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适用于未来发动机的垫片

气缸容量小型化和设计紧凑化早已成为一种趋势,这就意味着发动机盖内部空间变小且温度变高。由于冷却剂温度不断升高,安装在冷却回路上的垫片所承受的负荷也随之加大。瓦克的新型液体硅橡胶可满足上述日益增长的需求。

时至今日,摩托车、小型飞机和汽油动力割草机往往仍在使用气冷式内燃机。甚至连到20世纪70年代还批量生产的大众甲壳虫、雪铁龙2CV等传奇车型也使用气冷式发动机。跑车手对这种驱动方式尤其交口称赞,当然其中一个非常重要的原因是它的声音很大。这也是为何当德国最后一家停止使用气冷式发动机的汽车生产商——来自德国施瓦本地区的跑车制造商保时捷于1998年宣布将以911新型发动机取代气冷式发动机时,一些保时捷的忠实拥趸嘘唏不已的原因。

如今,几乎所有车型都采用液冷式内燃机。冷却剂——水和乙二醇的混合物——采用封闭式循环,并在散热器中完成冷却。现代内燃机的效率约为30%-45%。粗略估算一下,在温度最高可达2,500 °C的情况下产生的热量约有五分之三未被利用——这就是废热。约有一半的废热与废气一起通过排气管排出;剩余的废热则会造成发动机温度升高,尤其是气缸体、气缸盖和活塞。为了防止发动机过热,气缸体和气缸盖需要使用冷却剂加以冷却。

在工作过程中,冷却回路的计示压力最高可达到1.5巴,这将提高冷却剂的沸点。在计示压力为1.5巴的条件下,由水和乙二醇组成的冷却剂只有达到约125 °C才会沸腾,而非其在大气压力条件下的沸点温度110 °C。散热器内的温度梯度变大可用于将热冷却剂的热量转移到周围空气中。发动机的工作状态可以反映冷却剂的温度;如果无需使用超高功率的发动机,冷却剂的平均温度约为90°C。

有效增强冷却效果的风扇

汽车散热器:这里的温度可达到90°C以上。垫片(黄色)必须能够经受上述条件的考验,并能常年保持其功能性。

冷却剂泵主要用于输送冷却剂。它将散热器中已冷却的冷却剂运送至发烫的发动机部件中。之后,变热的冷却剂重新回到散热器中。气缸盖出口处附近的传感器主要用于测量冷却剂的温度。这样驾驶员就能实时监测工作温度。如果工作温度超过特定数值,散热器前方的风扇就会自行打开,有效增强冷却效果。

发动机冷却系统可以防止发动机部件尤其是气缸易损件出现弯曲,通过防止机油碳化的方法确保减摩油膜得到妥善维护,并且有助于对燃烧过程加以控制。由于冷却剂损失造成的冷却不足很快会导致令人担心的活塞拉缸及其他对发动机造成的严重损伤。因此,确保冷却循环中使用的垫片功能正常是极其重要的。

尽管散热器、冷却剂泵、恒温器和冷却剂贮器内的部件相互连接,但可以拆卸。为了确保冷却剂不会出现损失,连接部件必须采用密封连接,以保证在工作条件下,连接部件在其整个使用寿命期间都不会发生液体泄漏。

气缸盖上的传感器

产品

ELASTOSIL® LR 3022/60是一种耐冷却剂的汽车行业用液体有机硅。弹性体甚至能够长时期保持良好的回弹性和密封性。

预制弹性体成型垫片可用于系统中的多个部位,以确保其密封性。大多数成型垫片安装在两个部件之一的配合表面密封槽内。在安装第二个部件时,成型垫片就会受到压缩。

这种压缩方式利用了弹性体的橡胶弹性性能——由于其具有良好的回弹性,弹性体并不会永久变形,而会恢复原有形状。在压缩过程中,成型弹性体密封件受到的机械应力会将密封胶材料在部件四周的表面压实。如果密封件被充分压缩,就会将连接处密封起来。

在现有条件下,必须尽可能减少成型弹性体密封件回弹性的变化率,使其长时间保持密封性。考虑到冷却回路中垫片需要承受重荷,这就为材料工程师带来了巨大挑战。垫片在安装过程中受到压缩,使得弹性体处于持续的静态形变状态。在发动机运行过程中,弹性体需要承受更多的动态负荷(随着时间推移而改变的负荷),如振动和扭转。不过,最重要的是,弹性体必须能够承受冷却剂的作用。当液体变热时,这种负载就会变得尤为巨大。

由于发动机小型化已成为大势所趋,发动机的冷却就变得愈发困难。工程师都在努力减少气缸容量以及气缸数量。通过直接喷射和涡轮增压等方式对扭矩损失进行补偿。不过,这会造成发动机的热通量不断增加。与此同时,发动机盖内的空间变得日益狭促——一味追求紧凑设计增加了散热的难度。由于采取了上述措施,发动机舱内的平均温度不断上升。

温度不断升高

很少有弹性密封胶材料能够应对日益增加的热负荷。例如,在100 °C以上的温度条件下,传统有机硅弹性体会受到冷却剂两种主要成分之一——乙二醇的化学侵蚀。因此,它们一般无法用于与热冷却剂直接接触的密封处理。迄今为止,成型密封件主要使用有机弹性体制成。但是,由于发动机舱内的温度越来越高,汽车行业开始大幅提高对垫片材料的要求。

新型有机硅配方

Elastosil® LR 3022制成的垫片这种新型液体有机硅是专门为汽车行业开发的。

瓦克开发了一种用于生产成型密封件的新型液体硅橡胶ELASTOSIL® LR 3022/60。即使在125°C的高温下与热冷却剂长时间接触,这种有机硅制成的垫片也能保持其密封效果。“这种新型硅橡胶采用特殊配方,因此垫片能在其整个使用寿命期间满足冷却回路的苛刻条件,”在开发新型有机硅弹性体过程中做出杰出贡献的瓦克博格豪森生产基地应用实验室负责人ThomasFrese博士强调说。“这种材料制成的垫片与热冷却剂长时间直接接触依然可以保持足够强的回弹性。”

因此,即便在125°C下经过1,000小时的长期老化测试,该产品的压缩形变率(对测试样品测量确定、用于描述弹性体回弹性的技术参数)也不会超过50%。这意味着测试样品在压缩至原有厚度的四分之三并置于沸腾的冷却剂中约42天,解压后至少可以恢复原有压缩量的一半。因此,在解压之后,形变率最多为50%。更准确地说,这意味着1.2毫米的垫片被压缩至0.9毫米并置于沸腾的冷却剂中存放,解压后可大约恢复原有压缩量的一半。因此,垫片此时的测量值至少为1.05毫米。

“在上述苛刻的测试条件下,液体硅橡胶此前从未有如此好的表现,”瓦克的化学技师Frese强调说。因此,测试结果显示,即便长时间置于热冷却剂中,这种新型材料制成的成型密封件依然保持良好的密封性。

“ELASTOSIL® LR 3022/60为汽车行业提供了一种可以替代有机橡胶制品的高品质产品。”

Wolfgang Schattenmann博士, 橡胶解决方案业务团队负责人

有机硅能承受冷热双重考验

此外,固化橡胶还具有典型的有机硅特性。其中包括优异的耐热性以及低温柔韧性(-45°C)。即使在极低的温度下(例如在北方寒冷的冬季夜晚时分冷却的发动机内部),ELASTOSIL® LR 3022/60制成的固化橡胶也能保持弹性。这些特性使得新型有机硅适用于冷却回路。此外,作为液体硅橡胶,ELASTOSIL® LR 3022/60还可轻松采用注射成型工艺,使得低成本、大规模生产各种垫片及其他与冷却剂直接接触用成型部件成为可能。

“这就为汽车行业提供了一种可以替代有机橡胶制品的高品质产品,”瓦克有机硅橡胶解决方案业务团队负责人Wolfgang Schattenmann博士解释说。Schattenmann表示,这种新型专用有机硅所能承受的负荷甚至超过发动机冷却回路的现有负荷。“有了ELASTOSIL® LR 3022/60,汽车行业供应商就无须因汽车制造商为与冷却剂接触的成型垫片制定更为严格的测试规范而忧心忡忡了。”

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