多组件，例如涡轮增压器，使其能够创建促进燃料经济性的缩小发动机，同时减少二氧化碳排放。

Spevetz预测:“随着尺寸变得更紧，包装尺寸减小，发动机罩下的塑料应用将会增加。”事实上，他说，尽管经济不景气，Ticona的底特律办公室最近比以往任何时候都要忙。“每个人都渴望改变游戏规则的想法。CAFE标准正在挑战工程师们以不同的方式做事。他们愿意尝试过去从未做过的事情。”

这在汽车创新奖竞赛中显而易见，这是由塑料拓扑协会（SPE，Brookfield，CT）赞助的年度活动，这些活动已经看到了引擎盖下的局部应用程序的条目稳步增加。即使收到的提名类型近年来也发生了变化。

“十年前，主要是发动机美容罩和进气歧管之类的东西，”佩吉·马尔纳蒂说，她管理着这个已有38年历史的奖项。“现在，我们看到的是全塑料油盘和扭矩反作用支架。换句话说，基于早期金属-塑料转化的成功，聚合物材料正在进入更困难的应用领域。”

去年的获奖者之一是G. Bruss GmbH (Hoisdorf，德国)生产的用于梅赛德斯-奔驰C级轿车的尼龙-铝混合油底壳模块。它比全铝的前辈轻了2磅多，便宜了20%。

2007年，由热固性聚酯制成的电子节气门控制模块获得了SPE的一等奖。该设备由罗伯特博世有限责任公司(法明顿希尔斯，MI)提供，用于克莱斯勒Pacifica跨界车。它取代了铸铝外壳，从而减少了28%的重量和18%的成本。此外，一种可快速安装的盖子消除了紧固件的使用。

世界各地的汽车制造商在持续的十字架上，以减轻体重。例如，日产电机公司（东京）计划到2015年将其汽车投资15％。为了解决这一挑战，该公司最近开始制作塑料摇臂和柴油发动机的前盖，在其Navara和Pathfinder车辆上。通过从尼龙模塑零件，而不是铝，日产工程师能够减轻40％。它们通过将武士队伍，Quest和Titan的ELEC-TRIC水阀组件转换为钢到塑料来实现类似的节省。

由于汽车制造商急于制造小型节能发动机，预计塑料的使用将会增加。通用汽车公司(General Motors Corp.)计划到2011年将四缸发动机的全球产量提高一倍。两年内，通用汽车在北美组装的所有发动机中，三分之一将是四缸发动机，21%将是涡轮增压发动机。与此同时，福特汽车公司(Ford Motor Co.)计划将北美地区四缸发动机的产量增加一倍，达到100万辆以上。

汽车制造商正在制造更小、更省油的发动机。

一种新的思维方式

欧洲的塑料下的引擎盖趋势始于欧洲，汽车制造商拥有长大的车辆，配备小型，节能的发动机。Solvay Advanced Polymers LLC（Alpharetta，GA）的全球市场经理Brian Baleno表示，欧洲工程师往往在愿意为动力总成应用使用塑料方面更加渐进。“欧洲有更高的EM-Phasis对整体系统效率和通过使用历史上使用的塑料获得的燃油经济性，”他指出。“这正在开始改变美国。”

欧洲汽车工程师也更愿意与材料供应商密切合作，开发塑料友好型设计。“他们在热塑性塑料方面有着长期的、积极的经验，”巴斯夫公司(BASF Corp.， Florham Park, NJ)动力系统营销部门主管玛丽安·摩根(Marianne Morgan)说。“早在20世纪80年代和90年代，北美制造商在塑料方面就遇到过一些失败，当时他们的(金属)设计没有针对塑料材料进行优化。”

改变这种心态是用塑料取代金属动力总成部件的最大挑战之一。根据班雷诺的说法，通常不可能把一个现有的金属部件简单地复制成塑料。他解释说:“需要使用计算机辅助工程工具，如有限元分析，来设计塑料零件。”“这确保了部件的设计能够承受(独特的)发动机罩下的负载和压力。此外，还可以通过取心塑料部件来减少重量。”

布兰森超声波公司(位于康涅狄格州丹伯里)的汽车市场部门经理Bill Heatherwick补充道:“我们发现，汽车引擎盖下的塑料使用量显著增加。”“在尺寸稳定性、耐热性和耐化学性方面，塑料的性能不断提高，这使得增加塑料的使用成为可能。我们也看到人们对塑料作为高度工程化的解决方案的接受程度发生了变化。所有主要的树脂供应商都在培养工程师方面发挥了关键作用。”

Heatherwick表示，从金属转向塑料的最大挑战一直在说服汽车工程界，塑料溶液也可以表现，或者更好，或者更好，具有重量和成本减少的增加的益处。“金属是一种已知的商品，具有良好的性能和测试数据的次数，”他解释道。“说服OEM将飞跃塑料是最艰难的障碍。现在有多大的数据支持塑料溶液，将满足发动机振动，温度和耐化学性的试验规范。“

例如，热塑性塑料的机械性能低于铝和钢。“这些属性随着引擎盖下的环境中的累积温度而变化，”DSM Chemicals Inc.（Augusta，Ga）的Application Developer Manager，Application Develop Manager Manager。“这种组件的设计，以满足经济目标内的功能要求需要彻底了解所应用的压力。”

塑料还提供了一些性能特点，创造更大的刚性，以及更紧的公差，比金属制造的零件。这使得工程师可以将大量的金属部件减少到一个塑料模制的结构部件。可采用模制的组件，凸台，肋和其他功能，如支架和连接点，以减少装配步骤，减轻重量和减少零件数量。

杜邦汽车(DuPont Automotive)全球动力总成部门经理Gianluigi Molteni解释说:“设计的灵活性使工程师能够简化零部件，并整合不同的功能。“造型也变得更加先进，以允许更复杂的设计。这使得包装和组装更加容易。”

零件设计的自由度允许汽车工程师创造不同的几何形状，这有时是不可能的金属。这就是塑料成为进气歧管流行材料的原因之一。典型的尼龙歧管重4到6磅，而铸铝部件重20磅。但是，重量的节省只是使用塑料的优点之一。

摩根说:“进气通道光滑的内壁比铝合金的阻力性能更低。”“塑料(也)更容易塑形，这使得气流设计更有利。”

Forward Technology Inc. (Cokato, MN)的区域销售经理Dan Schewe补充道:“注塑零件在内部空气-燃料通道中提供a级抛光，以帮助提高空气流动和发动机效率。”铸造零件通常是粗糙的，需要大量的清洗和加工。塑料允许零件设计师使用适当数量的材料，以适应工作的要求。进气歧管的壁厚不仅要满足正常的空气流量要求，还要有足够的强度来应对振动和可能的发动机回火。”

这款四缸宝马发动机使用的恒温器是由尼龙制成的。高强度塑料耐高温，易于焊接。

材料问题

尼龙是发动机舱中最受欢迎的热塑性塑料。“它占申请的60％至80％，因为它可以承受高温，”Dukane Corp.（圣查尔斯，IL）全球汽车营销经理Ray Laflamme说。自20世纪40年代后期以来，尼龙已在引擎盖下使用，但早期应用专注于较少的关键组件，如阀杆，布线夹，齿轮，轴承，衬套，开关壳体和挡风玻璃刮水器系统。

20世纪70年代，宝马、标致和保时捷等欧洲汽车制造商开始使用尼龙进气歧管。然而，直到20世纪90年代初，美国才出现了第一个大容量的歧管，当时通用汽车在其V-6发动机上使用了尼龙。

聚丙烯主要用于储存器，例如动力转向液箱，因为它不能太接近极热部件，例如排气歧管或涡轮增压装置。聚苯硫醚非常适用于必须承受高于150至160℃，例如水和冷却剂泵的零件。液晶聚合物通常用于电子组合物，例如传感器壳体和连接器。根据Laflamme的说法，许多塑料部件被热绘制或锻造到发动机舱中的金属子组件。

引擎盖下使用的塑料类型，包括不同的等级和厚度，通常取决于特定的应用。例如，在任何轴上的几英寸就会造成使用尼龙或聚苯硫醚的巨大差异。温度的大变化会引起膨胀和收缩，从而改变热塑性塑料的物理性能。

“[使用]尼龙或聚苯硫醚树脂的最大挑战是它们有一个尖锐的熔点，”Heatherwick说。“它们生产优质零件的加工窗口很窄。这就导致了材料和设备的价格上涨。”

“总的来说，塑料部件具有化学和环境性能，能够在正常工作条件下承受高温和振动，”Brian Gourley解释说，他是sonic and Materials公司的技术服务经理。“一些应用，如外壳、护罩和连接器，几乎没有挑战，它们都是塑料的优秀候选人。

“塑料特别适用于静止或轻型使用的部件，”京烈添加。“另一方面，涉及动力或扭矩的情况可能会造成更多挑战，因为它们放置了更多的耐用性，导致塑料部件可能比由金属制成的塑料部分失效。”

大多数罩的局部应用涉及半结晶聚合物。“它们通常具有更高的熔体温度，对解决方案，化学品和燃料不敏感，”爱迪生焊接研究所的高级塑料焊接工程师Marc St. John说，高级塑料焊接工程师（哥伦布，哦）。“这些聚合物的性质通常用短的玻璃纤维填料增强。在焊接接头处实现相同的增强难以获得且难以获得，因为纤维通常定向为接头而不是横跨其来提供增强的性质。

St. John补充说:“引擎盖下的应用使用了多个连接过程。“例如，进气歧管的振动焊接是常见的。在其他部件上，使用了粘合剂、卡扣、旋转、激光、热板和超声波。每一份申请都必须单独审查。在所有情况下，零件的尺寸、形状和塑料的类型决定了哪些焊接工艺可能适合于特定的应用。”

由于发动机舱室内的积热和振动，焊接是最常用的连接工艺。但是，胶粘剂也可用于粘接、密封和罐塑件。汉高公司(Madison Heights, MI)汽车市场经理Mark Neuenschwander表示:“应用范围从塑料阀盖上的结构粘接到塑料侧盖上的液体密封胶。“尼龙基片已经被非常有效地粘合或密封，使用的是单独的粘合剂，或与清洁剂或等离子处理工艺一起。”

引擎盖塑料下方的焊接决定始终通过零件尺寸和几何确定。“材料选择通常不会影响大量的装配过程，”Herrmann Ultrasonics Inc.的Application Manager申请人Ken Holt。（Bartlett，IL）。“较小的零件或更大的零件的子组件运行高产量，[如燃料和滤波器部件]通常决定超声组件。具有复杂几何形状的大型部件需要不同的装配方法，如热板，激光或振动焊接。“

线性振动焊接是连接发动机罩下塑料件最常用的方法。Heatherwick解释说:“它的关键优势是能够焊接具有大焊接表面积的半晶体材料。”“这种技术提供了非凡的焊接强度和尺寸重复性。多壳进气歧管就是一个很好的例子。(该部件)通常体积较大，几何形状复杂，并受到冲击和振动测试等严格要求。”然而，随着对无微粒组件的要求增加，Heatherwick说，人们对激光焊接的兴趣正在增长。

“振动焊接迎合大部分发动机相关的部件，如进气歧管，带油箱叶片的阀门盖，带风波板的油锅，空气谐振器和发动机盖，增加了Schewe。“但是，并非所有部件都有一个扁平的或2D Con-Tour才能允许振动焊接。这是当不同技术（例如热板焊接）时需要被赋予EM-PLOYED。

“例如冷却剂罐，电涌罐，真空储存器，制动储存器，离合器主缸储存器和挡风玻璃洗衣机，通常是由聚丙烯或聚乙烯模塑的”流体容器“，”Schewe指出。“这些材料是自然润滑和滑溜的。它们通常是热板焊接，特别是在需要最大焊接强度的应用上。“

超声波焊接用于组装塑料动力棘轮部件，例如该阀盖。

未来的应用

汽车供应商和材料配方商继续为引擎盖下的塑料寻找新用途，包括几年前还无法想象的应用。例如，Mann + Hummel GmbH (Ludwigsburg, Germany)最近开始批量生产塑料油底壳。与传统的全铝部件相比，全塑料部件减少了60%的重量，或与混合铝和塑料组件相比减少了30%。

“通过整合额外的组件，可以实现成本，重量，安装空间和组装的进一步益处，”公司的首席执行官Dieter Seipler说。“例如，对于塑料，额外的功能可以在与进气系统中相同的程度集成。

“可以考虑将这些部件作为油管，拾取管，过滤器，单独的油藏和挡板的整合，”加入SEIPLER。“安装由滤油器和油冷却器组成的完整油模块，也提供了具有相当大的潜力，无论是技术还是经济的观点。”

“塑料油盘可以被塑造成复杂的形状，以优化发动机舱有限的空间，”Ducker Worldwide(密歇根州特洛伊市)的顾问理查德·舒尔茨说。“因此，你可以创造出更复杂的部分。”

在过去，油平板是钢或铝。在未来，塑料可能会占主导地位。这就是燃料箱发生的事情。“20年前，他们都是用钢铁制成的，”Schultz说。“今天，81％的燃料箱是塑料。”

在过去的20年里，进气歧管也慢慢地从金属到塑料的设计演变。舒尔茨回忆道:“在20世纪80年代中期，80%的进气歧管是铝制的。“如今，铝占市场份额的58%，随着塑料的不断进入，这一比例最终将降至50%。”

虽然今天发动机舱内有更多的塑料，但Schultz认为钢铁将继续发挥重要作用。“新的高强度钢可以节省15％至20％的体重，因为零件可以更薄，”他指出。“这使得与塑料和其他轻质材料具有竞争力。”

此外，许多发动机部件，如排气歧管和涡轮增压器，不能由塑料制成，需要金属的物理性能。

霍尔特说:“根据定义，塑料在负载下总是会变形，在压力下会蠕变。”“这些特性可以改善，但永远无法完全消除。然而，在40年前，谁会想到塑料进气歧管会在今天的市场上变得普遍?许多(装配)技术的进步使得塑料部件不仅能在生产线上存活下来，还能长期暴露在发动机罩下的压力之下。”

DSM的康利补充道:“如果你回顾一下发动机引擎盖下使用的热塑性工程材料的历史发展，你会发现它们已经离实际燃烧过程更近了一步，从低风险的外部部件到发动机本身的内部。”“实际发生燃烧事件的汽缸不太可能，但过去已经尝试过塑料发动机缸体。”

事实上，在20世纪80年代中期，福特的工程师开发了一款2.3升的发动机，其特点是塑料块、连杆和活塞裙。虽然实验发动机从未大规模生产，但Polimotor项目证明，塑料可以作为铝、铸铁和钢的轻量化替代品。

布兰森超声波公司的Heatherwick预测道:“(持续的)改善质量和发动机性能的努力将导致塑料材料的持续进步。”“目前正在开发的几个新应用将把塑料在动力系统中的应用带到下一代。”

由于保密协议，他不能透露任何细节。但是，几家树脂供应商提供了塑料将如何用于未来汽车的引擎盖。

根据巴斯夫的摩根，下一个大应用将是连接杆和曲轴，其次是发动机块。杜邦的Molteni声明目前正在在谐振器和排气系统上进行大量研发工作。他还预测，将来会有更多的应用程序，涉及汽缸盖盖。一种

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