プラスチックエンジンは車の軽量化に役立つ可能性がある

Jul 25, 2023

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ドン・シャーマン著

ボーイング 787 旅客機が来年商用運航を開始すると、旅行者は先進的な複合プラスチックで作られた翼と胴体で輸送されることになります。

これは論理的な疑問を生じます。現代のプラスチックが時速 600 マイルの飛行機に耐えるほど頑丈であるなら、自動車のエンジンはなぜ今でも 6,000 年も前から行われている、溶融金属を型に流し込む方法で作られているのでしょうか?

この不公平さは、鉄とアルミニウムのエンジンをケナガマンモスのやり方で送り出すことに30年を費やしてきたニュージャージー州のエンジニア、マッティ・ホルツバーグ氏にとって特に腹立たしいものだ。 彼が 1980 年代に設計、製造したプラスチック製パワープラントは、プロのモータースポーツでレースできるほど頑丈であることが証明されました。

しかし、ホルツバーグ氏は自動車メーカーに対し、大幅な重量削減とコスト削減というメリットにはリスクを負う価値があると説得できなかった。 したがって、長持ちするバッテリーや車道にすぐに使える水素燃料電池と同様に、プラスチック製エンジンはまだ実用化の段階には達していません。

ホルツバーグ氏を前進させているのは、時折、自分の考え方に改心してくれる味方の存在だ。 最近、従業員数 12,000 名、年間収益 100 億ドルの世界的な化学会社であるハンツマン コーポレーション (ヒューストン) と戦略的パートナーシップを締結しました。 自動車業界のサプライヤーとしてのハンツマンの実績は、プラスチック製エンジンを実験室から自動車エンジニアが次の段階の燃費目標を達成する方法を模索する試験場に移すのに必要な影響力をもたらす可能性がある。

ホルツバーグ氏は、プラスチックを主流に移行させようとして挫折した最初の先駆者ではない。 ヘンリー・フォードはプラスチックの初期の擁護者であり、第二次世界大戦の軍備増強により鉄鋼が不足していた時代に、車体の代替材料を探索するプロジェクトを委託しました。 そして、彼はこのコンセプトの推進に率先して取り組みました。1941 年には、実験用のプラスチック製トランクリッドの丈夫さを実証するために、斧で自分の車を叩きました。

長年にわたり、フォード車にはプラスチック製のホーンボタン、シフトノブ、ドアハンドル、大豆粕から成形されたタイミングギアが装備されてきました。 フォードは、コストと重量の削減、および耐食性からプラスチックに惹かれました。

ヘンリー・フォードが亡くなってから6年後、彼の夢はついに実現しました。 グラスファイバーのボディパネルを備えた 150 万台を超えるシボレー コルベットの最初のモデルは、1953 年にゼネラル モーターズの組立ラインから出荷され始めました。

それ以来、自動車は着実に増加するプラスチック含有量の恩恵を受けてきました。 エネルギー省によると、典型的な北米製の車両には現在300ポンドを超える物質が含まれており、これは鋼鉄に次いで2番目に大きな物質の種類となっている。 しかし、主要なパワートレイン構造部品、つまりエンジンブロックとシリンダーヘッド、トランスミッションケースとアクスルハウジングは、耐えなければならない熱と応力のため、引き続き鉄またはアルミニウムの鋳物で作られています。

ホルツバーグ氏の変革への取り組みは、少なくとも 1969 年まで遡ることができます。ニュージャージー州ハッケンサックの公共図書館で雑誌の記事を読んで、エンジン内の過酷な条件に耐えるのに十分な強度があると言われている新しいプラスチックのことを知りました。 彼はサンプルを入手し、それを使ってピストンを作成し、友人のオースティン ミニのエンジンに取り付けました。

プラスチック製のピストンは 20 分間持続しました。

ホルツバーグ氏は続けた。 1970 年代には、プラスチック ピストン (現在は燃焼温度に耐えるためにアルミニウム クラウンが付いています) とレーシング エンジン用のプラスチック コネクティング ロッドを製造、販売していました。 1979 年に、彼はプラスチックを多用したエンジンを開発するために Polimotor (名前はポリマーモーターの略称) を設立しました。

最初のポリモーターはフォード ピント 2.3 リッター 4 気筒のクローンで、ブロック、ピストン スカート、コネクティング ロッド、オイル パン、およびシリンダー ヘッドの大部分にプラスチックが使用されていました。 ボア表面、ピストンクラウン、燃焼室ライナーは鉄またはアルミニウムでした。 クランクシャフトとカムシャフトは標準的な金属コンポーネントでした。

ホルツバーグ氏の最初のエンジンが正常に動作した直後、業界誌「オートモーティブ インダストリーズ」の記事で、「プラスチック エンジンとは何ですか?」という疑問が掲載されました。 2年後、『ポピュラー・サイエンス』誌の表紙にポリモーターが特集された。 その時までに、ホルツバーグ氏は重さ 152 ポンドの第 2 世代 300 馬力設計に移行していました。 純正のピントエンジンは88馬力を発生し、重量は415ポンドでした。

ホルツバーグ氏は、彼のプラスチック製パワープラントが耐久性があることを証明するために、国際モータースポーツ協会のキャメルライツシリーズでローラのレースカーを宣伝しました。 アモコ ケミカルは、トーロン プラスチック樹脂の販売促進に財政的支援を提供しました。 1984年と1985年の6回のレース中の唯一の事故は、外部サプライヤーから購入した部品であるコンロッドの故障でした。

成功にもかかわらず、ホルツバーグ氏はほとんど注目を集めなかった。 「フォードは技術的に興味を持っていた」と彼は振り返る。 「ポピュラー・サイエンスの記事は彼らに多くの無料宣伝を与えたが、実際にはポリモーター・プロジェクトには何の貢献もしていない。」

ホルツバーグ氏は、大量生産に適したプラスチックを粘り強く開発しました。 1986 年に、彼はフェノール樹脂に焦点を移しました。これは、ヘンリー フォードが実験用の車体で大豆繊維を接着するために使用したのと同じ材料です。 ホルツバーグ氏は、現在もポリマー配合と、広く使用されているタイプの型にガラス繊維で強化された樹脂を注型する技術に関する特許を保有しています。 彼は、複合鋳造技術を、木材、鉄、鋼からアルミニウム、マグネシウム、先端プラスチックに至る自動車の進化における次の論理的なステップとみなしています。 ハンツマンはエポキシ樹脂を供給し、エンジニアリングとマーケティング活動を支援します。

ホルツバーグ氏は、彼の材料を使えばアルミニウムエンジンの重量を30パーセントから35パーセント削減できるが、魅力はそれだけではないと述べた。

「25年間の努力を経て、ようやく大手鋳造会社から私のプロセスについて問い合わせが来ました」と彼は語った。 「アメリカでの製鉄と鋳鉄の終焉を目の当たりにし、事業のかなりのシェアがアジアとインドに奪われたことを経験した彼らは、材料費と加工費の両方を削減できる高度な鋳造プロセスに興味を持っています。」

17 社のライセンシーが、ホルツバーグ氏のアプローチを使用してラピッドプロトタイピングコンポーネントを製造しています。 ペンシルベニア州ノーサンプトンにあるプロトカム社のエンジニアリングマネージャー、エド・グラハム氏は、彼の会社がエンジン部品の製造にホルツバーグ氏の技術を3年間使用していたと語った。 「熱硬化性フェノール材料は強く、耐熱性に優れています。」と彼は言いました。 「プロセスは迅速で、部品は実験用のエンジンとトランスミッションに直接組み込まれます。」

ハンツマン コーポレーションの先進材料部門の副社長であるジェームス ハンツマン氏は、複合プラスチック部品のプロトタイプで達成された成功により、少量生産用途への関心が高まることを期待しています。 「実証済みのプロセスに取って代わることは長くて困難な課題であることを私たちは認識しています」と同氏は語った。 「私たちは、複合エンジンの時代が来たと確信しています。」

もちろん、懐疑論者もいます。

ダッカー・ワールドワイド社のコンサルタント、リチャード・A・シュルツ氏は、自動車メーカーが所有する事業を指す業界用語を使って、「現在、自動車用アルミニウムホイールの半分は中国製だが、主要なパワートレイン用アルミニウム鋳物を供給する鋳造工場は捕虜となっている」と述べた。 「エネルギー消費は問題ではありません。アルミニウムのスクラップはすぐにリサイクルされ、プラスチックを使用した場合のサイクルタイムは確実に長くなります。」

ミシガン州アナーバーの自動車研究センターの社長兼最高経営責任者であるジェイ・バロン氏は、自動車業界は断固としてリスクを回避していると指摘した。 「彼らは、使用中に故障する可能性のあるエンジンを搭載した車両を何千台も製造するつもりはない」と同氏は語った。 「プラスチック製エンジン鋳造品は自動車会社の主流ビジネスの範囲外であるため、コスト、加工、耐久性の問題はすべて供給ベースで解決する必要があります。」

最終的に内燃機関が電気推進に取って代わられるまでには、さらにいくつかの技術的進歩を遂げる時間が残されています。 ホルツバーグ氏とハンツマンのパートナーは、複合プラスチックエンジンが成功することに賭けている。

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