汽车塑料进气歧管的研究及材料应用

□   特和工程塑料（苏州）有限公司   王义发   李海峰

　　进气歧管是发动机最关键的部件之一，其核心功能是为发动机各缸提供充足而均匀的混合气，因此它是影响发动机动力性和油耗的关键因素。此外，进气歧管还为发动机电喷系统中的主要传感器和执行器提供结构支撑，喷油器、油轨、进气压力传感器、温度传感器、碳罐、节气门体、可变进气阀、怠速控制、刹车助力等均被安装在进气歧管上，从而使进气歧管的结构非常复杂。

　　金属进气歧管一般采用的是铸铁或铝合金材料。为了满足发动机进气和电喷系统安装方面的要求，在制造结构复杂的金属进气歧管时常常面临着制造工艺方面的困难，其成品率很难保证。

　　1990年，德国宝马公司采用熔芯法成功地生产出塑料进气歧管。之后，塑料进气歧管以其重量轻、成本低、性能好等特点迅速取代了金属进气歧管，成为新型发动机的首选。在欧美国家，大约有90%的进排气异侧的自然吸气发动机都使用了塑料进气歧管。

 

塑料进气歧管的优点

　　塑料进气歧管主要具有5个方面的优点：

　　(1)在重量方面，由于塑料进气歧管一般采用尼龙PA66 \PA6材料，其比重约为铝合金材料的50%。

　　(2)塑料进气歧管的管壁厚度一般为2.5~3毫米，而铝合金进气歧管的壁厚一般大于4毫米。因此，塑料进气歧管的重量相对要轻很多，通常仅为铝合金进气歧管的40%左右。

　　(3)在动力性方面，由于塑料进气歧管的内壁比较光滑，因此有利于提高进气充量。与铝合金进气歧管相比，发动机的动力性可提高3%~5%。

　　(4)在经济性方面，塑料进气歧管能带来良好的气流，从而有助于汽油在发动机缸内的充分燃烧，使发动机的经济性和排放都能得到明显改善。

　　(5) 在成本方面，虽然进气歧管所使用的塑料材料与铝合金材料的成本基本相同，但由于塑料进气歧管能够一次成型，成型后的合格率高，而铸造而成的铝合金进气歧管毛坯的成品率要低很多，且其机加工费用也相对较高，因此塑料进气歧管的生产成本通常比铝合金进气歧管低20%~35%。

 

塑料进气歧管的材料要求

　　塑料进气歧管要求材料必须具有耐高温、强度高以及尺寸稳定性、化学稳定性和热老化稳定性优良等方面的特点。

　　(1)耐高温：由于进气歧管与发动机缸盖直接连接，而发动机缸盖常常处于130~150℃的工作环境中，因此，要求所使用的塑料材料必须能够承受180℃的高温。

　　(2)高强度：进气歧管不仅需要承受发动机的振动负荷、节气门和传感器的惯性力负荷以及进气压力脉动负荷，还要保证在发动机发生异常回火现象时不至于被高压脉动压力所爆破，因此要求所使用的塑料材料具有很高的强度。

　　(3)尺寸稳定性：为了保证进气歧管与发动机连接处的尺寸公差达到规定的要求，同时保证进气歧管上各传感器、执行器元件能够准确安装，要求所使用的塑料材料必须具有良好的尺寸稳定性。

　　(4)化学稳定性：由于进气歧管直接与汽油、防冻液、冷却液等腐蚀性溶剂接触，尤其是冷却液中的乙二醇对塑料的性能影响很大，因此要求塑料材料必须具有良好的化学稳定性，在使用前通常要对材料进行严格的测试。

　　(5)热老化稳定性：由于发动机的工作温度常常在-30~130℃之间反复变化，其工作条件非常恶劣，因此为了保证进气歧管能够长期可靠地工作，所选用的塑料材料必须具有优良的热老化稳定性。

　　目前，塑料进气歧管的首选材料是尼龙。尼龙的优点是耐高温、化学稳定性好，但其缺点是收缩率较大，耐乙二醇的性能也不太好，并且其吸水性太强，吸水后尼龙的强度会下降近40%。因此，人们普遍使用增加了25%~35% 玻纤的PA6 或PA66 增强尼龙。尼龙在加入玻纤后，其收缩率得到了明显改善。对于内部含冷却水道的进气歧管，建议采用专用的抗乙二醇的尼龙配方。

     尽管世界上很多塑料材料供应商在不断地开发新的进气歧管塑料材料，以期提高塑料材料的各种性能，但尼龙材料仍是目前的最佳选择。

 

塑料进气歧管的设计开发要素

　　 塑料进气歧管的设计开发需要重视如下几个要素：

　　(1)将提高发动机性能作为塑料进气歧管设计的核心。进气歧管是发动机的主要部件，其结构和质量是影响发动机整体性能的关键因素。因此，在设计塑料进气歧管时，首先必须对发动机有深入的了解，要有专业的从事发动机设计或研究方面的人员参与。在设计中最好使用发动机专业仿真软件，以使设计出的塑料进气歧管能最大程度地改善发动机的动力性和经济性。

　　(2)以气体动力学分析为重点分析内容。发动机的进气过程是一种非常复杂的三维非定常气体运动过程，如果用一维分析方法，往往不能正确地反映出进气歧管内部气体的运动情况。因此，建议使用三维流场分析软件来仿真进气过程中进气歧管内部流场的衍变过程，从而为设计出合理的塑料进气歧管结构提供依据。

　　(3)强度分析先行。通常，塑料进气歧管对所用塑料材料的力学性能的利用已接近极限，即使出现局部的设计缺陷也会带来很大的风险。因此，需要在设计阶段同步进行塑料进气歧管强度的仿真分析。

　　(4)对塑料注塑过程的仿真分析。由于塑料进气歧管所用的材料为尼龙加玻纤，在注塑过程中，不同的纤维取向将直接影响制品的收缩变形。因此，必须对注塑过程进行仿真分析，以有效控制注塑过程中制品的应力分布、分子和纤维取向分布，以及收缩和翘曲变形，从而确保生产出质量合格的制品。

 

塑料进气歧管的品质控制

　　进气歧管是发动机上最核心的部件之一，当其发生故障时会导致发动机工作不正常、刹车无力、发动机自燃等严重事故。因此，进气歧管在使用前必须通过一些试验对其进行严格的质量检测。对进气歧管的试验和检测通常包括：

　　(1)温度交变试验。即在专用的试验装置中将进气歧管置于-40~120℃的高低温交变的环境中，以考察其热稳定性。

　　(2)低温冲击试验。将塑料进气歧管置于-40℃的低温箱中保留5小时后，使一个质量为500克的钢球从1.2米的高处落到进气歧管的稳压箱顶部中央，以检查其是否有裂纹和变形。

　　(3)气密性检测。即在一定的压力下检查水道及气道是否有泄漏。

　　(4) 爆破压力检测。逐渐打压进气歧管的出口密封，以测试进气歧管炸裂时的压力。

　　(5) 震动试验。将试件放在震动激励器上，按一定的规律对其进行震动测试，以考察塑料进气歧管此时的疲劳应力状态。

　　(6) 噪声测试。在噪声实验室进行发动机台架试验，检验塑料进气歧管的噪声是否超标。

　　(7) 发动机耐久试验。将塑料进气歧管安装在发动机上，在试验台架上以全速进行300小时 的全负荷运行，以考核塑料进气歧管的耐久性。

　　(8)整车耐久试验。将配有塑料进气歧管的发动机安装在整车上，按试验规程驾驶汽车运行8 万千米，以测试其耐久性

 

小 结

　　汽车轻量化、汽车材料国产化是目前中国汽车工业的趋势，经过近些年的发展，国内的塑料材料水平已经有了长足的发展，特别是在材料的高性能方面，越来越多的打破了国外材料的垄断。在汽车塑料进气歧管方面，产品结构复杂，焊接工艺要求高，所以对材料的要求严格，国内各厂商在此材料方面还处于发展阶段，特别需要在材料的稳定性控制方面进一步加强。上海和氏璧化工有限公司独立子公司特和工程塑料（苏州）有限公司长期致力于该产品的开发研究，公司成立于2009年，占地面积约3000平方米，公司拥有多条全进口克劳斯玛菲贝尔斯托夫（Kraussmaffei Berstorff）双螺杆挤出线以及完善的实验设备，2011年通过了ISO9001:2000质量管理体系认证。公司立足于产品的高品质及稳定性，专注于PA6、PA66、PP、ABS、PBT等基材的增强、阻燃、染色、耐磨、热稳定等方向改性，并致力于研发和生产高性能改性塑料及合金。特和针对汽车进气歧管材料进行了大量的研究和性能对比，最终选用PA6为基材，研发出专用牌号，PA6 7810 G30 BK222。该材料具有高流动（良好表面）、高耐热、高强度，良好的耐化学性等特点，满足进气歧管材料的要求。目前多家国产汽车厂已经进行了试料，产品外观优异，初步密闭性、爆破测试通过。