汽车柴油发动机中冷系统胶管的开发
汽车加油机胶管的研制
加油 机 胶 管 ； 配方； 结构； 工艺； 性能
汽车加油机胶管的研制
硫化罐 ２胶料配方 ２．１内胶 ２．１．１生胶选择
①２６００咖×４６００咖
航天部七四一四厂
该胶管主要用于输送石油基燃油，内胶选材以耐油性材料为主，选择含有极性侧腈 基，有较优异耐油性的中等丙烯烃含量的丁腈橡胶和低丙烯烃含量的丁腈橡胶并用，使 胶料具有一定的耐油和耐低温性能。 ２．１．２硫化体系 采用常硫量硫化体系以及焦烧时间长的次磺酰胺类促进剂，硫化条件为：１５１℃× ５０ｍｉｎ，蒸汽压力０．４ＭＰａ，以保证胶料较长焦烧时间和物理机械性能。 ２．１．３增粘体系 使用钴盐和间甲白体系并用，增加内胶与镀铜钢丝之间的密着力。 ２．１．４防护体系 选用两种防热氧化防老剂并用，同时增加了物理防老剂以达到长期耐热老化的使用
４．８ １
测试结果 无泄漏及缺陷
０．４ ４５ Ｏ．５ ７．８ ５．６ ０．５
验证压力试验 长度变化率％
爆破压力ＭＰａ≥
２ ３ ４ ５ ６ ７
容积膨胀％
≤
层间粘合强度ｌ（Ｎ／ｍ 室温弯曲性能 低温曲挠性能 外胶层耐臭氧性能
（５０±５）ｍＰａ ４０℃×１６８ｈ
初始值：≥２．４ 浸液后：≥１．８
Ｔ／Ｄ≥０．８
依据标准ＨＧ／Ｔ３０３７—２００８所述３型Ｍ类的胶管，汽车加油机胶管主要性能及用途是 在工作压力不高的条件下输送氧化燃油，并且有导静电性能，根据其用途、性能及市场
汽车加油机胶管的研制
现需规格，可设计为内、外胶层和一层钢丝编织增强层结构。因胶管需要总成，管体扣 头可直接与钢丝层接触，所以在结构设计上没有另加导电丝，外胶也无需设计为导静电 胶料。 现以①１９×１规格为例，采用Ｇ３６锭钢丝编织机，７股①０．３咖抗拉强度为２４５０Ｎ／咖２ 的镀铜钢丝，编织行程为５６姗的成型施工工艺见表２。 表２成型施工工艺
EPDM中冷器出气胶管的开发及应用研究
（． １东风 客 车 底 盘 有 限公 司 ， 北 十堰 ４ ２ １ ； ． 风 汽 车 有 限公 司 工 艺研 究 所 ， 北 十堰 ４ ２ ０ ；． 京 天 元 奥 湖 ４ ０ ３ ２东 湖 ４ ０ １ ３北
特 橡 塑 有 限公 司 ， 京 １ ４ ０） 北 ０１０
汽 车 工业 一 直是 橡 胶 制 品应 用 的 重要 领 域 ， 汽
过空 气滤 清器 过滤 和涡 轮增 压器 增压后 ，对于 高增
车 用橡 胶零件 不仅 数量 大 ，而且 耗 用生橡 胶 的质量
也 占橡 胶制 品工业 的首位 。橡胶 软 管 已成 为 汽车制 造 工艺 中必 不可 少 的一 类 橡胶 制品 ，广泛 应用 于汽 车车 身 、 发动 机 和底 盘 三 大 系统 上 ， 挥 着输 送 油 、 发
全面 性 能 测 试 、 车路 试 认 定 、 装 装配 丁艺 和使 用 情 况 评 价 关键 词 ： 冷 器 ；胶管 ；硅 橡 胶 ；三 元 乙 丙 橡 胶 中
中 图分 类 号 ： ６ ．３ ．４ Ｕ４ ４ １ ５８０ 文 献 标 识 码 ： Ａ
Ｓ ｕｄｙ ｏ ｖ ｌ ｐ ｅ ｔ ａ ｔ ｆ Ｄｅ ｅｏ ｍ ｎ ｎｄ Ａｐ ｉ ａ ｉ ｎ ｏ ｐｌ ｔｏ ｆ ＥＰＤＭ Ｒｕ ｃ ｂｂｅ ｒ Ｔｕ ｓ ｏ ｎｔ ｒ ｏ ｌｒ ｂｅ ｆ ｒ Ｉ ｅ ｃ ｏ ｅ
ＹＥ Ｗ ｅ－ ａ ’Ｌ Ｄｅ ｈ ｎ ’ＺＨＥＮＧ Ｃｈ ｎ － ａ ｇ ， Ｉ ｉｇ ｉｔ ｏ ， Ｉ －ｓ ｅ ｇ ， ｅ ｇ ｇ ｎ Ｌ Ｊｎ 。
（ ． ｏ ｇｅ ｇ Ｂ ｓ １Ｄ ｎ ｆ ｎ ｕ Ｃｈ ｓ ｉ Ｃ ｒ ｏ ａ ｉｎ Ｌ ｄ ， ｈｙ ｎ Ｈｕ ｅ ４ ２ Ｃｈ ｎ ； ． ｔｒａ ａ ｄ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ Ｉ ｓｉ ｔ ｏ ａ ｓｓ ｏ ｐ ｒ ｔ ｔ ．Ｓ ｉ ａ ｏ ｂ ｉ ４ ０１ ３， ｉ ａ ２ Ｍａｅ ｌ ｎ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｎ ｔ ｕｅ ｆ ｉ ｔ
EPDM中冷器出气胶管的开发及应用研究(1)
首届中国胶管技术与市场发展研讨会论文集
胶和氯化丁基橡胶，其典型的最高使用温度见表Ｉ。
表１常用橡胶的键能和使用温度
从表１可以看出，丁腈橡胶、三元乙丙橡胶和氯化丁基橡胶均比较适合用于需要满足１２０℃耐热老化技术要求的制品。
其中，三元乙丙橡胶是由乙烯、丙烯和第三单体组成的共聚体。
其特点是耐化学稳定性很好，具有突出的耐臭氧和耐候性，是通用橡胶中耐老化性能最好的品种，其耐热温度最高可达１５０。
Ｃ左右，在１２０。
Ｃ环境中能够长期使用，最低使用温度也可达一５０℃以下。
在配方设计时，可以通过大量填充矿物油和填料来降低制品的成本，而且对力学性能影响不大，弥补了三元乙丙橡胶价格比其他通用橡胶稍高的不足。
但二元乙丙橡胶的自粘性与互粘性较差，特别是在制造多层结构的复杂制品时，需要解决好制品成型的工艺问题。
本项目选择三元乙丙橡胶代替硅橡胶制成中冷器出气胶管，可以充分发挥三元乙丙橡胶合适的耐热性、较高的力学性能和低廉的成本等优势。
３．２产品设计
由于硅橡胶自身的机械强度较低，所以在产
品设计时原来的中冷器出气硅胶管采用了４－５层
增强层、胶管壁厚５－６ｍｍ的结构，以保证整体胶
管能够耐１．ＯＭＰａ压力的要求。
在将材料改为三元
乙丙橡胶后，考虑到三元乙丙橡胶自身的拉伸强
：。
，硅歧量（ｂ）ＥＰＤＭ腔管
度、扯断伸长率都较高的特点，胶管的壁厚一般凰２‘中冷器出气肢营改进设计
调整为４ｒａｍ左右，增强层也减少到２层。
另外，为方便装配，对三元乙丙橡胶管的硬度要求进行了下调，由原来的７０邵氏Ａ调整为６５邵氏Ａ，见图２。
７４。
中冷器EPDM 出气胶管的开发及应用
硅橡胶 、
硅橡胶 、
材质 、功能 新鲜空气
冷却
耐高温 250 ℃
耐高温 250 ℃
工作温度 , ℃环境温度 200～210 ——— 70～80
结论
———
合理
材质耐温性能 ———
富余不合理
应用 ,以避免浪费 ,达到降低成本的目的 。
1. 2 硅胶管制造工艺 、成本分析
1 现状分析
1. 1 中冷系统试验分析 中冷系统原理示意图如图 1 所示 。通过试验分
三元乙丙橡胶管与硅胶管的性能 、成本情况对 比见表 4 。
序号 1 2 3 4 5 6
7
8 9 10
表 3 三元乙丙橡胶管全面性能试验结果
试验项目 外观
试验结果
胶管 1
胶管 2
胶管 3
平整 、无缺陷 、织物外露平整 、无缺陷 、织物外露平整 、无缺陷 、织物外露
常态指标
硬度 (A) 尺寸
66 符合图纸要求
4) 对设备精度要求较高 ,设备投入较高 。 5) 如果绕片不均匀 ,易出现层间开裂 ,要求工人
①空气滤清器 ; ②涡轮增压器 ; ③中冷器进气胶 管 Ⅰ; ④中冷器进气钢管 ; ⑤中冷器进气胶管 Ⅱ; ⑥中冷器 ; ⑦中冷器出气胶管 Ⅰ; ⑧中冷器 出气钢管 ; ⑨中冷器出气胶管Ⅱ; ⑩发动机进气口
国家汽车排放第二阶段达标要求提出后 ,各汽 车厂家对柴油车普遍采用了增压 、空 —空中冷系统 (见图 1) ,其作用是对发动机进气进行增压 、冷却 , 增大发动机进气密度 ,以改善发动机燃烧工况 ,提高 发动机功率并满足国家环保要求 。由于涡轮增压器 的高温环境 ,在对中冷器的进 、出气胶管进行设计时 都习惯性地采用耐高温性能好 ,但成本较高的硅橡 胶作材质 。而中冷器出气胶管的工作温度经中冷器 冷却后一般不高于 100 ℃,采用硅胶管显得性能过 剩 。这一问题在汽车设计中又往往被技术人员所忽 视 ,造成汽车制造成本上的浪费 。本课题在满足各 项技术性能和使用要求的前提下 ,开发出一种耐温 性能适中 、成本较低的新型中冷器出气胶管并推广
汽车加油机胶管的研制
橡
胶
工
业
２ ｌ 年第 ５ Ｏ ２ ９卷
汽 车 加油 机 胶 管 的研 制
蔺 建 刚
（ 凯迪 西北 橡 胶 有 限 公 司 ， 西 咸 阳 ７ ２ ２ ） 陕 １ ０ ３
摘 要 ： 绍 汽 车 加 油机 胶 管 的研 制 。胶 管 由 内胶 层 、 胶 层 和 １ 钢丝 编 织 层 构 成 。内 层 胶 主体 材 料 采 用 中 等 丙 介 外 层
中 圈分 类 号 ： ３ ６ ２ ＴＱ ３ ． 文 献 标 志 码 ： Ｂ 文 章 编 号 ：Ｏ Ｏ ８ Ｏ ２ ｌ ） 卜０ ３ — ３ ｌ Ｏ ９ Ｘ（ ０ ２ ｏ ０ ８ ０
随着 我 国汽 车 工业 的快 速发 展 ， 动 车 辆 能 机
源 市场 不断 扩张 ， 车 加 油机 常规 石油 基
２ １ 内层 胶 ． 汽车 加油机 胶 管 主 要用 于 输 送 石油 基 燃 油 ，
使用 温度 范 围为 一４ ～ ＋７ ０ ０℃ ， 因此 胶管 内层胶
作者 简 介 ： 建 刚 （ ９ ８ ） 男 ， 西 宝 鸡 人 ， 迪 西 北 橡 胶 蔺 １ ７一 ， 陕 凯 有 限 公 司 工 程师 ， 事 高 压 胶 管 开 发 与 工艺 管 理 工 作 。 从
燃 油用 橡胶 软管 ， 要求具 有较 好 的耐 油 、 耐臭氧 和 耐 天候 老化性 能 ， 同时 也应 具 有 良好 的导 静 电 及 阻燃性 能等 。本 文简介 汽车 加油机 胶管 的研制 。
１ 材 料 与 设 备
１ １ 主 要 原 材 料 ．
以适 当提 高 内层 胶 的硬度 和挺性 。粘合 体 系为钻 盐 与间一 白体 系 并 用 ， 提 高 内层 胶 与 钢 丝编 甲一 以 织层 之 间 的 粘 合 强 度 。 防 护 体 系 采 用 防 老 剂
改性EPDM中冷器出气胶管的开发及应用
改性ＥＰＤＭ中冷器出气胶管的开发及应用《上海塑料》２００９年第１期（总第１４５期）质量要求。
目前此类胶管在陕西重汽、东风、中国重汽、北方一奔驰、江淮汽等已经大批量使用。
圈３陕汽■卡上的装车状态Ｆｉｇ．３ＩｎｓｔａｌｌｓｔａｔｅｉｎＳｈａａｎｑｉＨｅａｖｙＤｕｔｙＴｒｕｃｋ圈４中国重汽囊沃车上的装车状态Ｆｉｇ．４ＩｎｓｔａｌｌｓｔａｔｅｉｎＨｏｗｏｏｆＳｉｎｏＴｒｕｃｋ４经济效益分析采用特殊配方设计的改性三元乙丙橡胶替代硅橡胶成型中冷器出气胶管，使胶管成本明显下降。
新型ＥＰＤＭ胶管的成功应用使产品采购价格下降率达到了５０％～６０％，每辆车的制造成本合计可下降近５０元。
按陕汽年产８万辆计，每年可节约资金４００万元左右；按东风公司商用车年产３０万辆计。
每年可节约资金１５００万元左右；按中国重汽商用车年产１２万辆计，每年可节约资金６００万元左右，经济效益十分可观。
５结论通过对改性三元乙丙橡胶（ＥＰＤＭ）管的产品设计、开发试制、全面性能测试、装车路试认定和使用情况评价，结果表明：采用改性三元乙丙橡胶替代硅橡胶用于中冷器出气胶管，完全满足产品的技术性能和使用要求。
它不仅能够大幅度降低汽车制造成本，还具有显著的经济效益和社会效益。
参考文献：［１３李尹熙．汽车用非金属材料ＥＭ］．北京ｔ北京理工大学出版社，１９９９．［２］张殿荣．现代橡胶配方设计［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００１．ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＥＰＤＭＲｕｂｂｅｒＴｕｂｅｓｆｏｒＩｎｔｅｒｃｏｏｌｅｒＬＩＪｉｎ９１，ＺＨＡＮＧＷｅｎ．ｂ０２，ＳＨＩＸｉｎ－Ｉｉ２，ＬＩＨａｎ２，ＬＩＵＢａｉ—ｌｉ２，ＧＡＯＪｕｎ－ｊｕａｎ２（１．ＢｅｉｊｉｎｇＴｉａｎｙｕａｎａｏｔｅＲｕｂｂｅｒ＆ＰｌａｓｔｉｃｓＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０１４００，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｈａｎｘｉＨｅａｖｙＤｕｔｙＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＣｏ．。
Ｌｔｄ．，Ｘｉａｎ７１０２００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｒｕｂｂｅｒｔｕｂｅｓｆｏｒｉｎｔｅｒｃｏｏｌｅｒ，ｓｉｌｉｃｏｎｅｒｕｂｂｅｒａｎｄＥＰＤＭｒｕｂｂｅｒｉｓｉｎｔｒｏ—ｄｕｃｅｄ．ＬｏｗｅｒｃｏｓｔＥＰＤＭｒｕｂｂｅｒｔｕｂｅｓｔｏｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｓｉｌｉｃｏｎｅｒｕｂｂｅｒｔｕｂｅｓｆｏｒｉｎｔｅｒｃｏｏｌｅｒａｒｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂｙｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎ，ｍａｔｅｒｉａｌｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｔｈｉｓｎｏｔｏｎｌｙｓｅｔｔｌｅｓｆｏｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｄｅｍａｎｄ，ｂｕｔａｌｓｏｄｅｃｒｅａｓｅｓｃｏｓｔｃｌｅａｒｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｒｃｏｏｌｅｒ；ｒｕｂｂｅｒｔｕｂｅｓ；ｓｉｌｉｃｏｎｅｒｕｂｂｅｒ；ＥＰＤＭ欢迎订阅《上海塑料》，欢迎在《上海塑料》杂志上发表论文。
EPDM中冷器出气胶管的应用
术 参 数如 下。 ａ常态 性 能 涡 轮 增压 器 增压 后 ，对 于 高增 压 比 的发 动 机 而 言 ，气体 硬度 为６ ±５ 氏Ａ；拉伸强度 ≥１ ＭＰ ；扯断伸长 ５ 邵 ０ ａ 温度 可 高达 ２ ０ 以上 ，经 中冷器 冷 却后 又降 到 １ ０ 以 １℃ ０℃ 率 ≥３ Ｏ ；压 缩永 久 变形 ≤３ ％爆 破压 力 ≥ １ ＭＰ 。 Ｏ％ ０ ． ａ ０ 下 ，从 而 提 高 了新 鲜 空 气 的 密度 ，使 发 动 机 可 以吸 进 更 ｂ耐 热老 化 试验 多 的空 气 ，促 进 燃 烧 更 为充 分 ，达 到 降 低 燃 油消 耗 和排 硬 度 变化 为０～ ８ 氏Ａ；拉伸 强 度变 化率 ≤１ ％； ＋邵 ０ 放 、提 高 发动 机功 率 的 目的。 扯 断伸 长率 变化 率 ≤ １ ％ ；爆破 压 力 ≥１ ＭＰ 。 ５ ． ａ ０ 系统 缓 冲振 动 的 能 力 。新 鲜 空气 通 过 空气 滤 清 器过械强度较低 ，与一
般 橡胶 相 比 ，除 弹性 较 好 外 ，其 拉 伸 强 度 、扯 断 伸长 率 等 力 学 性能 都 较 差 ，尤 其 是价 格 较 为昂 贵 ，制 约 着硅 橡 胶材 料 在汽 车工 业上 的大 量推 广 应用 。 在 应 用广 泛 的 通 用 橡 胶 品 种 中 ，常 见 的有 天 然 橡 气 端 和 中冷 器进 气 端 的连 接 胶 管 ，采 用 耐温 性能 突 出 的 胶 、丁苯 橡 胶 、 丁腈 橡 胶 、三 元 乙 丙 橡胶 和 氯 化 丁基 橡 硅橡胶甚至氟橡胶材料将成为一种必然趋势。 胶 ，其典 型 的最高 使 用温度 见 表 １ 。
术 要 求 以橡 胶 材 料 的硬 度 、拉伸 性 能 和压 缩永 久 变 形 为 评价 基 础 ，考核 胶 管 制 品耐 高低 温 、耐 介质 、耐 大 气老 化 等 条 件 下 的 变 化 情 况 ， 尤 其 将 耐 １ ０ 高 温 和 抗 ２℃ １ ＭＰ 爆 破压 力 ２ 作 为关 键 性考 察 指标 ，其 中主要 技 ． ａ ０ 项
汽车用中冷器进出气防滑脱硅胶管开发及应用
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乘 员 舱 的 装 甲 防 护 ， 使 车 辆 不 过 分 增 还 要 达 到 与 悍 马 相 当 的 越 野 能 力 ， 这 重。 （） 仍 旧 应 为 四 轮 全 驱 动 结 构 ， ３
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热 老 试 验 硬 度 变 化 ｌ ０～ ＋ 七 ， 『 ＼ ８ （ｏ℃ ×ｌ８） Ｋ度变化率 ／ ≤ １０ ２Ｏ ６｝ １ ％ ． 外 变 化 率 ／ ≤ １ Ｏ ％ ．
爆破 力／ ａ ≥Ｏ４ ＞１ ＞１ Ｍ ｐ ． ． Ｏ ． Ｏ
未来发动机耐高温高压中冷器软管的开发
未来发动机耐高温高压中冷器软管的开发ʌ日ɔ R .K O D A M A T .O N I S H I摘要:目前,中冷器软管由氟橡胶(F KM )和硅橡胶(VMQ )制成,具有高热阻和高耐久性的特点㊂未来中冷器软管将在更加严苛的环境(高温高压)中使用,使用当前材料存在耐久性风险㊂F KM 力学性能的改善工作侧重于关注导致其性能不足的内部F KM 交联点的低耐久性问题㊂目前,交联法具有很强的耐酸性,且无法改性㊂在保留现有网络耐酸水平的情况下,研究添加1个新型特殊的交联网络㊂采用炭黑凝胶作为该新型网络的增强剂,调整聚合物类型和混合比例,从而获得目标值㊂同时,开发出1种新型的F KM ,并采用该新型材料制成软管样件㊂试验样件通过了台架试验验证㊂结果显示,F K M 的力学性能无法支持其在高温环境下工作㊂在高温下,F K M 内层的材料属性无法满足未来发动机的高温高压环境要求㊂通过改善材料在高温下的力学性能,同时保持材料的耐高温性和成形性,最终通过采用炭黑凝胶强化网络实现了开发目标㊂关键词:软管;中冷器;开发;未来发动机0 前言为了同时获得高成本性能和高耐久性能,现代重型商用车广泛采用配备了中冷器的涡轮增压柴油机㊂这些柴油机是人员和货物运输工具的必要动力,具有热效率高㊁C O 2排放低的优点㊂较高的压缩比㊁发动机小型化和降速被认为是柴油机获得更高热效率的有效方式[1]㊂要满足这些要求,必须改善将最终的高温高压气体传输至中冷器的中冷器软管的性能㊂在现代重型商用车中,窜气和高温压缩空气都要流经中冷器软管㊂中冷器软管为叠层结构,具有优良热阻和化学性能的氟橡胶(F KM )内层和优良热阻性能的高热阻芳纶纤维硅橡胶(VMQ )外层㊂图1为中冷器软管的横截面结构图㊂图1 中冷器软管的横截面结构图1 当前零部件在高温高压工况下的评价1.1 软管台架的试验装置图2为软管台架的试验装置图㊂试验采用未来发动机的环境条件,即向软管内施加更高的温度和压力,在所有方向上采用当前水平的振幅㊂为消除局部应力集中,评价材料本身的性能,试验采用几乎无集中应力的直波纹管形软管㊂因为使用闭式通风器(窜气还原装置)会导致恰好位于涡轮增压器前的含酸窜气还原,中冷器软管还必须具有耐酸性和耐油性㊂在未来发动机更加严苛的高温高压工况下,为避免酸性物质穿透F K M 内层,从而损坏不具耐酸性的V M Q 外层,研究人员添加了1个能够在加压条件下喷射不同浓度酸性物质的喷雾装置㊂图2 软管台架试验装置图1.2 当前材料在未来发动机工况下中冷器软管的试验结果图3为零部件在高温高压工况下经过软管台架测452021 NO.3汽车与新动力试后的外观情况㊂VMQ 外层与初始状态无差别,但在F KM 内层的波纹管处出现了裂纹㊂图3 高温高压工况下中冷器软管台架试验结果1.3 F K M 裂纹形成原因评估图4总结了F KM 内层裂纹的形成原因㊂在较高的温度和压力条件下,软管台架试验表明,材料机械强度的缺失会导致裂纹的产生㊂在针对未来发动机条件下的软管台架试验装置上,且在相应的试验中仅增大压力或振动,裂纹在F KM 内层上形成(图3)㊂简而言之,当环境温度升高至未来发动机水平,压力增大会导致软管膨胀及振动,并导致软管上下运动,它们共同作用导致了裂纹的形成㊂在高温环境下,F KM 内层承受了极端应变,且超出了断裂阈值的延伸率㊂为了确定高温环境下F KM 延伸系数的恶化程度,研究人员对F KM 和VMQ 进行了高温抗拉延伸率试验㊂图4 裂纹形成机理评估2 橡胶材料性能测试研究人员采用表1中所列的测试方法测量了材料的力学性能并研究了环境的影响㊂由于要求新开发的材料具有与当前材料相同的环境宽容性,研究人员通过以下几个方面进行了评价:(1)热老化性能(指定时间段内的未来发动机温度条件);(2)耐油性(基于J I SK6258测试方法,采用I R M903标准,指定时间段内的温度为150ħ);(3)燃料耐油性(基于J I SK6258测试方法,采用燃料C ,指定时间段内的温度为90ħ);(4)耐酸性(在指定时间段内,浸入指定浓度的硫酸㊁盐酸㊁硝酸㊁醋酸和甲酸等溶液中后,在60ħ下进行3个干燥循环);(5)V Q M 外层附着性能;(6)抗弯曲疲劳性㊂研究人员为评价在受硫化粘合影响的F K M 和V M Q 试件,进行了拉伸试验(频率25m m /s),并比较出现裂纹的循环数㊂表1 橡胶试件的试验条件序号项目方法1确定拉伸应力-应变性能J I SK62532确定热老化性能J I SK62573确定流体的影响J I SK62584确定挠裂和裂纹扩展(D e m a t t i a 型)J I SK62603 材料开发3.1 目标值隐含的理念图5为F KM 内层和VMQ 外层在室温和未来发动机环境温度下的延伸系数比较结果㊂对于VMQ 外层,当温度由室温升高至未来发动机环境温度时,其延伸系数下降50%㊂而F KM 内层的延伸系数下降25%㊂通常认为,延伸系数低于100%时,橡胶材料就已达到其寿命极限㊂尽管在当前温度下,F KM 内层不成问题,但其在未来温度下的延伸系数会低于100%㊂与之相反,甚至在施加压力和激励的软管台架试验中,研究人员也未在VMQ 外层上发现裂纹㊂因此,研究人员将F KM 内层在未来发动机温度下的延伸系数目标值设置成与VMQ 外层相同的水平㊂图5 每种温度范围内VMQ 和F KM 橡胶延伸率之间的关系3.2 材料开发方法由于F KM 聚合物具有高热阻,因此其延伸系数在高温下的下降主要归因于交联点的低热阻特性㊂基于这个前提,材料开发主要侧重于交联结构㊂当前,462021 NO.3汽车与新动力F KM 的交联结构是通过过氧化物交联形成的㊂多元醇交联具有比过氧化物交联更高的热阻㊂如图6所示,其中的C a O ㊁C a (O H )2和Mg O 化合物等酸性中和剂会通过甲酸和醋酸等有机酸触发脱氟化氢反应,从而实现对F KM 聚合物的降解㊂在保持当前耐酸性的同时,研究人员需要在不替代当前过氧化物交联的情况下实现材料性能的改善㊂图7为新开发材料的结构示意图㊂为了强化在高温下的力学性能,研究人员添加了由炭黑凝胶增强剂制成用于加强F KM 交联点的新型网络㊂研究人员准备了4种具有不同炭黑粒径比的F KM 样本,炭黑的粒径分别是9.9n m (样本A )㊁4.4n m (样本B )㊁1.5n m (样本C )和1.0n m (样本D )㊂为了验证因炭黑导致的物理性能改善情况,研究人员在25ħ和160ħ下对4种样本的物理性能进行了比较㊂如图8所示,关于延伸系数和拉伸强度特性的研究结果表明,通过改变炭黑类型,可以实现力学性能的改善㊂炭黑粒径越小,性能的改善幅度越大㊂出现这种结果的原因是炭黑表面积增大,导致产生更多的凝胶,从而使网络得到强化㊂图6对氟橡胶的化学侵蚀机理图7 新开发橡胶的结构示意图3.3 具有强化高温延伸系数的F K M 材料的开发减小炭黑粒径是强化F KM 材料所采用的主要方法㊂F KM 强化的具体情况见表2㊂研究人员针对每图8 不同炭黑含量的F KM 橡胶力学性能之间的关系种开发材料制备了软管样件,并在软管台架上对其进行了测试,以验证改进幅度㊂由于实际零件即使在局部应力下也需要热阻,因此研究人员在评价中采用当前软管形状,从而确保能够直接采用新型F KM 材料㊂表2 各阶段和方法的改进点项目改进点阶段1聚合物类型㊁炭黑类型㊁混捏条件阶段2增加炭黑的混合量阶段3调整炭黑的混合量,改善成形性阶段4聚合物类型,调整添加剂的混合量由于阶段1的力学性能恶化是不可避免的,因此研究人员通过采用相对于当前材料具有更高初始延伸系数的聚合物及对炭黑混合物实施改性,达到改善高温下延伸率的目的㊂但是,试验人员在软管台架试验中还是观察到了开裂现象㊂在阶段2中,研究人员通过增加炭黑含量试图进一步改善延伸系数,结果导致成形软管的厚度变化很大㊂尽管抑制了台架试验后波纹管处的开裂,但是应力集中导致卡箍装配后发生大部分开裂现象㊂在阶段3中,通过重整混合物改善了流动性和成形性㊂但在台架试验后,试验人员还是在成形软管内部的波纹管和卡箍装配部位观察到了开裂现象㊂由试验结果可知,采用图9中的聚合物I (偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物)材料无法同时实现力学性能和成形性的进一步改善㊂因此,不考虑由于氟含量较低导致化学稳定性下降的问题㊂研究人员在阶段4中采用了在室温下具有高延伸系数的聚合物I I(偏氟乙烯-四氟乙烯共聚物)㊂研究人员将从早期样本获得的混合技术经验应用于阶段4中采用的聚合物I I 上㊂图10为在未来发动机温度要求下,阶段1至阶段4的延伸系数及每种材料软管的台架试验结果㊂在所有的472021 NO.3汽车与新动力改进材料中,最高的延伸系数出现在阶段4,达到了目标值㊂此外,在台架试验后软管未出现开裂现象㊂图9 聚合物I 和聚合物I I的结构图10 F KM开发阶段与软管台架试验结果之间的关系图11 热老化性能㊁耐油性和燃料耐油性的试验结果图12 耐酸性试验结果图11为针对阶段4的热老化性能㊁耐油性和燃料耐油性评价㊂结果显示,试验结果都达到了延伸系数的目标值,且通过了软管台架试验㊂化学稳定性评价㊁附着强度评价和抗弯曲疲劳性评价分别见图12㊁图13和图14㊂较低的氟含量不会导致化学稳定性下降,且每个评价的结果都优于或与当前材料的试验结果持平㊂热老化后的材料附着性能和抗弯曲疲劳性大幅改善㊂由于炭黑凝胶导致的橡胶内部网络强化是实现前述大幅改善的主要原因,因此采用炭黑凝胶强化网络是进一步提升具有优良热阻和化学稳定性的F KM 功能性的1种有效途径㊂图13附着强度试验结果图14 试件出现开裂前的弯曲次数4 结论本试验的开发研究明确了以下2个要点:(1)加热时,F KM 内层的材料性能无法满足未来发动机的环境要求;(2)开发目标要求在保持环境稳定性和材料成形性的同时提高在高温状态下的机械强度㊂研究人员通过向聚合物I I (偏氟乙烯-四氟乙烯共聚物)中添加炭黑凝胶使网络得到了强化,从而实现了开发目标㊂日野公司在新一代R a n ge r 车型上安装了新开发的中冷器软管㊂该车型参加了2019年度达喀尔汽车拉力赛的整个赛事,总名次位列第9名,在同等级别(排量小于10L )的车型中位列第一㊂参 考 文 献[1]Y O S H I T OM IK ,F U N A Y AMAY ,I S H I IM ,e t a l .E f f e c t s o f a m b i -e n t d e n s i t y o n d i e s e lc o m b u s t i o n [C ].2018J S A E C o n gr e s s (A u -t u m n ),2018:168-18.孙丹红 译自 S A EP a pe r 2020-01-0236 虞 展 编辑(收稿时间:2020-12-21)482021 NO.3汽车与新动力。
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汽车柴油发动机中冷系统胶管的开发
摘要：本文对汽车柴油发动机中冷胶管开发的必要性进行分析，并对耐高温硅
胶管和抗渗透氟硅复合胶管两种优秀中冷系统胶管的开发要求、方式进行研究，
为汽车柴油发动机中冷系统胶管的开发提供资料参考。
关键词：汽车；柴油发动机；中冷系统；胶管开发
汽车柴油发动机的中冷系统是保证发动机正常工作的关键结构，中冷胶管作
为连接中冷器、发动机、涡轮增压器等结构的关键设备，其工作性能直接影响柴
油机的散热效率和工作安全性。
但由于中冷胶管经常需要耐受高温，并且处于油
气环境侵蚀中，因而其故障率很高，中冷胶管的更换频率也较大。
随着现代汽车
柴油发动机的功率逐渐提高，对散热需求不断增大，传统的中冷胶管材料和技术
已经无法适应现代汽车柴油发动机的应用，因而想要促进汽车柴油发动机的继续
进步与发展，必须提高对中冷系统胶管的开发重视度，通过材料和技术创新，提
高中冷胶管的耐热度和抗油气侵蚀能力，提高中冷胶管的使用寿命。
一、柴油发动机的特点
柴油发动机的优点是扭矩大、经济性能好。
柴油发动机的工作过程与汽油发
动机有许多相同的地方，每个工作循环也经历进气、压缩、做功、排气四个冲程。
但由于柴油机用的燃料是柴油，它的粘度比汽油大，不容易蒸发，而其自燃温度
却比汽油低，因此，可燃混合气的形成及点火方式都与汽油机不同。
不同之处主
要有，柴油发动机的气缸中的混合气是压燃的，而非点燃的。
柴油发动机工作时，进入气缸的是空气，气缸中的空气压缩到终点的时候，温度可以达到500-700℃，压力可以达到40—50个大气压。
活塞接近上止点时，供油系统的喷油嘴以极高
的压力在极短的时间内向气缸燃烧室喷射燃油，柴油形成细微的油粒，与高压高
温的空气混合，可燃混合气自行燃烧，猛烈膨胀产生爆发力，推动活塞下行做功，此时温度可达1900-2000℃，压力可达60-100个大气压，产生的扭矩很大，所以
柴油发动机广泛的应用于大型柴油设备上。
传统柴油发动机的特点：热效率和经济性较好，柴油机采用压缩空气的办法
来提高空气温度，使空气温度超过柴油的自燃点，这时再喷入柴油、柴油喷雾和
空气混合的同时自己点火燃烧。
因此，柴油发动机无需点火系统。
同时，柴油机
的供油系统也相对简单，因此柴油发动机的可靠性要比汽油发动机的好。
由于不
受爆燃的限制以及柴油自燃的需要，柴油机压缩比很高。
热效率和经济性都要好
于汽油机，同时在相同功率的情况下，柴油机的扭矩大，最大功率时的转速低，
适合于载货汽车的使用。
二、耐高温硅胶管的开发
汽车柴油发动机在使用中，甲基硅胶管失效情况比较常见。
一旦甲基硅胶管
失效，将会影响汽车发动机冷系统的冷却效率，导致车辆发动机内部过热，不仅
影响行车安全，还会给发动机带来不可避免的损伤，从而缩短发动机使用寿命，
增加额外的保养维护成本。
现如今我国国内用于发动机中冷系统胶管的甲基硅橡
胶材料，其耐热温度已经达不到涡轮增压发动机的散热要求，必须开发新的胶管
材料，才能满足现代柴油机进步与发展对中冷系统胶管的需求。
根据试验与分析，耐高温硅胶管的技术要求如下：
1、技术要求
参照国外相关产品技术标准和胶管新的工况条件，制定了耐高温硅胶管的技
术标准，将耐220 ℃高温和抗1.2 MPa爆破压力两项性能作为关键考察指标，主
要技术参数如下。
常态性能：
a.邵尔A硬度；60±5。
b.拉伸强度：≥6.5 MPa。
c.拉断伸长率：≥300%。
d.压缩永久变形：≤50%。
e.爆破压力：≥1.2 MPa。
耐220 ℃老化试验后的性能：
a.邵尔A硬度变化：-7～8。
b.拉伸强度变化率：≤30%。
c.拉断伸长率变化率：≤35%。
d.爆破压力：≥1.2 MPa。
2、材料选择
一般甲基硅橡胶的长期使用温度不宜超过200 ℃，而苯基硅橡胶侧链苯基良
好的耐热性使其能够承受250 ℃高温的作用，因此采用苯基硅橡胶代替甲基硅橡
胶作为胶管基材。
芳纶纤维布具有突出的耐高温性能，经过300 ℃×168 h 耐高温老化试验后，
强度仍能保持90%以上。
采用芳纶纤维布作为胶管的增强材料，取得了良好的耐
热和增强效果。
3、结构设计
为保证耐负压要求，原硅胶管以尼龙聚酯纤维布为增强材料，并用多股钢丝
对胶管中间凸起部位进行增强。
由于钢丝与橡胶材料的粘合性差，而且两种材料
受热膨胀系数的差别较大，使用过程中钢丝容易刺穿胶管。
因此，新产品的结构
设计取消了钢丝增强层，而采用多层芳纶纤维布均匀分布在胶管各部位的增强方式，既保证了产品耐正、负压的要求，又避免了钢丝的不利影响。
4、配方研究
设计硅橡胶配方时，在混炼胶中加入过氧化苯甲酰（硫化剂）、白炭黑（补
强填料）、甲基羟基硅油（结构控制剂），以避免混炼胶因放置时间过长而变硬；此外，还加入其它添加剂，起到降低产品成本，改善胶料加工性能、阻燃性、耐
热性和耐老化性的作用。
5、成型工艺
硅胶管采用夹布结构形式和二段硫化成型工艺。
第1阶段将混炼胶压延成片，同芳纶纤维布一起卷成管坯定型，在 5 MPa 压力和 110～120 ℃温度下的过热水
中预硫化15～30 min；第2阶段将预硫化的硅胶管放入烘箱内，常压在200～
250 ℃条件下烘烤数小时，使硅胶管进一步彻底硫化。
6、性能测试
开发的苯基硅胶管以苯基硅橡胶为基材、以芳纶纤维布为增强材料的硅胶管，同甲基硅橡胶/尼龙聚酯纤维布胶管相比，虽然常态下的力学性能基本相当，但耐220 ℃高温老化后硬度变化小，抗爆破性能得到明显改善，制品满足了新技术标
准中220 ℃老化试验耐爆破压力的要求。
三、抗渗透氟硅复合胶管的开发
发动机在正常工作中，中冷系统的胶管必然接触到油气。
虽然中冷胶管的材
料对油气腐蚀具有一定的抵御能力，但日积月累的油气侵蚀和油污聚集，同样会
对中冷胶管的使用寿命带来影响。
发动机中冷胶管的油气环境改善难度较大，但
我们可以通过开发抗油污侵蚀的新材料胶管，来提高胶管的抗油污能力，并延长
中冷胶管的使用寿命。
正是在这一思路指导下，国外出现了在硅胶管表面贴薄氟
橡胶的复合结构胶管，这种氟硅复合胶管的抗油污能力更强，使用寿命更高，能
够极大的降低胶管换件频率，降低保养维护成本。
1、材料选择
氟橡胶高温下的燃油渗透率仅为硅橡胶的1/1 000，同时具有卓越的耐真空性
能和低透气性、比硅橡胶更好的抗高温燃油腐蚀性；此外氟橡胶的拉伸强度可达20 MPa，比一般硅橡胶的拉伸强度高。
将氟橡胶复合在硅胶管内表面可以保护硅
胶管主体免受介质侵蚀、老化，延长胶管的使用寿命。
2、结构设计
目前硅橡胶价格一般为 80～200 元/kg，氟橡胶价格为300元/kg左右。
为了
在提高综合性能同时维持成本基本不变，将氟橡胶的胶层厚度控制在0.2 mm，将硅胶管的壁厚由5 mm减少到4 mm，增强层由原来的尼龙聚酯纤维布改为芳纶纤维布，并由4层减少到3层。
3、成型工艺
由于氟橡胶和硅橡胶都属于表面能较低、难以粘合的材料，如何将氟橡胶复
合到硅橡胶上、不出现分层剥离问题是本项目必须解决的关键性技术难点。
为此，选用美国进口硅烷偶联剂，将其涂敷在硅橡胶与氟橡胶结合面上，伴随着胶管的
硫化同步实现了两种橡胶材料的互相粘接，两者的层间剥离强度达到 1.98 kN/m。
4、性能测试
氟橡胶的拉伸强度达到20.1 MPa，大大高于硅橡胶；尤其是在高温耐介质试
验中，氟橡胶的拉伸性能和耐油体积率明显优于硅橡胶，说明氟硅复合胶管在耐
油腐蚀方面有较好的性能优势。
通过硅烷偶联剂对氟橡胶和硅橡胶表面的涂敷处理，使胶管层间剥离强度满足了1.75 kN•m -1 的技术指标要求。
综上所述，通过性能测试和实践证明，上述以耐高温和抗油污为方向的两种
中冷系统硅胶管的开发符合现代汽车柴油发动机中冷系统胶管开发需求，具有一
定的借鉴和应用价值。
参考文献：
[1]司福贵，马圣龙，叶邵松，等.汽车用中冷器进出气防滑脱硅胶管开发及应
用[J].重型汽车，2012（3）：26-27.
[2]张洪起，李智.一种极限温度达到175度的用于汽车胶管的三元乙丙组合物：，CN102875906A[P].2013.。