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。
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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：
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[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.
论文作者:李宝满
论文发表刊物:《基层建设》2017年2期
论文发表时间:2017/4/20
标签：胶管论文; 硅橡胶论文; 柴油发动机论文; 耐高温论文; 硅胶管论文; 系统论文; 材料论文; 《基层建设》2017年2期论文;