（动力机械及工程专业论文）柴油发动机塑料进气歧管设计研究.pdf

摘要 轻量化、环保化已成为当今世界汽车材料发展的主要方向。塑料进气歧管可 比铝进气歧管重量减轻5 0 9 6 以上，发动机动力性得到5 i 0 的提升，经济性和排 放性也有相当改善，材料和制造成本都可得到降低。但是塑料进气歧管作为发动 机进气系统最关键的零部件，其设计和制造难度很大。本文主要研究柴油机塑料 进气歧管的设计方法。 首先介绍了柴油机的换气过程，分析柴油机塑料进气歧管的结构功能，提出 了进气歧管总体设计思路及各附件的设计要求。在此基础上使用三维设计软件 p r o e 为现代d 4 8 3 一t c 柴油机设计了塑料进气歧管。同时利用c a e 软件研究塑料 进气歧管的动态特性及对其结构上的不合理性进行改进。 借助计算流体力学( c f d ) 辅助内燃机设计理论，研究了c f d 在进气歧管开 发中的应用及其模拟精度。利用三维流体计算软件f i r e 对所设计塑料进气歧管 型腔进行流场模拟，深入研究了型腔内部流场分布和对缸内进气涡流的影响，为 进气歧管型腔的三维结构优化提供理论依据。 制作塑料进气歧管快速原型样件，经装配测试和稳流气道试验台验证，用该 方法设计的塑料进气歧管性能符合要求，工艺合理。 本文采用虚拟设计理论，利用现代化集成设计方法，试验与模拟并行，加快 了产品开发周期，降低了开发成本，可以高质量的完成设计任务。该方法既可用 于指导进气系统的性能改进，还有利于加快国内塑料进气歧管的应用和推广。 关键词：塑料进气歧管柴油机力学分析计算流体力学快速成型 a b s t r a c t l i g h ta n de n v i r o n m e n t a lt i t l et h em a m d i r e c t i o nma u t o m o b i l em a t e r i a l p l a s t i c a i ri n t a k em a n i f o l d sa r es u c c e s s f u l l yr e p l a c i n ga l u m i n u ma i ri n t a k em a n i f o l d s g o o d p e r f o r m a n c e ，l o w e rw e i g h ta n dc o s t sa l et h em a i nr e a s o n sb e h i n dt h i st r e n d i ti s d i f f i c u l t yt od e s i g na n dp r o d u c et h em a n i f o l db e c a u s eo fi t si n t r i c a t es h a p ea n dt h e r e q u i r e m e n t so fp e r f o r m a n c e t ob r i n gt h ep l a s t i cm a n i f o l di n t op r a c t i c a lu s ei nc h i n a ， t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h e st h em e t h o do fd e s i g np l a s t i ci n t a k em a n i f o l d sc a v i t yf o r d i e s e le n g i n e f i r s t l y , g a se x c h a n g ep r o c e s so f d i e s e l e n g i n e i s i n t r o d u c e d , t h e n t h e c o n f i g u r a t i o nf u n c t i o no fp l a s t i ci n t a k em a n i f o l df o rd i e s e le n g i n ei sd i s c u s s e d n l e p a p e rt h e np r o p o s e sr e q u i r e m e n to fg e n e r a ld e s i g na n de a c ha c c e s s o r y b a s e do nt h e s e a p p r o a c h e s ，t h es t r u c t u r e o fp l a s t i ca i ri n t a k em a n i f o l dw h i c hu s e di nh y u n d a i d 8 4 3 - t cd i e s e le n g i n ew a sd e s i g n e di np r o e n g i n e e r a f t e rt h a t ，t h ep a p e rr e s e a r c h e d t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fp a i m s ，t h e ni m p r o v e du n r e a s o n a b l es t r u c t u r eo nt h e b a s i so fc a es o f t w a r e t 1 1 et h e o r yo fc f da p p l i e di ne n g i n ed e v e l o p m e n tw a ss t u d i e d a n dt h em e s h s t r u c t u r ew a sa l s or e s e a r c h e dw h i c hw a st h ek e yp o i n tt oc o m p u t ep r e c i s i o n 卫1 e t h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o no fa i rf l o w si np l a s t i ci n t a k em a n i f o l d so f d i e s e le n g i n ei sp e r f o r m e du s i n gc f ds o f t w a r e - f i r e n es i m u l a t e df l o wf i e l d p r o v i d e sad e t a i l e dn i g h ti n t oi n f l u e n c eo fi n t a k em a n i f o l d so nf l o wc h a r a c t e r i s t i c s a n ds w i r lm o t i o n t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t so fm a n i f o l d sf l o wp e r f o r m a n c ep r o v i d e t h e o r e t i c a ld i r e c t i o n sf o ri n t a k em a n i f o l d sc a v i t yd e s i g n r a p i dp r o t o t y p i n gm o d e li sm a d et od oas e r i e so ft e s tw a sf i n i s h e dw i t ht h i s s a m p l e i n c l u d i n ga s s e m b l yc h e c k o u ta n dt e s ti ns t e a d yf l o wt e s tr i ga i r w a y 1 1 1 e t e s t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h i sm e t h o d i sr e a s o n a b l ea n dc o r r e c t ，n l ed e s i g nm e t h o do fp l a s t i ci n t a k em a n i f o l df o rd i e s e le n g i n ep r o p o s e di nt h i s p a p e rw a sd i s c u s s e du s i n gt h e o r yo fv i r t u a ld e s i g n , i n t e g r a t e dc a d c a e c f d o p t i m a lm e t h o da n dc o n c u r r e n ts i m u l a t i o na n dt e s t i n gc o n c e p t , w h i c hc a nr e d u c et h e c y c l ea n dc o s to fe x p l o i t a t i o n i ti sa ne f f e c t i v ea n df e a s i b l em e t h o df o rp l a s t i ci n t a k e m a n i f o l dd e s i g n ，a n di ti s g o o df o ra c c e l e r a t i n gt h ep l a s t i c i n t a k em a n i f o l d p o p u l a r i z a t i o n k e yw o r d s ：p l a s t i ci n t a k em a n i f o l d ，d i e s e le n g i n e ，m e c h a n i c a la n a l y s i s ， c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，r a p i dp r o t o t y p e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特，l , j m 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：彻汐9 年秒6 月0 2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授杈苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：纠 签字日期：力矿7 年月口2 - 日 新躲剖孑撕 导师签名：& ) 7 1 酣仃 签字嗍姊年衫月 夕日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 汽车轻量化是汽车工业发展方向之一，也是汽车行业技术进步和先进程度的 重要标志。降低汽车质量的重要途径之一是采用强度高质量轻及其他性能更优的 新材料。在汽车工业中应用日益增多的材料有铝、镁等轻金属、高强度耐高温陶 瓷、纤维增强材料、金属复合材料等。其中塑料制品由于具有良好的性能、低 廉的价格、简单的加工工艺，应用最为广泛。 在过去的几十年中，塑料产品正被越来越多的应用在汽车工业中，如图1 - 1 所示，欧美汽车单车塑料用量已经由1 9 7 0 年的不足5 0 蝇发展u 2 0 0 6 年的1 5 0 k g 。 在欧洲，德国每辆汽车平均使用塑料制品占汽车总消费材料的2 2 左右，是世界 上采用汽车塑料零部件最多的国家闭，如奥迪a 2 型轿车的塑料件总质量已占到总 用材的2 46 ；法国r e n a u l t 汽车公司小型轿车的塑料制品用量占总质量的 15 5 ；日本每辆汽车平均使用塑料达 1 0 0 千克，约占汽车材料消费总量的 75 。 中国汽车工业已进入高速增长阶段， 2 0 0 8 年我国汽车销量9 3 80 5 万辆，已成为 世界汽车生产大国，但我国平均每辆汽 车塑料用量占汽车质量的5 - - 1 0 ，仅 达到国， b 2 0 世纪8 0 年代初、中期水平吼 因此汽车零部件的塑料化已经成为汽车 行业以及相关产业的一个研究热点。 现代汽车中应用塑料最广的是汽车 外装饰部件( 如保险杠、挡泥板、车轮 罩、导流板等) ，和汽车内装饰部件( 如 仪表板、汽车内板、杂物箱盖、座椅、 后护板等) 。但是随着塑料产业的发展 新材料和新技术不断涌现，汽车塑料制 品已经由普通装饰件茇展到结构功能件 v 咐驴 m 叫名恕：“”引n c “5 b 图1 2 奔驰汽车上塑料的用途比例 i。一一 ，l。一 一 - 单 i纛、 劓? 心。驯警心 第一章绪论 ( 如油箱、散热器水室、空滤器罩、风扇叶片等) 。从图1 2 中可以看出应用于 某型号奔驰汽车上塑料的用途比例。 与世界水平相比，中国汽车塑料化的差距仍然十分明显。从总体上看，我国 汽车用塑料制品的发展趋势是：增加塑料原料品种和牌号，尤其是在工业上用作 功能件、结构件的类型有待开发，提高塑料件设计、模具开发和制造能力，建立 高水平的汽车塑料制品研究团队。本文主要研究了柴油机塑料进气歧管的设计方 法。 1 2 柴油机塑料进气歧管的研究与应用 1 2 1 柴油机塑料进气歧管研究背景 一般来说，使用了清洁柴油机的汽车比汽油机车型的效率提高了2 0 - - 4 0 ， 二氧化碳的排放降低1 0 - 2 0 ，在全球能源供应日益紧张、污染日益严重的的 今天。柴油机以其油耗低、功率高等优势，应用范围不断扩大，应用数量大幅增 长 4 1 。 欧洲的柴油机轿车销售比例在2 0 0 4 年就已达到4 7 ，新增商用车几乎1 0 0 是柴油机车型。而根据中国汽车咨询中心的统计，2 0 0 6 年我国柴油机车型占汽 车保有量的比重为2 3 7 ，其中柴油轿车的比例仅占o 2 。公众对柴油机车型 的偏见依然严重，产业政策导向对柴油机的扶持不足，导致我国柴油机的发展与 国际上相比严重滞后。而随着电控喷射、高压共轨、增压等技术的应用，柴油机 的油耗降低，尾气污染物排放与上个世纪九十年代初减少了9 0 。由此可见，柴 油机的发展在我国具有十分广阔的前景。 而进气歧管( a i ri n t a k em a n i f o l d ) 是发动机进气系统中最重要的部件之一， 决定着发动机的进气效率和各缸的均匀性，进而进一步影响着发动机的动力性， 经济性和排放特性【5 】。 相比于金属进气歧管，塑料进气歧管有如下的几个优点睁7 】： ( 1 ) 质量较轻。平均质量为铝制进气歧管的4 5 ，是铸铁进气歧管的2 5 。 ( 2 ) 动力经济性好。塑料进气歧管的内壁光滑，可减少空气流动阻力，增加 进气充量，促进燃料的充分燃烧，并且塑料进气歧管导热系数低，从而有效改善 发动机的动力性和经济性。 ( 3 ) 成本较低。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，但是由于金属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2 0 3 5 。 2 第一章绪论 2 0 0 5 年，欧洲塑料进气歧管占进气歧管的市场份额已达8 5 ，日本和美国 也已超过6 0 t 引。但是进气歧管的设计方法涉及内燃机、流体力学、固体力学、 高分子材料、模具及自动化等多学科的先进技术交叉和多单位的分工协作，开发 难度很大。国外对塑料进气歧管设计及生产技术封锁严密，而国内对柴油机塑料 进气歧管的设计研究几乎是片空白，因此对柴油机塑料进气歧管进行设计研究 具有十分重要的意义。 1 2 2 柴油机塑料进气歧管国外的研究与应用 加拿大q u e e n 大学的j e f f r e yc m a h 、p h i l i pb a t e s 等人研究了柴油机塑料进 气歧管的设计开发方法，主要通过实验阐述了不同的工艺参数对进气歧管性能的 影响【9 1 。 曼一胡默尔公司研发中心的a l r u ns p e n n e m a n n 、d i e t e rw e h r 等人利用一维和 三维数值模拟软件耦合计算的方式研究了柴油机的进气歧管在发动机进气过程 中的作用，分析了柴油机进气歧管壁面和使用e g r 对发动机性能的影响 1 0 1 。 美国a i s i ns e i k i 大学的h i r o y u k it a n a k a 和s h i n i c h ik i t a g a w a 利用理论和实验 结合的方法详细研究了柴油机塑料进气歧管的静态压力、振动和噪声并提出了优 化方案【1 1 1 。 而就应用来说，国外已有多家公司掌握了柴油机塑料进气歧管开发的核心技 术，并已经有几款成熟的柴油机车型采用了塑料进气歧管。 德国保时捷公司联合马勒公司和杜邦公司联合开发的塑料进气歧管采用 3 0 玻璃纤维( g f ) 增强的尼龙( 】p a ) ，应用于卡宴柴油车型的4 5 l v 8 引擎。 德l $ 1 m o n t a p l a s t ( 梦达驰) 汽车公司联合美国杜邦公司开发的柴油机塑料进气歧管 采用u l t r a m i d 作为原材料( u l t r a m i d 是一种经玻璃纤维强化的尼龙) ，已经成功的应 用于英菲尼迪的q x 5 6 全尺寸s u v 和泰坦轻卡。 德国公司曼胡默尔采用杜邦公司的h t n 5 2 g 3 5 h s l 加3 5 玻璃纤维增强 p p a 制造的塑料进气歧管已经应用于奥迪车型的奥迪a 8 4 2 lt d i 柴油发动机， 这一塑料进气歧管承受温度可达2 5 0 摄氏度。 韩国现代发布的新柴油发动机排量“r 系列 设有2 0 l 和2 2 l 两种。将于 2 0 0 9 年下旬开始生产，预定配备在s u v “途胜”和轿车“御翔”上。为实现轻量化， 采用了铝合金缸体、树脂材料气缸盖罩、进气歧管以及滤油器。 此外罗孚公司与巴斯夫、宝马公司等联合开发的2 l 4 缸涡轮柴油发动机进 气歧管组件( 由进气歧管、发动机外壳和空气净化器罩组成) 的所有部件都由尼 龙制成，这种进气歧管组件采用注射成型工艺和振动焊接制造，每件仅重6 k g 。 进气歧管使用由3 0 玻璃纤维增强的尼龙制造，这种材料能承受很高的发动机温 第一章绪论 度，所用材料是巴斯夫u l t r a m i d b 3 g m 2 4 ( 1 0 玻璃纤维和2 0 矿物纤维增强尼 龙6 6 ) 。 福特公司和m a r di v 公司采用杜邦公司牌号为z y k l 的3 3 玻璃纤维增强尼 龙6 6 生产进气歧管，该进气歧管较铝质进气歧管轻3 0 。宝马公司的r o v e r v 6 车和福特公司的f - 1 3 0 3 5 0 卡车都使用了这种进气歧管。 图卜3 给出了部分使用塑料进气歧管的柴油机车型。 ( d ) 图1 3 使用塑料进气歧管的柴油机车型 a ) 英菲尼迪q x 5 6 c 1 奥迪a 8 4 2 l t d i 伪) 保时捷卡宴柴油版 ( 由现代御翔柴油轿车 12 3 柴油机塑料进气歧管国内的研究与应用 广西工学院的邱卓丹、沈捷等人用实验的方法研究了进气歧管支营长度，进 气口位置等结构参数对柴油发动机性能的影响，重点研究了进气歧管内的波动效 应。研究的对象是针对金属进气歧管展开的。 重庆大学的吴春艳对塑料进气歧管的成型方法进行了理论研究并提出了优 化方案，主要研究了材料和注塑工艺对进气歧管的影响【】”。 就应用来说，我国一汽集团与b a s f 公司合作开展了6 d 9 3 柴油发动机的塑 料进气歧管开发工作2 0 0 4 年春季开始下线，用于红旗c a 7 1 8 0 - - 4 9 e 型轿车，见 图( 1 _ 4 ) 。这是我国开发成功的第一个柴油机塑料进气歧管，但产量不大，未能大 第一章绪论 规模应用。二汽和其它一些车厂也提出过开发计划，但至今也没有成形的产品推 圈卜4 红旗c a 7 1 8 0 - - 4 9 e 轿车和开发的塑料进气歧管 由此可见，柴油机塑料进气歧管在我国汽车工业中具有非常广阔的市场前景 和巨大的产业价值。必须大研究力度，加快速度研制具有自主知识产权的塑料进 气歧管，进一步提高我国汽车工业的国际竞争力。 1 3 塑料进气歧管的成型材料 发动机周边的部件材料要求性能为耐一4 0 1 5 0 c 宽范围温度的耐热性，耐热 老化、耐燃油、耐各种润滑油、耐化学性( 包括道路上的氯化钙等) ，耐落锤冲击 性、振动和音频衰减性，对振动和外力有优良的耐久性，另外材料还应密度小、 翘曲小、成型容易。 1 3 1 塑料进气歧管的常用材料 多数公司都选用增强尼龙作为制各塑料进气歧管的主要材料。从表卜1 中可 以看出增强尼龙和一般尼龙的性能比较。汽车发动机塑料a i m 的材料主要使用玻 璃纤维增强的尼龙。这是因为尼龙具有较好的机械性能【l ”、更轻质、韧性好、耐 水，耐酸碱性、生产周期短、适合大批量工业生产、为环境友好型材料等优点。 尼龙中加入玻璃纤维可以增加塑料的拉伸强度和弯曲强度及弹性，提高产品的抗 冲击和抗拉伸能力，同时也能提高产品的工艺尺寸稳定性：缺点就是注塑时容易 出现玻璃纤维外露，质量难以保证。 裹卜1 增强尼龙和一般尼龙的性能比较 n * ：背劣：搽 ；能器 “h * m p a 嘶i ”1 w * g * * 十州哪84 4 m m a m h 7 帅85 s 0 ”掣4 m a 啦靳1 0 8 1 0 0 * 口目m 戌n b 2 1 5 2 b * a 4 镕# m hi ，b e 2 日* 酩5 5 ；| * 自r m mi i b e o 目* 1 0 i8 2 夕 第一章绪论 尼龙6 6 和尼龙6 是制造汽车发动机a i m 中是最常用的材料。尼龙6 弹性优 良、耐磨、强度高、熔点高、摩擦系数小、自润滑性好、耐冲击、延伸率高、易 于加工且生产成本低；尼龙6 6 熔点较高，约为2 5 5 摄氏度，耐高温性能要比尼 龙6 好，熔体流动性好，很容易充模成型。尼龙6 6 + 3 0 玻璃纤维的m m 能在 1 3 0 摄氏度稳定工作。 尼龙材料最大的缺点是吸水性较大，导致制品尺寸和性能的变化。不过，在 聚酰胺大分子主链末端含有氨基和 羧基，在一定的条件下，具有一定 的反应活性，因此，可通过化学和 物理改性来克服其缺点。应用聚硅 氧烷等偶联剂，可以使玻璃纤维改 性后的聚酰胺主要性能得到很大地 提高，如3 0 玻璃纤维增强的尼龙 6 ，拉伸强度增加了约1 2 倍，拉伸 模量增加了约2 倍，悬臂梁冲击强 度增加了约1 4 倍，高负荷热变形温 度提高了1 5 0 摄氏度，成型收缩率 降低5 0 ，制品精度、尺寸稳定性 等均有很大提高。 1 3 2 塑料进气歧管的新型材料 表1 - 2 尼龙6 6 和尼龙6 的性能比较 羹雷h e 卅n 公司a i m 用p a 6 6 的技术指标 名嚣糖粝坛准 密度，( g c 一) l 。3 9i ) - 7 9 2 ( a s t m ) 虞喇收缩奉( 1 8 b a r ) l a i a 0 0 0 3 持氏硬凌( h a ) 1 1 9 拉钟i 强度m h ( 弱， 9 0 01 3 6 3 8 断缓仲长率( 2 3 ) 3 d 6 鹞 弩l i 【 横篮m p a ( 2 3 c ) 9 6 缺u 冲击强度( 2 3 ) ，u m ) 9 5n 2 5 6 熔点 2 6 01 3 8 4 1 8 璧邈簦墼5 1 ：鲤2墼婪兰 内纂公碍a i mn 骚技术指掾 名称抬耘标 准 拉伸强度m p a1 7 0g b t 1 0 4 0 断袋伸长率3 g b t 1 0 4 0 弯曲强度m p a 1 9 5g 彬1 9 3 4 1 穹由楔量 俩6 s o o g b t 1 0 4 1 冀立粱冲击强度( k j m z ) 3 5g p , t 1 0 4 3 硬度( h a )”5 g b t 2 4 1 1 垫錾垄墨廛兰墨塑垒出旦墼! ( 1 ) 聚邻苯二酞胺【1 5 j 目前国外已使用聚邻苯二酞胺( p p a ) 制造进气歧管，并己应用到克尔维特、 卡麦罗、火鸟车型的l s l 和l 5 6 发动机用进气歧管。此种类型的进气歧管通常 设计成三个部分，通过螺栓一起固定到发动机上。 在高温高湿状态下，p p a 的拉伸强度比p a 6 增加2 0 ，也比p a 6 6 更高。此 外在低速低负荷时，其功率、扭矩提高幅度可达1 0 以上。同时，塑料件的气道 使用p p a 材料的弯曲模量比尼龙高2 0 ，硬度更大，更能抗长时间内的拉伸蠕 变；p p a 的耐汽油、耐油脂和冷却剂的能力也比p a 强。最重要的是质量轻，用 铸铝制造的进气歧管，质量达1 1 8k g ，而用p p a 树脂分三片模塑而成的同类型 进气歧管质量仅5k g ，能多产生2 5 的气流。何况铸铝制品还会加热吸人的空气 而降低功率，由于塑料是热的不良导体，故有隔热作用。 ( 2 ) 酚醛树脂 6 第一章绪论 德国宝马公司生产的b m w 7 3 5 i 和7 4 5 i 新系列轿车的舭m 采用热固性酚醛 树脂为材料，宝马公司、德国鲍姆加藤的模具体系生产厂( p i e r b u r g 公司) 和材料 供应厂( 比利时v y n c o l i tn y 公司) 共同开发完成了这个项目。新材料v y n c o l i t x 7 2 5 0 是玻纤和玻璃微珠增强酚醛树脂，在1 4 0 摄氏度下仍具有高刚性，制品平 均壁厚仅3 m m 。 ( 3 ) 尼龙s p s 共混物 俄罗斯最大的汽车生产厂a v t o v a z 公司在俄罗斯的汽车也采用了塑料进气歧 管，材料是美国d o w 公司的3 5 玻璃纤维增强间规聚苯乙烯( s p s ) 和尼龙( p a ) 共 混物q u s t r a n ，用于其3 个l a d a 发动机( s o t - i v1 5 s o h v1 6 和d o h c1 6 ) 。q u s t r a n 以尼龙6 、尼龙6 6 或尼龙6 尼龙6 6 共混物为连续相，因此仍保持尼龙良好的 加工性和表面外观。分散相s p s 降低材料的吸湿性、提高尺寸稳定性和抗翘曲 性，s p s 在汽车发动机罩下温度环境中仍基本保持原有的力学性能。灿m 用材料 的牌号为q u s t r an w a9 7 3 5 0 1 。 1 4 塑料进气歧管的制造技术 1 4 1 制造塑料进气歧管的常用技术 ( 1 ) 熔芯法 从上个世纪八十年代开始，欧洲开始使用熔芯法( l o s tc o r e ) 制造塑料进气歧 管【1 乒1 9 1 。其加工工艺包括浇铸模芯、注射模塑加工、感应熔融模芯、插入金属嵌 件和焊接其它附件。如下图1 5 所示。 簟芯压舅 压一2 羹嚣麓辩：r a b b i 台垒 清洗，手 _ _ _ o 奠奠捡重 图1 5 熔芯注射成型进气歧管工艺过程 7 第一章绪论 在第一阶段，采用低压工艺用低熔点的合金( 一般是锡铋合金，密度为 8 6 k g c m s ，熔点1 3 7 0 c ) 浇铸模芯；第二阶段，将模芯安放在模腔内，经注射成 型，将塑料色复在型芯外面，冷却脱模；第三阶段，把歧管( 含有低熔点合金的 型芯) 放人油缸中( 1 3 7 0 c 左右) ，使型芯熔化( 回收再用) ；并在对歧管进行清 洗干燥等后处理工艺后，进行进气歧管的装配，由全自动装置嵌入受热的金属嵌 件，同时焊接其它附件，最后进行产品的测试。 但是，熔芯法制造的进气歧管，不仅成本较高，而且有一定的废品率，因为 歧管材料p a 6 6 ( 玻纤增强) 的加工温度在2 5 0 - 2 6 0 0 c 左右，虽然在模具内与型芯 的接触仅几分钟，但也不可避免地会熔化部分的型芯，使歧管的内壁尺寸控制困 难；并且在大批量生产时模芯技术的加工工程问题变得越来越突出。 ( 2 ) 振动摩擦焊接 近年来，由于振动摩擦焊技术( v i b r a t i o nw e l d i n g ) 的进步，对于大尺寸玻纤 增强纤维尼龙的焊接技术也日趋成熟，振动摩擦焊工艺逐渐取熔芯法，用于分片 式塑料进气歧管的生产。并且由于p a 6 + 3 0 比p a 6 6 + 3 0 的焊接强度高，使得 p a 6 + 3 0 在塑料进气歧管上的应用逐渐增多 2 0 l 。 振动摩擦焊接的工作原理是：利用在两个待焊工件接触面所产生的摩擦热能 来使塑料熔化，热能来自一定压力下，一个工件在另一个表面以一定的位移或振 幅往复的移动，一旦达到预期的焊接程度，振动就会停止，同时仍旧会有一定的 压力施加于两个工件上，使刚刚焊接好的部分冷却、固化，从而形成紧密地结合。 摩擦焊能熔接简单三次曲面的工件。焊接面耐 溶剂性能好，机械作用时间在1 5 s 以下，省电，工作 时几乎无味，可焊接大型工件，并可一次焊接数个 工件。夹具制造简单、装拆方便、可冷作业。但是 其振动方向必须为曲率半径大于5 0 0 n u n 的形面【2 l j ， 且外观容易存在少量的溢出熔料。在单片塑料进气 歧管上合理设计导能筋结构 2 2 彩】，如图1 - 6 ，可以保 证焊接强度和焊接效果。 振动摩擦焊接技术的缺点是，为了保证两个部 图1 - 6 导能筋结构示意图 件的接触面充分摩擦，每一个接触面都必须是平面，这就大大降低了进气歧管设 计的自由度。另外，在振动焊接时，为了保证两个部件的接触面能准确地定位在 一起，以实现良好的结合，要求每一个部件的接触面都必须留有1 0 m m 左右的焊 接边缘( w e l df l a n g e ) 。在狭窄的发动机周围，这种多余的焊接边缘常常给进气 歧管的装配带来困难，表1 3 是两种成型方法的综合对比。 第一章绪论 表l 一3 熔芯法和摩擦振动焊接塑料制品的性能对比 性能 l o s tc o r ev i b r a t i o nw e l d i n g 使用性能满足满足 机械性能( 拉 伸强度、耐蠕 达到要求 达到要求 变、爆破) 热性能 一4 0 1 6 0 。c一4 0 1 6 0 。c 外形尺寸小较大 成型工艺 复杂简单 成本高低 1 4 2 制造塑料进气歧管的新型技术 ( 1 ) 激光焊接 激光焊接法( l a s e rw b l 血培) 阱】是一种新型、高效的塑料焊接方法，使用该方 法的一个先决条件就是两个零件之一必须能透过激光面而另一个零件必须能吸 收激光束。其工作原理是：在焊接开始前，连接零件相互接触，但不是处于外加 压力之下，焊接零件所需的压力由塑料溶液的热膨胀产生。焊接过程中，高性能 的激光器发射出激光束贯穿透光零件而激活吸收材料表面，被吸收零件转化为热 量。激光束的吸收形成了极微小的热量。结果吸收零件被润湿，因而增加了两零 件之间的热接触点( 面) 。透过激光的零件也通过吸收零件的热传导被加热和熔 化，最终在两材料之间形成瞬时渗透焊缝。激光能焊接多种类不同材料和诸如橡 胶改性塑料与玻纤填充塑料等难以连接的材料，可以将能透过近红外线激光的聚 碳酸酯( p c ) 和3 0 玻纤增强的黑色聚对苯二甲酸丁二酯( p b t ) 连接在一起；还能 焊接那些对激光透射率低并且被认为很难焊接的材料及颜色种类，如用于汽车燃 油管中的3 0 玻纤增强的缩醛塑料制品和用于汽车油门踏板传感器中的黑色 p a 6 和p a 6 6 制品。 激光焊接技术与注射工艺的组合是目前国外最新的塑料a i m 成型工艺，许多 厂家都投入了相当大的精力开发适应于a i m 激光焊接的材料牌号以及相关工艺 设备。用激光来加热并熔化材料时，由于两个接触面不会出现因振动而发生移动 的现象，因此可以把焊接边缘设计得小一些。采用激光焊接技术的最大问题是， 必须保证两个焊接面紧密地接触在一起，注塑部件任何微小的翘曲都可能引起焊 接缺陷。 ( 2 ) 粘接剂粘合 目前，一种更新的技术粘接剂粘合( a d h e s i v eb o n d i n g ) 技术【2 5 】被用于塑 9 第一章绪论 料进气歧管的开发。该技术能够充分发挥焊接技术的优点，避免其缺点 图1 7 粘接技术要求的接触面与尺寸 与振动焊接技术相比，粘接剂粘合技术使塑料进气歧管的设计自由度更加灵 活。在振动焊接技术要求的接触面上( 如图卜7 所示) ，粘接剂粘台技术只要 求两个接触面具有相同的装配轮廓，就可以保证两个部件匹配地接触在一起。 通常，粘接剂粘合技术采用仅3 m 宽的鸭舌状或凹槽状的粘舍方式。而振动 焊接技术所要求的围绕整个部件的焊接面宽度通常达到8 m 。可见，粘接剂粘合 技术生产出的进气歧管更适台在狭小的空间内进行装配，从而可减小发动机周围 的空间。 图1 8 粘合拄术与振动焊接技术的外形尺寸对比 具体而言，粘接剂粘合技术具有如下优点： ( 1 ) 不需要振动焊接技术所要求的环绕整个部件的定位结构或装置并且进气 歧管的管道( r u n n e r ) 可以共享相同的管道壁，这使得进气歧管的尺寸变得更小 同时还扩大了进气歧管的直径，从而提高了发动机的性能。 ( 2 1 通过调整鸭舌状或凹槽状粘合面的接触面积，可以很方便地获得需要的 粘接强度。如图5 所示，如果鸭舌状或凹槽状的接触面能够充分接触，就可以得 m 铲 =薹呀u 第一章绪论 到最大的粘接强度，这种粘合方式在做逆火测试时可得到更好的测试效果。 粘接剂粘合技术的缺点是： ( 1 ) 与焊接技术相比，由于需要使用粘接剂，因此会带来附加的成本； ( 2 ) 采用热熔芯技术和焊接技术生产出的进气歧管可以立即进行测试，但采 用粘接剂粘合技术生产出的进气歧管需要等粘接剂固化( c u r e ) 完全后才可以测 试，固化时间大约需要1 0 0 m i n 。 作为粘接剂粘合技术的开发者，d o wa u t o m o t i v e 已经将其开发出了 b e t a m a t e2 ks y s t e m 粘接剂应用于塑料进气歧管的制造上。作为这一技术的合作 开发商，首诺( s o l u t i ai n e 。) 公司专门开发了v y d y n er 5 3 5 h w ( p a 6 6 + 3 5 g f ) 材料，目前该材料已被应用于采用接剂粘合技术生产的塑料进气歧管上。 图1 - 9 几种塑料进气歧管加工工艺的成本对比 图1 - 9 所示是几种塑料进气歧管加工工艺的成本对比。对于相同结构的进气 歧管，采用粘接剂粘合技术时所需要的成本略高于采用振动焊接技术的成本。但 是，粘接剂粘合技术可以获得类似于熟熔芯技术一样的设计自由度，而其成本却 明显低于热熔芯技术。更为重要的是，今后通过对粘接剂粘合技术的不断优化， 其成本渴望与振动焊接技术相同，尤其是它对设备的资金投入要比振动焊接技术 少。但就目前来说，摩擦振动焊接还是制造进气歧管的主流技术。 1 5 本课题研究内容 塑料进气歧管因比铝进气歧管减轻重量5 0 以上，发动机动力性有5 1 0 的提升，经济性和排放性也有相当改善，材料和制造成本都降低，在国外已得到 广泛应用。而我国在塑料灿m 制造行业方面起步比较晚，成型技术比较落后。 绝大部分国内塑料越m 产品均为国外进口，自主研制的塑料灿m 产品很少。 本文拟研究现代d 4 8 3 t c 型号柴油机塑料进气歧管设计方法，采用数值模拟 和实验相结合的方法进行研究，提高塑料进气歧管的性能和可靠性，降低开发成 第一章绪论 本，填补国内空白。主要研究内容如下： ( 1 ) 分析四冲程柴油机的换气过程，根据进气歧管的结构和功能提出对柴油 机塑料进气歧管的设计要求； ( 2 ) 利用三维设计软件p r o e 等进行零件结构设计，并将设计的零件进行处理 为虚拟装配、强度计算等提供原始输入； ( 3 ) 对塑料进气歧管进行有限元与模态的分析并对不合理设计进行改进； ( 4 ) 利用数值模拟技术计算塑料进气歧管型腔的三维流场，为改进发动机的 性能提供计算依据； ( 5 ) 利用快速成型技术制作塑料进气歧管样件，进行塑料进气歧管的装配实 验和进气系统流通特性的实验验证。 1 2 第二章柴油机进气过程及对进气歧管的设计要求 第二章柴油机进气过程及进气歧管的设计要求 2 1 柴油机的进气过程及对进气系统的要求 一般高速四冲程的柴油机充入气缸的空气量约为气缸工作容积7 5 8 5 左 右( 计算值) 。l k g 柴油完全燃烧，理论上需要1 4 3 埏的空气，也就是说要使柴油 完全燃烧必须要有一定比例的空气量与它配合。如果按体积计算，要使柴油完全 燃烧，理论上柴油与空气的比例约为1 ：1 0 0 0 0 左右。由于空气所占的体积很大， 所以可以说柴油在柴油机气缸中燃烧时所放出的热量多少，主要是决定于充入气 缸的空气量多少，因为吸入的空气量多，可以很容易多喷些柴油与之配合，使它 在燃烧过程中放出更多的热能【2 6 】。由此可见充足的新鲜空气是燃油充分和完全燃 烧的必要条件，只有换气过程进行得比较完善，柴油机的动力性和经济性才能提 高；同时良好的换气过程还能降低受热零部件的热负荷，提高柴油机工作的可靠 性。 2 1 1 增压对进气系统设计的要求 增压发动机是将进入气缸的可燃混合气或新鲜空气通过增压器预先压缩，提 高进气密度，增加进气量，从而达到多烧燃油提高功率的目的【2 7 1 。这就要求对进 气系统做如下的改进： ( 1 ) 为了降低内燃机的热负荷和改善经济性，增压内燃机可适当加大过量空 气系数，如柴油机的机一般较小，增压后一般将其增大1 0 - - - 3 0 。这就需要在 不减小喷油量的前提下，对发动机的进气系统进行优化，合理设计进气系统的结 构，降低进气系统的阻力。 ( 2 ) 增压内燃机的进气歧管容积希望尽量大一些，以减少进气压力的脉动【2 8 】， 从而提高压气机的效率和改善发动机的性能。 ( 3 ) 由于增压压力的提高，对进气系统的工作强度和密封性提出了更高的要 求。采用自然吸气的进气歧管所承受的压力在0 7 m p 1 2 m p 之间波动，而增压 后的进气歧管所承受的压力超过2 m p 甚至更高，表2 1 给出了几款柴油机机型 进气歧管内的压力和温度。 第二章柴油机进气过程及对进气歧管的设计要求 表2 - 1 增压柴油机气管内压力与温度【2 9 】 转速 进气歧进气歧进气歧进气歧 机型 管内压管内温机型 转速 管内压管内温 ( r r a i n )( r r a i n ) 力( m p a ) 度( 。c ) 力( m p a ) 度( 。c ) 6 1 0 0 z3 0 0 00 2 0 01 2 41 2 p a 4 18 51 5 0 00 2 0 05 0 6 1 1 4 z2 2 0 0o 2 1 81 0 8 1 2 v 1 9 0 z 1 5 0 0o 1 8 0 5 3 1 6 v 1 3 5 1 5 0 00 2 6 26 3l6 p a 4 2 0 01 5 0 00 2 6 35 5 6 2 m 5 0 31 5 0 00 2 3 61 2 6m p 9 5 61 5 0 00 2 2 26 8 1 2 v l8 0 z c 1 5 0 00 1 4 85 0队1 2 v 9 5 61 5 7 50 2 5 05 0 l 1 2 v 1 8 01 9 0 00 2 4 87 0a g o v 2 4 01 7 5 00 2 9 84 9 ( 4 ) 内燃机上进行增压改造，还需要将增压器出1 ：3 空气进行冷却，一方面可 以进一步提高内燃机进气管内空气的密度，从而提高内燃机的功率输出；另一方 面可以降低内燃机压缩始点的温度和整个循环的平均温度，从而降低内燃机的排 气温度、热负荷和n o x 排放，为达到这一目的，一般利用中冷器，用循环冷却 水或冷却风扇气流对增压后的充量进行间接冷却。 表2 - 2 进气状态对增压柴油机性能的对照关系【刈 性能参数变化范围冷却状况 平均有效压力下降0 5 1 燃油消耗率上升0 5 1 涡轮增压器械转速略微上升无空冷器 高度不 略微下降有空冷器 变，温度 每升高 最高燃烧压力下降o 5 1 1 0 k 燃烧讨量窄气系数 下降0 5 1 涡轮进气温度上升2 0 k无空冷器 上升6 1 0 k有空冷器 热负荷 明显上升无空冷器 略微上升有空冷器 2 1 2 进气涡流对进气系统设计的要求 进气涡流的作用有下列三个方面：加快空气掺到油束中去的过程，从而加速 燃烧前的混合；在燃烧开始以后，产生一个离心的混合过程，这有助于把留在燃 烧室壁面上或其附近的燃油烧掉；对油束的穿透距离产生影响，在同样的喷射条 件下，涡流强时，使穿透距离减小，反之则使穿透距离加大。 1 4 第二章柴油机进气过程及对进气歧管的设计要求 轿车柴油机要求具有良好的扭矩特性和高的标定功率，且在标定转速下兼有 良好的然后经济型，涡流比应该选择为2 左右，对低速扭矩要求特别好的越野车 辆而言，涡流比应该选择高一些，虽然牺牲了一些高速时的充气性能和燃油消耗， 但是改善了低速扭矩。一般来说最佳涡流比与喷油器喷孔数及发动机转速是成正 比的，这种关系如图2 1 所示： 奄 丑 堰 褒 1 0 0 0i5 ( 2 0 0 02 5 0 03 0 0 03 5 0 04 0 0 0 发动机转速n ( r m i n 一) _ = 暴4 _ - - - _ - ：n - 5一：n - 6 图2 - 1 最佳涡流比与喷孔数及发动机转速的关系 为保证柴油机的燃烧尽可能完善，要求所研制的进气道具有与燃烧室和供油 系统相匹配的涡流强度和尽量低的流动阻力。但是涡流强度和流通系数是一对相 互矛盾的性能参数。依靠改进气系统结构参数来提高进气道的性能，客观上存在 一个界限。当一个进气系统结构经优化使其涡流强度和流通系数接近该界限时， 要进一步提高这两个性能参数的任何