Полимерният двигател вече не е такава фантазия!
Двигателят, изработен от полимери не е толкова фантастичен! Използването на композити на полимерна основа се използва все повече в автомобилната индустрия за намаляване на теглото на превозните средства и повишаване на тяхната ефективност. Според експертите автомобилите на бъдещето ще се състоят от 75% различни видове полимерни материали. Нова и доста успешна стъпка в тази посока направи международна група изследователи от Германия и Япония.
Група разработчици на нови задвижващи системи (NAS) от изследователския центърFraunhofer ICT (Германия), заедно със специалисти отSumitomo Bakelite Co. Ltd. (Япония) разработи лек цилиндров блок, базиран на подсилени с влакна композитни материали.
Автомобилите трябва да станат по-леки, за да се постигне намален разход на гориво. Днес, докато металите се използват за направата на купето на автомобила и задвижващия механизъм, използването на подсилена пластмаса може да намали теглото на средна кола с 20%. Съвременните технологии вече позволяват да се създаде масово производство на автомобилни компоненти, изработени от пластмаса, чрез леене.
Към днешна дата полимерите като материал за производството на автомобил вече са „проникнали“ в много части и компоненти, но металите все още доминират в производството на двигатели и трансмисии, което блокира по-нататъшното намаляване на теглото на превозните средства. Известен успех по отношение на автомобилната "загуба на тегло" помогна да се постигне - използването на алуминий, но използването на подсилени с влакна пластмаси обещава още по-голям успех.
Използвахме композитен материал, подсилен с влакна, за да създадем корпус на цилиндров блок за експериментален единичен автомобилцилиндров двигател,
каза ръководителят на проекта д-рЛарс-Фредрик Берг, ръководител на Fraunhofer Research Group за нови задвижващи системи (NAS). Освен товаБерг отбеляза:
Полученото цилиндрично тяло тежи около 20 процента по-малко от алуминиев аналог на същата цена!
Идеята за използване на композитни материали е проста, но технологичните решения, които правят възможно прилагането на такава идея на практика, не са толкова прости. Изискванията към материалите, използвани в автомобилната индустрия, са доста високи. Те (материалите) трябва да издържат без повреди на екстремни вибрации, температури и високо налягане. Още през 80-те години на миналия век беше открито, че пластмасите могат да отговорят на горните изисквания. Масовото производство на автомобилни части от полимери обаче не беше възможно по това време. Причината за това е широкото използване на ръчен труд, което доведе до повишаване на себестойността и ограничено предлагане. Това е въпреки факта, че такъв елемент на автомобил като цилиндров блок е направен от метал в обем от няколко милиона долара.
На изследователите от NAS им отне много време, за да се уверят, че двигателят е здрав след използването на нови композитни материали на полимерна основа.
На първо място, проучихме областите в конструкцията на двигателя, които са най-изложени на високи температури и механични натоварвания. На такива места използваме метални вложки за подобряване на устойчивостта на износване,
Ларс-Фредрик Берг обяснява.
Един такъв елемент, открит от изследователския екип, е цилиндровата втулка. Буталото в този цилиндър се движи милиони пъти, докато колата се движи. В резултат на това разработчиците се променихагеометрията на редица компоненти по такъв начин, че да се сведат до минимум ефектите от термичния стрес върху пластмасовите компоненти.
Редица изисквания се прилагат към пластмасите, използвани при разработването на двигатели. Те трябва да имат необходимата здравина и твърдост, както и да са устойчиви на бензин, масла и гликол в охлаждащата течност. Използваната пластмаса трябва да има коефициент на топлинно разширение, който не надвишава този на метала, и също трябва да има добра адхезия към метала.
Експериментите показват, че ако коефициентът на топлинно разширение на пластмасовите компоненти надвишава този на металните компоненти, те започват да се разслояват. Изследователският центърSBHPP на Sumitomo Bakelite се притече на помощ при решаването на този проблем. Специалисти от SBHPP разработиха композитен материал, подсилен със стъклени влакна, базиран нафенол (wiki.MPlast.by). Крайният състав е 45% смола и 55% фибри. Полученият материал има достатъчно свойства, за да изпълни поставената от Фраунхофер задача. Трябва също да се отбележи, че използването на въглеродни влакна би направило устройството още по-леко, но високата цена на такъв материал кара човек да се чуди: Кой е приоритетът? Тегло или цена на бъдещата кола?
В резултат на това разработчиците са използвали иновативен материал в гранулирана форма и леене под налягане като производствен метод. Формата, в която влиза разтопеният материал, е специално проектирана с помощта на компютърни симулации. Трябва да се отбележи, че този метод на производство на автокомпоненти ви позволява бързо да получите готов продукт, който практически не изисква допълнителна обработка, докато части от алуминийтрябва да премине през серия от производствени стъпки. По този начин новата технология може да отвори композитни материали за широкомащабно производство за първи път.
Демонстрационен модел на експериментален двигател с олекотен корпус на цилиндър (Снимка:Fraunhofer ICT )
Доказахме, че той [двигателят, ред. MPlast.by] е в състояние да осигури същата производителност като двигател, изграден чрез традиционни технологии!
Трябва да се отбележи, че първият успех вдъхнови международен екип за разработка. Сега изследователите планират да разклатят хегемонията на метала в други компоненти и възли на автомобила.
Fraunhofer ICT (Fraunhofer Institute for Chemical Technology) е основан през 1949 г. и е кръстен на изключителния учен и предприемачЙозеф Фраунхофер (1787-1826). Седалището на центъра се намира в Мюнхен.
Ако в началото на работата си офисът на центъра се състоеше от 3 служители, днес Fraunhofer ICT е най-големият изследователски център за приложни изследвания в Европа. Изследователските области на центъра са фокусирани върху нуждите на хората: здраве, безопасност, комуникации, енергия и околна среда.