高性能材料应用于涡轮增压器和排放系统

杜邦材料应用于涡轮增压器和排放系统。

汽车行业面临的最大挑战是提高燃油经济性和降低排放,而不减少动力,这些都会对用于涡轮增压器和排放系统的材料产生影响。尽管有很多关于电力驱动系统的讨论,但在今后 15-20 年内,行业仍将依赖内燃机来解决上述挑战。

因此,像那些 2.5L 以下的小型内燃机将有显著增长。这些小型活塞式发动机将帮助提高燃油经济性和排放性能,但可能需要某种形式的性能提升,以达到客户要求的输出功率。性能提升将来自涡轮增压器等设备。

用于涡轮增压器和排放系统的材料,现在必须抵受由以下原因导致的更恶劣环境:

  • 更高的温度(170º C 到峰值 230ºC)
  • 更高的废气再循环 (EGR) 酸度
  • 更大的压力
  • 腐蚀性冷却剂
  • 磨损
 

能够承受高温和腐蚀性液体的材料

用于涡轮增压器和排放系统的多种杜邦材料,都可以承受这些新的条件:杜邦™ Zytel® PLUS 尼龙和杜邦™ Zytel® HTN92系列 PPA 树脂。这些树脂以我们的 SHIELD 技术为基础,在抵抗热氧化或长期热老化方面实现了大跃进。

将 SHIELD 技术应用于 Zytel® PLUS 聚合物可提高它们的抗热空气老化性能。Zytel® PLUS 和 Zytel® HTN92 系列 PPA 在暴露于 180º C 热空气中 3,000 个小时后仍能保持良好的强度。上述三种产品保持的强度比尼龙 66 高出 75% 到 100%,比 PPS 大约高出 40% 到 70%。

这种改善过的热老化性能意味着汽车制造商可以使用这些材料提高部件的耐用性,或使用这些新的复合材料取代高温回路中的金属部件,以节省成本并减轻重量。

关于保持拉伸强度方面,Zytel® HTN92 系列 PPA 和新的 Zytel® PLUS 尼龙浸泡在EGR 液体中进行 2,000 个小时的老化测试,最后仍然保留 50% 以上的原始性能。

对于冷却器的垫圈和密封应用,杜邦™ Vamac® AEM 弹性体和杜邦™ Viton® FKM 合成橡胶是很好的解决方案。这些弹性体在面对较高的温度和耐流体时表现出色。

涡轮系统的热管理

在涡轮系统的热管理中使用聚合物还有可能减轻重量并降低成本。

对于中冷器,可以通过使用塑料末端水箱节约成本。由塑料制成的水箱能够以较低的成本压接到金属芯。成本效益还可以扩展到低压 EGR 冷却器的低温侧。

另一种集成方法是,在与金属芯装配在一起前,通过部件成型技术将垫圈与末端水箱连接起来。由 Zytel® HTN PPA 制成的涡轮增压器谐振器用于一些小型的柴油发动机中。通过它可以进行复杂的形状设计和集成,从而节省成本并减轻重量。

EGR 阀促动器中的盖和一些部件可采用 Zytel® HTN PPA 制成,通过设计集成多个电气部件,再次达到节省成本和减重的目标。

涡轮增压器和排放系统中的磨损与摩擦

在过去的几年中,杜邦运用基础材料科学,帮助涡轮增压器和排放系统中的运动部件应对挑战,满足独特的磨损和摩擦要求。

尽管有不同的磨损类型,但杜邦将磨损定义为两个相互滑动的物体。磨损是当基层尝试承受另一个物体的移动时抵御压裂的能力。

通过定义一组会影响高温下磨损性能的关键材料特性,杜邦科学家能够证明耐磨损性能提高了 60-70%。

例如,盘系统上板的旋转表面之间有润滑剂,这种情况常见于止推垫圈和密封圈等传动系统应用。通过精心优化材料选择和设计准则,在了解系统的热需求的同时,我们能够证明测得的摩擦力减少了 45% 到 55%,这对传动系统的旋转部件是个显著改善。

为了达到较长的使用寿命,部件磨损应当微乎其微或不存在。为了获得可预测的响应时间,在车辆的使用寿命内,摩擦力应当恒定不变。当应用于配有高级排放控制系统的小型化涡轮增压发动机时,暴露条件将推动传统材料的性能极限更进一步。

杜邦™ Vespel® SCP 树脂塑料产品系列是杜邦对于摩擦力和磨损性能的研究成果之一。Vespel® SCP 材料可:

  • 减少高达 60-70% 的磨损。
  • 在更高的温度以及更高的压力时间和速度极限下达到更长的使用寿命。
  • 提供接近铝的热膨胀系数。
 

应用于排放阀的 Vespel® SCP 材料,暴露在高含量的烟灰和焦炭颗粒中,该材料进行评估后,汽车制造商可以看到 EGR 阀的性能得到了提高,这还有助于解决磨损和启动速度问题,主要是随着时间的推移摩擦性能发生变化所致。

涡轮增压器和排放控制设备

Vespel® 已在控制臂末端和连杆衬套等应用中经过成功测试,这些应用位于涡轮增压器外面并暴露在发动机舱环境中。工程师还考虑用作内部轴承部件,例如滚珠轴承保持架、轴垫片和密封件。

随着电子控制的使用率提高,这些部件必须以极快的启动速度运转。杜邦已经证明,即使在数百万个周期之后,Vespel® 部件仍能平稳、始终如一地运转。

"将技术转变为产品"

杜邦在弹性体、树脂和高性能部件方面提供深入的全球技术支持。杜邦材料和应用开发团队将继续寻找新的整合弹性体和树脂的方式,以帮助汽车制造商减轻车量并降低成本,而不影响性能。杜邦科学家继续发明耐高温的轻质材料,以帮助确保汽车制造商为涡轮增压器和排放系统选择最合适的材料。杜邦从当地和全球两方面发挥自己在整个价值链中的作用,以帮助汽车制造商缩短 "将技术转变为产品" 的时间。