プラスチック製自動車エンジン

プラスチック製自動車エンジンは、1970年代後半にポリモター・リサーチ社のマシュー（マティ）・ホルツバーグ氏とその同僚による研究と開発に端を発しています。[1]それ以来、ホルツバーグ氏をはじめとする研究者たちは、この分野で着実に研究を重ねてきました。

ホルツバーグの初期の作品

マティ・ホルツバーグは1969年、オースティン・ミニエンジン用のポリマーピストンの製造に初めて挑戦しました。しかし、ピストンはわずか20分で故障してしまいました。ホルツバーグはピストンにアルミニウム製のクラウンを取り付けることでこの問題を解決し、1970年代初頭にレーシングメーカーに販売しました。[2]

ポリモーター研究

マティ・ホルツバーグは1979年にポリモーター・リサーチ社を設立しました。同社はニュージャージー州フェアローンに拠点を置いていました。同社はサプライヤーやスポンサーと協力し、1980年代にはポリマーを多く使用したエンジンを開発し、レースに出場しました。

バージョン1

バージョン1はフォードの2.3リッターピントエンジンをベースとしており、重量は152ポンド（69 kg）（鋳鉄製の同等品は415ポンド（188 kg））であった。9200 rpmで318馬力（237 kW）を発生するように設計された。金属製のシリンダースリーブ、金属製の燃焼室トップ、金属製のピストンクラウン、ベアリング、バルブ、シート、および標準の2.3リッターピントのクランクシャフトで構成されていた。ブロック、ロッド、ピストンスカートを含むエンジン内のほぼすべては、当時アモコケミカルズ社によって製造されたガラス繊維強化ポリアミドイミド 熱可塑性樹脂で作られていた。[3] [4]このエンジンは車両に搭載されることはなかった。

フォード社がエンジン開発のパートナーだったという情報もあるが[3] [5]、後にホルツバーグは「フォード社は全く関与していなかった」と発言したと伝えられている[4] 。

バージョン2

コスワースBDAおよびYBシリーズエンジンをベースにしたと思われる別のエンジンの重量は168ポンド（76kg）で、金属製エンジンの半分の重さでした。[4] プラスチック部品には、エンジンブロック、カムカバー、吸気トランペット、吸気バルブステム、ピストンスカートとリストピン、コネクティングロッド、オイルスクレーパーピストンリング、タペット、バルブスプリングリテーナー、タイミングギアが含まれていました。[6]

このエンジンは2シーズンにわたってレースに投入された。ローラT616 HU04に搭載され、1984年と1985年には国際モータースポーツ協会（IMSA）のキャメルGT選手権のキャメルライト（グループC2）カテゴリーに出場した。この車は1985年のライムロック2時間レースでクラス3位を獲得するなど、トップ5フィニッシュを複数回達成した。[6] [7]

ホルツバーグ特許

1980年代を通して、ホルツバーグは複合材エンジン部品とその製造方法に関する10件の特許を取得しました。これらの特許は1983年から1988年の間に発行され、本セクションではそれらについて詳しく説明します。

最初に発行された特許は点火ケーブルに関するもので、他の非金属導電性材料に関する先行技術と、それらのRF干渉関連問題を低減する能力を引用していました。これらのケーブルは、グラファイト/樹脂複合導体の素線と保護用のシリコンシースで構成されていました。素線は撚り合わされ、液体マトリックス材料を通して引き抜かれ、最終的にシースで覆われます。この2つの部品は一緒に押し出されてケーブルを形成し、数千本のグラファイト複合フィラメントがしっかりと結合した構造を確保します。[8]

特許の大部分はポリアミドイミド製のエンジン部品に関するもので、複合材料としてグラファイト、ガラス、またはチタン強化材を使用できる可能性があります。これらの発明は、優れた剛性対重量比を有し、従来の部品よりも最大70%軽量で、エンジン内の振動と力を低減するとされています。また、この複合部品は射出成形のため、仕上げ作業が軽減されるため、製造要件も軽減されるとされています。

温度、時間、その他のプロセス変数は部品によって異なりますが、一般的な製造プロセスは以下のとおりです。まず、部品を射出成形し、塑性変形温度を超えるまで冷却します。次に、一連の温度ステップで固相重合による後硬化を行います。これは不活性雰囲気中で行われ、反応の副産物を除去し、ポリマーが化学的に安定するまで行われます。このプロセス中、材料の熱たわみ温度も上昇します。部品は冷却され、後処理が行われます。後処理には、機械加工、金属部品の挿入または接着、あるいは部品の簡単な洗浄などがあります。[9] [10] [11] [12 ] [13 ] [14] [15] [16] [17] [18]

コンポジットキャスティングスLLC

1990年、マティ・ホルツバーグはフロリダ州ウェストパームビーチに拠点を置くComposite Castings LLCを設立しました。[2] 2011年までに、同社は東邦テナックスから供給された材料を用いて、V4 カーボン強化エポキシ複合材エンジンブロックを開発しました。ホルツバーグによると、このエンジンブロックは同等のアルミニウム製モデルと比較して最大50%軽量です。ブロックはネットシェイプで製造されるため、仕上げ作業は最小限で済み、すぐに使用できます。ホルツバーグは、これによりダイカストと比較して金型と製造コストが50%削減されると主張しています。[19]

フラウンホーファーと住友の研究

2015年4月、フラウンホーファー研究グループは住友ベークライト株式会社の高性能ポリマー部門と共同で、ガラス繊維強化フェノール樹脂（ガラス繊維55/45）を射出成形した ケーシングを備えた単気筒研究用エンジンの開発を発表しました。このエンジンは、アルミニウムと同等の重量と比較して約20%軽量です。この設計では、シリンダーライナーなど、熱および機械的ストレスの大きい箇所に金属インサートを使用しています。[20]

このエンジンは2015年のハノーバーメッセで発表された。[20]

ソルベイによるポリモターの復活

2015年5月、ベルギーの化学会社ソルベイがマティ・ホルツベルグの協力を得てこのコンセプトを復活させることに関心を示していると報じられた。 [4]このエンジンは、重量148ポンド（67kg）未満、出力420馬力（310kW）以上、ターボチャージャー付きとなる予定である。[4]いくつかの部品はポリマー製の部品に置き換えられる予定であり、以下の表に示されている。[21]

一部 材料 説明 参照
カムスプロケット パイ 30% カーボンファイバー [22]
オイルスキャベンジライン ピーク 30% カーボンファイバー [23]
ウォーターポンプ出口 PPA ガラス繊維30% [24]
ウォーターポンプシール FKM [24]
ウォーターポンプ内部 追伸 ガラス繊維40% [25]
燃料レール 追伸 ガラス繊維40% [26]
インジェクターOリング FKM [21]
吸気ランナー ピーク 30%カーボンファイバー、FDM製造 [27]
プレナムチャンバー PA6 40%ガラスビーズ、SLS製造 [28] [29]
オイルポンプハウジング ピーク 30% カーボンファイバー [30]
カムカバー 追伸 [21]

このエンジンはノルマM-20シャーシに搭載され、2016年にライムロックでレースに出場し、2017年にはル・マンに出場する予定だった。[31] [32]しかし、これは実現しなかった。

参考文献

  1. ^ 「鉄のない車に一歩近づく」ニューヨーク・タイムズ、2009年10月22日。 2016年6月10日閲覧。
  2. ^ ab 「これは未来のエンジンか？ Matti Holtzbergと彼の複合エンジンブロックの詳細」2016年7月18日閲覧。
  3. ^ abcde 「プラスチック製レースエンジンがPolimotor 2プロジェクト進行中として復活」2015年5月29日. 2016年6月10日閲覧。
  4. ^ 「フォード、プラスチック製モーター開発に着手」ニューヨーク・タイムズ、1982年3月9日。 2016年6月10日閲覧。
  5. ^ ab 「ボブ・ローマーがプラスチック製エンジン搭載のレーシングカー、IMSA T616-Polimotorの物語を語る！」2016年6月10日閲覧。
  6. ^ 「1985 Lime Rock 2 Hours」. 2016年6月10日閲覧。
  7. ^ US 4369423、Matthew W. Holtzberg、「複合自動車点火ケーブル」、1983年1月18日公開 
  8. ^ US 4432925、Matthew W. HoltzbergとLawrence D. Spaulding、「複合ピストンリングとプロセス」、1984年2月21日発行、The Standard Oil Companyに譲渡 
  9. ^ US 4433964、Matthew W. Holtzberg、Lawrence D. Spaulding、Steven J. Henke、「複合タイミングギアおよびプロセス」、1984年2月28日発行、The Standard Oil Companyに譲渡 
  10. ^ US 4430969、Matthew W. HoltzbergとLawrence D. Spaulding、「複合ロッカーアームとプロセス」、1984年2月14日公開、The Standard Oil Companyに譲渡 
  11. ^ US 4430906、Matthew W. HoltzbergとLawrence D. Spaulding、「複合リストピンおよびプロセス」、1984年2月14日発行、The Standard Oil Companyに譲渡 
  12. ^ US 4453505、Matthew W. HoltzbergとLawrence D. Spaulding、「複合プッシュロッドとプロセス」、1984年6月12日発行、The Standard Oil Companyに譲渡 
  13. ^ US 4432311、Matthew W. Holtzberg、Lawrence D. Spaulding、Steven J. Henke他「複合バルブスプリングリテーナーおよびプロセス」、1984年2月21日発行、The Standard Oil Companyに譲渡 
  14. ^ US 4433652、Matthew W. HoltzbergとLawrence D. Spaulding、「複合バルブとプロセス」、1984年2月28日発行、The Standard Oil Companyに譲渡 
  15. ^ US 4458555、Matthew W. HoltzbergとBilly W. Cole、「複合材コネクティングロッドとプロセス」、1984年7月10日発行、スタンダードオイルカンパニーに譲渡 
  16. ^ US 4726334、Matthew W. Holtzberg、Lawrence D. Spaulding、Steven J. Henke、「複合シリンダーハウジングおよびプロセス」、1988年2月23日発行、Amoco Corporationに譲渡 
  17. ^ US 4440069、Matthew W. Holtzberg、Lawrence D. Spaulding、Steven J. Henke他、「複合ピストンおよびプロセス」、1984年4月3日発行、The Standard Oil Companyに譲渡 
  18. ^ 「カーボンファイバー製エンジンブロックが公開：CompositesWorld」www.compositesworld.com . 2016年7月21日閲覧。
  19. ^ ab "Fraunhofer - Research news 04/2015" (PDF) fraunhofer.de . Fraunhofer . 2016年7月21日閲覧。
  20. ^ abc 「Polimotor 2 - 業界初のオールプラスチックエンジン」（PDF）2016年6月10日閲覧。
  21. ^ 「Polimotor 2自動車プロジェクトの画期的なカムスプロケットにTorlon® PAIが採用」 。 2016年6月10日閲覧。
  22. ^ 「ソルベイの高性能KetaSpire® PEEKポリマーが、Polimotor 2自動車プロジェクトのオイルスカベンジャーラインに採用」 。 2016年6月10日閲覧。
  23. ^ ab 「Polimotor 2オールポリマーレースエンジンプロジェクト、水冷部品とシールにソルベイのAmodel® PPAとTecnoflon® FKMを採用」 。 2016年6月10日閲覧。
  24. ^ 「ソルベイのRyton® PPSは、Pierburgウォーターポンプの内部部品の信頼性向上に貢献し、Polimotor 2エンジンの冷却に貢献」 。 2016年10月21日閲覧。
  25. ^ 「Polimotor 2オールポリマーレースエンジンプロジェクト、要求の厳しい燃料噴射システムにソルベイのRyton® PPSとTecnoflon® FKMを採用」 。 2016年6月10日閲覧。
  26. ^ Solvay. 「Polimotor 2社、3Dプリント燃料吸入ランナーにソルベイの高性能KetaSpire® PEEKを採用」2016年6月10日閲覧。
  27. ^ 「Sinterline® Technyl® Powders Boost Polimotor 2 with 3D Printing Technology」 。 2016年6月10日閲覧。
  28. ^ 「ソルベイのSinterline®テクノロジーとMMI Technyl® Designの組み合わせが、3Dプリントされた機能性自動車部品の未来を形作る」 。 2016年11月29日閲覧。
  29. ^ 「ソルベイ、Polimotor 2オールプラスチックエンジンプロジェクトでオイルポンプハウジングをAvaSpire® PAEK Ultraポリマーから成形すると発表」 。 2016年7月6日閲覧。
  30. ^ 「ソルベイの素材が『Polimotor 2』オールプラスチック製自動車エンジンの画期的なイノベーションを促進」 。 2016年6月10日閲覧。
  31. ^ 「プラスチックエンジンの復活」 。 2016年6月10日閲覧。
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