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美国《2005年汽车推进材料项目年度进展报告》简介

供稿人:吴磊  供稿时间:2006-7-24   关键字:汽车材料    推进材料    Material    Propulsion  Material  
美国能源部下属能源效率和可再生能源办公室领导的自由汽车技术项目(FreedomCAR and Vehicle Technologies Program, FCVT)于2005年11月发布了《2005年汽车推进材料项目年度进展报告》(2005 Annual Progress Report——Automotive Propulsion Materials),总结了APM项目的研究内容、2005年进展,以及技术障碍和未来方向。
APM的研究内容
汽车推进材料(Automotive Propulsion Materials,APM)研发项目组的主要工作是和美国能源部国家实验室、产业界、大学进行研发合作,为高燃料效率和环境友好型的汽车提供新材料技术。整个项目受新实施的美国《2005年能源政策法》支持。
 
 
一直以来,APM作为FreedomCAR的基础性工作而运作。就FreedomCAR而言,其代表着研发未来汽车技术的一种方法,而非一种新型的汽车或者模型。FreedomCAR进入那些被汽车业界认为高风险、高不确定性的技术领域,从事长期的研究和开发,并验证技术的可商业化程度。APM要解决的问题类型也与之类似。
 
APM承担材料领域高风险的基础性研究,直接影响电力电子和电气机械以及先进压燃直喷(compression ignition direct injection,CIDI)发动机燃烧和排放控制等技术领域的热管理、减少排放、降低制造成本等关键技术问题的解决。
 
APM集中于两类应用:CIDI、电力电子
 
APM所具有的材料专业知识、性能测试和技术解决方案能力以及在零组件开发、材料加工和材料定性方面的研究成果,可以推进高效电力驱动系统和达到排放标准的CIDI发动机的开发。例如,APM正在开发的先进碳沫(carbon foam)技术有利于电力驱动系统的散热。再例如,开发改进发动机组件和子系统能够促使CIDI发动机的效率和排放的进一步平衡。APM有一个项目,开发燃料喷射器上的50微米喷嘴。这种喷嘴能够更好的雾化燃料,提高效率减少排放。APM还在开发一种先进的可降低排放的颗粒过滤器。最近启动的一个项目,是弄清楚均质充量压缩点燃(Homogeneous Charge Compression-Ignition,HCCI)方式对材料的要求,并且论证“材料设计(materials by design)”方法开发发动机关键组件材料的可行性。
2005年APM重点研究成果
2005年APM在两类材料技术的研究上有显著进步。
 
1、氢相容材料(Hydrogen Compatibility of Materials
 
对一种材料来说,燃料电池或氢发动机的运行环境不同于汽油机或柴油机的运行环境。因此,发动机制造商必须知道长期暴露在氢环境中会如何影响发动机零组件材料的性质和性能。表面氧化薄膜是影响金属材料磨损性能的关键。然而,由于氢的化学还原性,磨损表面氧化薄膜的还原会导致裸露的金属面与氢接触,从而近一步增加磨损。
 
太平洋西北国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory,PNNL)于2004年开始从事燃料电池和氢发动机的燃料喷射器的金属摩擦情况的探索性研究,试图通过比较制造商提供的材料和暴露在氢环境中的样品材料的区别,以了解和量化纯氢环境中决定摩擦系数和材料表面性质的机理。2005年,PNNL和橡树岭国家实验室(Oak Ridge National LaboratoryORNL)对燃料喷射器制造商Westport Innovations公司提供的喷射器金属材料实施了检测。在自行设计建造的高压氢检测容器中,把喷射器金属材料和样品材料暴露在各种压力和温度的氢环境中长达47个小时。之后,用电子显微技术以及纳米压痕和划痕测定(nanoindentation and nanoscratch measurements)进行材料分析。
 
 
喷射器金属材料表面(左)和暴露在氢环境中47小时后(右)。峰值最高水平为4-5μm
 
 
分析显示,右图的金属材料表面现象可能是钼钨化合物刻面造成的。并且材料的摩擦系数随着材料在氢环境中暴露时间的增加而增大,也在很大程度上是由这些刻面造成的。
 
目前,研究重点是对氢环境中新型涂层、合金以及压阻(piezo barrier)材料的性能评估以及对滑动和冲击磨损的分析。
 
2、均质充量压缩点燃(HCCI)材料
 
由于在提升发动机燃烧效率和减少排放上具有潜力,HCCI燃烧方式正受到越来越多的关注。然而,问题的是HCCI要求发动机零组件必须能够承受更高的温度和压力。例如,HCCI柴油机的工作温度可能超过1600°F,压力可能超过2000psi(是常规发动机压力的四倍)。这样,就必然要求大幅提升材料性能。
 
APM已经开始着手这项研究。首先确定车用HCCI发动机工作条件下对材料的性能要求,以及从多家先进发动机/零组件设计公司中挑选出最佳设计,然后,论证材料可行性,最后,采用模拟和验证来改进材料性能。
 
                                       “材料设计”的总体方针
 
 
这项研究基于“材料设计”的方法。“材料设计”是模拟、关联、改进三项材料研发技术的综合,非常适用于不锈钢、镍合金、铸铁、合金钢、锻焊铝合金等铸造和多次热加工的材料。
 
2005年APM与多家汽车制造商探讨并确认了开发先进发动机如HCCI等所需的四大关键材料:增压空气冷却器用铝材、排气岐管用铸铁、排气阀用镍合金、燃料喷射器用合金钢。
2005年APM研究项目列表
《报告》具体介绍了九大国家实验室项目。其中四项与电力电子有关,五项与发动机的燃烧和排放技术有关。包括为改进系统、降低成本、同时保证零组件性能所做的重要研究工作,以及对先进推进材料的技术预见。
电力电子
1.         低成本高能量输出永磁铁
2.         车用稀土永磁铁的特性
3.         电力电子冷却用碳沫
4.         电子材料及电子设备的机械特性
CIDI发动机
1.         圆形褶状陶瓷纤维柴油颗粒过滤筒耐用性的改进
2.         小型燃料喷射器的喷嘴制造
3.         监测柴油机排放的电化学NOx传感器
4.         车用氢相容材料
5.         用计算机设计方法开发HCCI发动机用先进材料
 
APM的研究方式
APM采用非常积极有效的合作研究方式。和FreedomCAR下属其他项目组一样,不同组织机构间的合作是APM的一项关键。美国国家实验室的科学家们和汽车制造商们合作,分析识别满足系统性能要求的材料需要具备什么样的特性。劳伦斯-利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory,LLNL)的研究人员和福特汽车的技术专家以及ORNL的同行一起,开发低成本、快速反应的NOx传感器。这种传感器可用于监控并最小化柴油机NOx排放的反馈控制回路。此外,国家实验室之间的合作也非常多,因为彼此都可能有对方需要的专业技术。ORNL和阿尔贡国家实验室(Argonne National Laboratory,ANL)的合作即是一例。他们一起合作开发比现有产品更高强度的NdFeB永磁铁。这种永磁铁能够显著减小混和动力汽车所用电机的尺寸、重量以及制造成本。ORNL还参与了桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratory,SNL)开发的5微米厚聚合物薄膜的性能研究。SNL开发更小更耐高温的直流总线电容器。利用ORNL掌握的技术优化薄膜的性能,可以尽量避免电容器线圈缠绕过程出现缺陷。
 
美国汽车研究委员会电力电子技术小组(EE Technical Team of the U.S. Council for Automotive Research)对这些研究项目进行定期评审,以及时获取研究方向和研究进程的反馈。
 
除了国家实验室和大公司的参与,2005年APM的重要研究项目还可以看到小型专业公司的身影。工业陶瓷解决方案(Industrial Ceramic Solutions,ICS)公司正在主导开发一种能够降低柴油机颗粒排放的陶瓷过滤器,参与研究的还包括美国三大汽车公司戴姆勒克莱斯勒、福特、通用以及ORNL。
 
项目承担机构与产业界的研究合作
技术
产业界合作者
电容器(capacitors)
TPL, Inc.
 
Brady Corporation
 
Steiner Film, Inc.
 
AVX, Inc.
 
Custom Electronics
磁铁(magnets)
IAP, Inc.
 
Magnaquench, UG, Inc.
 
Ability Engineering Technology
 
Electron Energy Corporation
 
Bronson and Bratton, Inc.
碳沫散热器(Carbon foam heat sinks)
Ford Scientific Research Laboratory
 
DaimlerChysler
 
General Motors Corporation
 
Delphi
 
Visteon
燃料喷射器(fuel injectors)
Siemens, USA
 
Siemens, AG
 
Navistar/International Harvester
 
Imagineering Finishing Technologies
NOx传感器(NOx sensors)
Ford
 
Cummins Engine Company
 
Detroit Diesel
 
Honeywell
 
DuPont
颗粒收集装置(Particulate traps)
Ford-Jaguar
 
GE Locomotive
 
Ahlstrom Paper
 
Tennaco Automotive
 
Arvin Meritor
 

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