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解析汽车用带涡轮增压器的中冷器进出气胶管的

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解析汽车用带涡轮增压器的中冷器进出气胶管的

发布日期:2017-08-04 作者: 点击:

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解析汽车用带涡轮增压器的中冷器进出气胶管的

带涡轮增压器的汽车发动机的进气及出气中冷系统,一般由空气滤清器、涡轮增压器、中冷器及其连接管路等构件组成,输气管路必须采用橡胶管与钢管或橡胶管与吹塑管或直接带波纹的吹塑管连接,借助橡胶或带波纹的吹塑管良好的柔韧性与减振性,既可以方便管路布局和装配,又能显著提高输气管路系统缓冲振动的能力。新鲜空气通过空气滤清器过滤和涡轮增压器增压后,介质气体经压缩会较大幅度温升,温度一般将达到150℃~200℃之间,但对于高增压比的发动机而言,气体温度可超过200℃,甚至达275℃以上。气体介质经中冷器冷却后又降到60℃以下,从而提高了新鲜空气的密度,使发动机可以吸进更多的空气,并能喷入更多的燃油,促进燃烧更为充分,达到降低燃油消耗和排放、提高发动机功率的目的。

随着汽车工业的发展和越来越苛刻的环保要求,汽车发动机使用介质和环境中含油和含醇的燃烧气体通过曲轴箱通风管进入整个发动机系统。虽然发动机普遍采取了油气分离技术,油气分离器分为二类,一类为开式结构,另一类为闭式结构,开式结构指未分离的油气是直接排放的,不再进入整个进气系统,而闭式结构的未分离的油气没有直接排放,需再循环进入整个进气系统,如吉利FE-3/4等车型采用的1.3T涡轮增压发动机采用的就是闭式油气分离技术,即曲轴箱系统产生的油气经油气分离器后再通过空气滤清器出气胶管再进入发动机进气系统。油气分离器分离技术不一,分离效果是太不一样的,其中国产油气分离器分离效果较好的仅能达到50%,国外如博世产油气分离器分离效果最高能达到80%,即仍有20%~50%含油气体将再循环进入进气系统,以避免大部份油气的直接排放而污染环境。

由于涡轮增压器出气胶管即中冷器的进气胶管在使用过程中温度高达150℃~275℃,如何保证中冷器进出气系统用橡胶连接软管不会因高温油气产生早期溶胀、爆管、高温老化后和低温弹性较低而造成的管口密封不严漏气漏油等质量问题,从而影响车辆的正常运行,是一个值得研究与分析的课题。

一、中冷器进气胶管

中冷器进气胶管使用温度高达150℃~275℃,其材料必须满足优异的高低温性、良好的耐油性及耐气候性。

(一)橡胶材料的选择

在应用广泛的橡胶品种中,常见的有天然橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶、三元乙丙橡胶、氯化丁基橡胶、硅橡胶、丙烯酸酯橡胶、氟硅橡胶、氟橡胶。

三元乙丙橡胶、氯化丁基橡胶均比较适合用于长期使用120℃、短时使用150℃条件下耐热老化技术要求的制品,显然不适应于中冷器进气胶管。而硅橡胶、丙烯酸酯橡胶、氟硅橡胶、氟橡胶耐高温都达到了150℃及以上,其均可作为中冷器进气胶管。

在硅橡胶、丙烯酸酯橡胶、氟硅橡胶、氟橡胶等具有优异耐高温料中,唯一不具备良好耐油性的材料为硅橡胶,但硅橡胶又是这四种材中价格最便宜的,其中丙烯酸酯橡胶、氟硅橡胶、氟橡胶价格分别是硅胶的2倍、17倍、6倍左右。这样在闭式结构油气分离系统中的中冷器进气胶管中橡胶材料如果选择氟硅橡胶、氟橡胶,不具备成本优势,但丙烯酸酯橡胶耐高温仅175℃左右,仅适用于小马力即排气量1.5T的发动机上。

采取高分子材料改性与结构化差异设计是一条十分有效的途径。如利用PVC改性用于改善NBR的耐臭氧性能、耐气候性、耐屈挠性及耐温性能;利用EPDM改进PP的增韧性等;利用不同材料对胶管进行复合结构设计是较常见的,如三复合油管(FPM+ECO+ECO)。

将耐高温且价格便宜的硅胶与耐油性优异的氟硅橡胶、氟橡胶进行共混改性,即胶管的内衬耐油的胶层、其它部份为硅胶的“内氟外硅”结构,达到既满足发动机使用要求,同时又可降低成本的目的,是一种在国内外还未普遍采用的技术。

氟硅聚合物(FVMQ或FPM/VMQ或氟树脂与硅胶的共混改性物等)既具有硅橡胶(VMQ)十分优异的耐高低性能及综合性能,同时具有丙烯酸酯橡胶(AEM)较好的耐油性能。FPM/VM内氟外硅胶管结构就是在胶管的内层胶复合成型一至二层FVMQ或FPM/VMQ或氟树脂与硅胶的共混改性物,中间层与外胶层仍采用硅橡胶(VMQ)的一种新型结构,解决了传统硅胶管耐油性不佳及AEM、ACM胶管耐高低温性欠佳的问题,同时又能满足汽车用中冷器进出气连接软管越来苛刻使用条件的新型结构的高分子制品。大众TL52600和通用GMW15408等均对FPM/VMQ胶管的主要技术指标如层间粘合力等进行了具体要求。

(二)增强层材料选择

胶管的增强层主要承受管体的脉冲压力。在高温下,必须使用耐高温性能优异的芳纶纤维。芳纶有对位结构与间位结构,美国杜邦公司Kevlar与Nomex芳纶纤维在汽车胶管上应用最为广泛。芳纶纤维在300℃左右甚至更高的温度下可长期使用,强力保持率可高达70%以上。

(三)胶管结构

FPM/VM内氟外硅胶管结构一般为内黑外红,此颜色组合在商用车上普遍使用,考虑到乘用车发动机机仓部件颜色的一致性及加工的通用性,大部份要求外部为黑色。

FPM/VM内氟外硅胶管结构为FPM内胶层+芳纶增强纤维层+VMQ外胶层。

二、中冷器出气胶管

中冷器进气胶管使用温度一般为60℃左右,其材料以良好的耐油性及耐气候性为宜。

(一)橡胶材料的选择

常规橡胶均可满足使用温度与环境要求,但仅有NBR、NBR/PVC、CR、CM、CIIR、AEM、ACM、FPM、FVMQ等能同时完全满足闭式结构油气分离系统中冷器出气胶管的耐油特别是柴油机的要求。

EPDM在开式结构的油气分离系统中用于中冷器出气胶管已推广至国内几乎所用商用车主机厂,但根据具体使用可靠性来看,非异形胶管可靠性较高,但异性模压胶管出现过批量爆管等质量事故而不得不进行材质更改,同时还未见其在闭式结构的油气分离系统中应用,主要是EPDM的耐油性不能满足使用要求。

氯化丁基橡胶工艺性能和物性较差,特别是撕裂性较差、与布层粘合力较差,带来管体减震与吸震性降低,容易形成胶管层间分离,造成胶管早期破坏,且价格偏贵。

以NBR为内胶层、NBR/PVC为外胶层结构的胶管虽然可以满足耐油及耐气候性要求,但当胶管环境温度较高时,其耐气候性较差,在气流的脉冲振动过程中,胶管会早期疲劳,造成爆管。

CR橡胶具有规整的分子排列和可逆的结晶性能,因此以其制成的橡胶制品具有良好的稳定性和耐老化性,也通满足耐油性要求,但CR存在工加工艺性较差,主要体现为混炼、压片、压延及挤出过程中的粘辊、尺寸稳定性差等。同时CR还存在低温性不好。

根据国内外相关技术资料及应用实例,目前无论是从性能还是从成本等方面考虑,在中冷器出气系统上使用CM橡胶具有极大的优势。

氯化聚乙烯橡胶(CM)是一种饱和橡胶,有优秀的耐热氧老化、臭氧老化、耐酸碱、化学药品性能。

为保证乘用车整车的可靠性,乘用车中冷器出气胶管也有采用AEM、ACM与FPM/VMQ内氟外硅结构,其中FPM/VMQ内氟外硅胶管中的硅胶可使用低成本的国产沉淀法硅胶达到降低成本的目的。

(二)增强层材料选择

满足中冷器出气胶管使用要求的纤维材料有:芳纶、涤纶、锦纶、维纶、玻璃纤维等。从性价比考虑,常规采用的一般为涤纶、锦纶、维纶,但挤出胶管结构必须采用芳纶纤维。

(三)胶管结构

中冷器出气胶管有挤出(针织、缠绕、编织)结构与夹布结构二种。

三、结语

汽车用带涡轮增压器的中冷器进出气胶管的结构与技术,随着汽车工业的发展,已由传统的材料向新型改性材料方向发展,高可靠性、低成本的高分子材料的应用,同时又推动了汽车工业的进一步发展。新型的FPM/VM内氟外硅胶管及CM胶管是带涡轮增压器的中冷器进出气胶管的先进技术,在国内外近二年才开始规模应用,如上海通用、奇瑞轿车、华晨轿车、长安轿车已批量使用,具有非常巨大的前景,同时也为吉利(FE/FC/NL/KC)等相关车型产品的改进提供了强有力的技术参考与支撑。

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