汽车燃油系统

汽车燃油系统汽车燃油系统 1 燃油系统的各部分结构 近些年来 由于机动车安全立法 排放标准的要求日趋严格 同时 对于驾乘舒适性 客户也更加挑剔 汽车工程中所涉及的现代燃油系统已发展成为一种涉及多种学科的复杂 的结构单元 今天 除了向发动机提供燃料以外 燃油系统还具有降低噪音 油位控制 燃油辅助加热的功能 对于降低排放 燃油系统也成为其中不可或缺的一个重要方面 这 方面的例子如三元催化转换器的预热 车载诊断系统以及碳罐的再生 根据发动机的形式 汽油发动机或是柴油发动机 以及车辆的应用领域 燃油系统的设计 也有所区别 但是 组成燃油系统的基本零件包括 燃油泵 油箱 燃油管路 计量与控 制单元 图 1 对于各个系统来说都是必不可少的 图 1 CPV 碳罐排放阀 ACF 活性炭碳罐 燃油箱 目前 基于材料的物理特性与成本方面的考虑 市场上存在两种材料制成的燃油箱 金属 油箱或是塑料油箱 主要是高密度聚乙烯 塑料油箱的主要优点在于它的成型性能 图 2 吹塑成型是将塑料的管状熔体通过气体加压的方法制成特定的形状 通过这种技术 我 们可以将油箱制成适合于车体空间的任意形状 但是 汽油对塑料的渗透性又会使这种优 点大打折扣 为此 我们需要加上特别的防渗层 吹塑时塑料共挤的方法是其中之一 我 们还可以通过氟化的方法即将氟原子注入油箱壁中以形成阻隔层 此外 我们通过将油箱 的进出油管等零件预埋在模具中减少油箱的开口数量 从而达到减少排放的目的 而对于 传统的吹塑 我们只能通过燃油泵在油箱上的预留孔来安装这些零件 相比而言 金属油 箱则不存在这类问题 金属油箱一般由上下两个壳体拼接而成 在这类油箱上 我们只能 进行一些简单的装配 如装配一些已焊接好的组件 一般就燃油系统而言 驾驶人员在日 常行驶过程中只会接触到加油管 如果我们无法将加油口与油箱集成在一起 那么 就需 要用一根直径为 30 到 50 毫米的弹性软管连接油箱与加油口 这时 这根油管还能补偿油 箱与车体之间的装配工差 图 2 空气通风系统 油箱的空气通风是油箱的基本功能之一 当燃油系统的油位与环境温度改变时 这项功能 保证了系统内外的压力平衡 由于立法对燃油挥发的限制 燃油蒸汽严格禁止排放到大气 中 为此我们需要对加油与行驶时的不同情形区别对待 蒸汽回收系统的原理 当我们在向油箱加注燃油时 将燃油与空气的混合物通过加油的管 路排出 我们在燃油加注管的一旁并联一根排气管 它的一端置于油箱的最高处 另外一 端放置在加油口附近 这样 燃油油雾将由于加注时的负压被引回加油口 这种系统目前 在欧洲得到绝大多数国家的认可 在德国 所有加油站在 1998 年之前必须将它们的油泵更 换成如上的系统 而在北美 这类系统的要求是必须在车辆中安装车载油雾回收系统 因 此 所有销往北美的车辆 车上都装有活性炭滤清器 碳罐 来吸收燃油蒸汽 图 3 图 3 图 4 滤清器中的活性炭可以通过表面吸附来吸收碳氢化合物 这些碳氢化合物在新鲜空气的作 用下又会从活性炭上分离出来 我们通过连接在油箱上的碳罐与发动机舱中进气系统之间 的排放阀 CPV 图 4 来实现这种功能 当车辆在运行过程中 排放阀门定期打开 进气 系统产生负压 吸入新鲜空气 新鲜空气通过碳罐 将碳氢化合物带入发动机燃烧室中 不仅在加油的过程中 在正常行驶或是怠速状态 燃油蒸汽也会产生 因此 在其他国家 销售的车辆也需装有活性炭滤清器来满足环保的需要 由于燃油温度的变化或者燃油消耗 油箱需要与外界空气保持一种呼吸的状态以免油箱中的压力发生太大的变化 尽管在欧洲 加油站中装有法规规定的油雾回收系统 活性炭滤清器的作用不是那么至关重要 即便如 此 那些不受美国法规 车载油雾回收系统 限制的车辆 也都在排气管路中安装一只体 积较小的活性炭滤清器 滤清器的另一端与发动机的进气单元相连 所不同的是在美国碳 罐的安装位置接近油箱 而在欧洲 碳罐一般都装在发动机舱中 以上我们所谈到的活性炭滤清器主要用于汽油车辆 而对于柴油车辆 由于燃油的挥发性 较小 因此 它的系统一般都做成开放式管路 但不管是哪一种系统 都不允许车辆在倾 覆时发生燃油泄漏 发生此类意外情况时 安装在油箱或管路尽头中的倾覆截止阀便会起 作用 油箱的通风 燃油蒸汽的回收系统 与底盘下的管路一般全部采用带有快速接头的塑料管 路 而在发动机侧 其管路所涉及的材料品种却非常庞杂 它们包括织物增强或无增强的 橡胶管 可能是直管 也可能是波纹管 一般上其内径为 6 12mm 而加油的排气管为了 尽可能快地排出空气 则相对来说要粗一些 在欧洲 其直径为 10 16mm 而美国的标 准为 16 20mm 我们可以通过车载诊断系统来对油箱 燃油回收系统 以及加油管路进行气密性检测 这 类系统可以检测出 0 5 毫升的泄漏 由此可以减少排放的程度 电动燃油泵 恒定的燃油压力是现代喷射系统正常工作的先决条件 当发动机起动时 电动燃油泵可以 满足此类要求 电动燃油泵可以使系统的压力在流量为 50 到 200l h 时维持在 2 5 到 4 5 巴 之间的某一恒定值 对于直喷系统 电动燃油泵作为高压泵的初始压力来源 其压力可能 高达 8 0 巴 电动燃油泵 图 5 可以与油位传感器 燃油滤清器 燃油压力控制阀 吸油泵 燃油泵 预滤网 燃油挡板装配在一起组成一个整体后再装在油箱上 图 6 图 5 图 6 燃油供给与回油系统 燃油供给系统的主角是油箱内的电动燃油泵 燃油通过燃油管 滤清器总成 提供给发动 机上的油轨 油轨上的燃油压力调节阀将油轨中的压力调节到 4 0 巴左右 这个压力与车辆 的工况无关 图 7 图 7 多余的燃油通过压力调节阀经回油管路回到油箱内的燃油挡板中 燃油泵放置在燃油挡板 内 它可以保证车辆在突然加速或是其他极端条件如燃油基本耗尽或是车辆急转时 燃油 泵能够吸入充足的燃油 对于后轮驱动或是四轮驱动的车辆来说 燃油挡板的内外部管路 连接较为复杂 需要在设计时特别对待 在这些车辆中 由于车辆的后置驱动轴的缘故 油箱需要做成特别的马鞍形 这样 油泵另外一侧的燃油需要首先输送至油泵一侧的油箱 中 柴油商用车也会涉及到类似结构 但是柴油车中的电动燃油泵的压力更低 只有大约 0 15 巴 它的实际喷嘴压力是由发动机所驱动的机械泵所产生 对于商用车 这种机械泵 所产生的真空吸力足以保证系统的供油 所以 油箱中的燃油泵变得无足轻重 商用车与 乘用车的另外一个区别是燃油滤清器的位置 乘用车的汽油滤清器一般设置在油箱附近 而商用车的柴油滤清器却被设置在发动机舱中 在寒冷的天气中 柴油易于析出石蜡晶体 这些结晶会堵塞滤清器 而发动机所产生的热量会对柴油进行加热从而降低堵塞的程度 在有些车辆中 我们也采取如下的设计来避免滤清器堵塞 将柴油回油管接入滤清器 利 用回油来提高燃油的整体温度 然而 对于柴油直喷系统 发动机的回油会带来一些问题 这种回油的油温较高 如果未 经 冷却直接流回油箱 会带来安全以及油箱材料老化等一系列问题 在这种情况下 就必 须在回油油路中使用油冷器 部分回油系统 在装有供给与返回燃油系统的汽油车辆中 汽油在发动机舱中被持续地加热 由此引起汽 油箱温度升高 一般来说 平均每小时燃油泵向油轨输送 100 升的燃料 而其中仅有 10 升 左右被消耗 其他的 90 升燃油在发动机舱中被加热后重新输送回油箱 会引起大量的汽油 蒸发 而这又与目前的法规背道而驰 这样 部分回油系统便应运而生 在该系统中 燃油 并非任何时刻都完全经过油轨与调压阀流回油箱 只是在刚开始点火时 燃油充满油轨的 那一小段时间才是如此 我们可以在车身下安装一个两位三通的电磁阀以及调压阀来实现 该功能 图 8 这个电磁阀可以在两种回路之间进行切换 在刚点火时 燃油进入油轨达 到额定的压力 然后 电磁阀将多余的燃油直接流回油箱 只有正常工作所需要的那部分 燃油才流进油轨 无回油管路系统 虽然上述系统有效地避免了燃油过热 但是其复杂的设计仍然使成本居高不下 从油轨回 流图 8 的管路实际上工作时间很短 因此 汽车管路设计目前的趋势是无回油管路 这该系统中 我们将燃油压力调节阀安装在油箱附近 而大多数情况下 我们还可以将压力调节器与滤 清器集成在一起 图 9 图 9 最近的开发方向是最终将回油管路彻底取消 其方法是将压力调节阀与油箱中的燃油泵连 在一起 在这种设计中 燃油挡板中的燃油补充来自输油管路中少量的旁路燃油或是来自 内部的回油 我们在此所讲述的供油与回油管路均安装在油箱上或是车辆底部 它们与油泵及油箱相连 由一系列组合在一起的塑料或金属油管 一般直径在 6 12mm 通过一系列的方式连接在 一起 燃油管路的材料取决于它们的安装位置 环境温度 系统条件 压力 压力波动 油温 振动 安装便捷性 车辆等级 所在国的法律法规 以及车辆制造商对安全质量环 境的理念 发动机舱 安装在车辆底部与油箱相连的燃油供给系统由于车辆的等级的差异而在设计上的区别非常 明显 同样 发动机舱中的布局也是千差万别 这主要取决于发动机的布局以及车底的管 路 特别是对于横置式发动机 油轨与车底的管路的连接需要以单一的材料进行简单的布 局 由于法律的规定 复杂的管路布局需要在发动机舱中占用很大的空间 设计中需要特 别考虑碰撞以及防火的要求 这在很大程度上影响了管路的设计 除此以外 由于发动机隔音封闭的要求 三元催化转换器 涡轮增压器的位置与发动机更 近 直喷发动机系统中更高的燃油温度 所有这些因素 都对燃油供给系统的材料 布局 以及连接提出了更高要求 汽油发动机 目前 那种由单个喷嘴向所有缸体供油的单点电喷系统已被多点电喷系统或直接喷射系统 所取代 多点电喷系统是由油轨上与各缸体对应的喷嘴向各自的燃烧室供油 图 10 而 直接喷射系统则是将燃油直接喷射到燃烧室中 图 10图 11 燃油供给及回油管路的一段与油轨相连 另外一端与车底的管路相接 这些管路具有一定 的挠性 足以抵偿车辆发生事故时发动机的移位 直喷系统与无回油系统仅有一根管路与 喷油泵相连 大多数公司选择胶管作为发动机舱中的燃油管 这主要由于胶管优异的耐温 耐火 耐冲击性能以及其良好的弹性 有一些公司基于成本考虑 现在已经开发了一些带 有耐温阻燃涂层的塑料管 但是由于塑料管的弹性欠佳 其管路布局设计比胶管要复杂得 多 另外 由于塑料管无法用卡夹与接头连接 其安装方式也需重新设计 柴油发动机 由于柴油的渗透性相对较小 其管路材料的选择范围要广得多 另外由于其管路压力较低 接头的方式也多种多样 然而 由于柴油滤清器需布置在发动机舱中 输油管首先与滤清 器连接 再由滤清器引出至喷油泵 图 11 这使得管路的整体布置比汽油管路复杂得多 发动机舱中的高温以及喷油泵中回油的热量保证了柴油车辆在冬季可靠地运行 在这种情 况下 回流的柴油通过滤清器上的温度阀进入滤清器中 有时为保证柴油不在滤清器中凝 结 我们还可以在滤清器中集成一个电加热器 此时 回油管路便直接接入输油管 柴油 乘用车的发动机舱中的燃油管路主要由胶管或是塑料管构成 为了保证管路正确连接避免 泄漏 在管路接头上需做有特殊标记或是采取特别设计 2 法律法规 燃油蒸汽的挥发有以下几种途径 管路的接头与连接处的蒸汽泄漏 以及管壁处的渗漏 由于聚合物的分子结构与金属不同 这使得燃油易于从其管壁中挥发出来 形成渗漏 图 12 据统计 1990 年在欧洲 这种渗漏占到所有烃类物质排放的 36 这使得渗漏成为各国立 法的众矢之的 根据美国的 密闭空间的排放测定 试验 欧盟制订了 70 220 EEC 根 据附录 4 每试验循环的蒸发物排放不得高于 2 克 附录 4 还依次规定了具体试验循环次 序 这里的 2 克 是指车辆整体所释放的碳氢化合物的总和 根据车型的不同 燃油系 统占所所释放的碳氢化合物综合的 50 以上 图 12图 15 3 燃油 燃油提供汽车前进的动力 燃油是从原油中提炼出来的一系列化学材料的总称 图 15 其主要成分是碳氢化合物 也被称为烃类燃料 在发动机中烃类与空气中的氧气发生反应 形成热稳定性更高的 CO2 与水 同时释放出能量 汽油 火花点火式发动机所消耗的燃料主要是由分子中碳原子数量介于 4 12 之间的烃类物质构 成 图 16 而每一种燃料其中的组成成分的比例差别很大 但是汽油具有以下的共性 无色透明 易挥发 具有特殊气味 易燃易爆 由于其成分的差异 其特征也不太明显 但是我们可以以一定的 波段 将它们区分开来 图 16 其中我们最为熟悉的就是以辛烷值 RON 来表示的爆震指数 这种分类所表示的是汽油在发 动机中可控的燃烧能力 我们将正庚烷的指数规定为 0 而将异辛烷的指数规定为 100 而 在实际中这种指数依靠添加剂来调节 以往 我们用有机醇酸铅来调节爆震指数 而目前 所使用添加剂的毒性要小得多 但他们共同目的是使得燃烧过程更加稳定并尽量避免早期 燃烧 添加剂的目的不仅仅是增加燃油的抗爆震能力 同时还可以改善汽油的其它特性 这些添 加剂包括 燃烧促进剂 抗氧化剂 抗蚀剂 金属钝化剂等 在很多情况下 这些添加剂并不是纯粹的烃类物质 它们还包含有许多种的杂环原子 一 般是氮 氧 以及卤素原子 虽然这些添加剂的成分仅占燃油体积的 1 左右 但是这些物 质会与燃油管路发生远较烃类激烈的反应 从 1970 年以来 原油的价格一路飞涨 替代能源已经吸引了公众越来越多的目光 这其中 主要是醇类物质 特别是甲醇乙醇 同时也包括异丙醇与异丁醇 柴油 与汽油发动机不同 柴油发动机需要燃料具有较低的易燃性 柴油通常是由原油中碳原子 数 10 到 18 的烃类物质构成 由于其分子量较大 粘度也较高 并且挥发性较低 对于我 们来说 柴油的两个特性是较为重要的 首先是它的燃烧特性 十六烷值 其次 倾点是 反映柴油在冬季工作特性的重要指标 3 燃油管路 燃油油管按其组成结构可以分为 阻隔层 增强层 外覆层 不同的功能可以由单独的材 料实现 也可以通过不同的材料的组合实现 金属硬管的作用是在两个接头之间实现相对 刚性的连接 而胶管的连接较为柔性 减震性能与装配公差补偿的能力也较硬管明显 对 于温度要求不高的场合 胶管也有一定的成本优势 金属管主要应用在温度较高的场所 同时它的机械性能及耐化学腐蚀性能也较高 对于以 上这些情况 在设计中需要分别对待 车辆底部油管的设计要求取决于正常的行驶条件 发动机舱由于发动机的散热 其温度常常会超过室温 直喷柴油发动机的回油温度与喷射 压力成正比 其回油管路须承受较高的热应力 而在输油管路中 交变应力是我们需要考 虑的主要因素 其材料需承受脉冲压力与持续振动 从燃油管路的作用中我们不难得出对其化学性能的要求 首先 管路必须能够抵抗燃油的 侵蚀 必须在车辆的寿命周期内经受各种环境条件的考验 另一方面 燃油不会被管路材 料所污染 这里我们需要指出的是 磨损或产品残留物与化学过程产生的污染有着明显的 不同 例如 燃油中的氨基甲酸酯与燃油泵中的铜发生反应产生氨基甲酸铜便是一种化学 反应 这种反应会导致燃油泵失效 在讨论燃油管路的耐化学性能时 我们有必要引入这样的两个词汇 惰性与劣化 后者会 导致管路材料的膨胀 分解 燃油渗透 有关这一点我们可以从材料的空间结构与其极性 上做出解释 同性相溶 是材料之间相互反应的原则 例如 极性材料 氢键 溶于极性的溶剂中 非极性材料溶于非极性溶剂中 反之 这就是说极性材料对非极性溶剂的耐蚀能力较高 在有机分子中 氢键是主要的极性来源 这是由于其他原子相对氢原子来说有较强的电子 亲和力 管路的耐渗透性能取决于材料分子的空间结构 燃油分子越大 管路材料的分子量越高 燃油渗透的可能性就越低 图 17 图 17图 18 选择管路材料时需要考虑这两种物质的相互反应 一般来说 燃油是非极性物质 而其管 路则是由极性大分子物质构成以减少膨胀降低渗透 燃油管路的膨胀是由于管路材料中的 烃类物质溶解所致 这会导致尺寸上的变化并降低机械性能 而这又直接损害了接头的气 密性 影响了管路的总体尺寸布置 燃油胶管一般由橡胶材料构成 橡胶与热塑性聚合物的区别在于其分子链中包含了很多化 学交联的结构 硫化是形成交联的主要手段 图 18 交联结构使得橡胶拥有一致均匀的 弹性 这类物质被称为非结晶或是无定形物质 4 橡胶燃油管 一般上来说 橡胶燃油管由以下三层组成 内层 增强层 外覆层 图 19 在某些场合 这三层材料其中的某一种可以省略或是重复出现 图 20 列出了几种最为重要的燃油胶管材 料 内层 燃油胶管中内层最为常用的材料是丁碃橡胶 NBR 这种橡胶的极性的大小可以通过调节 胶料中的丙烯氰与丁二烯的比例来获得 由于柴油的分子量较高 中等极性 38 ACN 的 丁碃橡胶对于普通柴油具有足够的耐蚀能力 而对于汽油来说 含有 40 CAN 的极性更大 的丁碃胶才适合 而在乙醇汽油中 我们需要使用含有 45 的丙烯氰胶料 这种方法的着 眼点在于减少烃类物质的挥发但同时却增加了醇类物质的逃逸 所以丁碃橡胶在高醇汽油 中便显得有些力不从心 同样的情况也会发生在 RME 或是含硫油品的场合 这些酸性物质 会与丁二烯中的双键反应破坏其分子结构 图 21 图 19 图 20 图 21 氢化丁碃橡胶 HNBR 是丁碃橡胶中的双键被氢原子饱和交联所得的产物 由双键所产生 的耐蚀性与低温性能不佳等缺点也被一一克服 但是这种材料不能改善丁碃橡胶的耐渗透 的性能 而且这种材料的性价比不是很好 氯醇橡胶 ECO 一般上是一种氯醇的均聚物与氧化乙烯的共聚物的混合体 其极性主要 来之氯化甲醇 与丁碃橡胶相比 由于其结构的饱和性 它的优点主要在于抗氧化性能 除此以外 这种胶料的耐酸能力较差 同样也不适合在 RME 中使用 在汽油中它的耐膨胀 性能也不比丁碃橡胶更出色 在元素周期表中 氟是化学电负性最强的元素 与碳元素相比 其与氢原子形成的共价键 的键能要强得多 键长也相对较短 因此氟素聚合物的化学性能非常优异 其密度与极性 也较高 这使得它们成为理想的胶管内层材料 氟胶是极性最强的胶种 氟原子与碳原子形成的键能也是所有键中最高的 其胶料具有最 好的耐化学性能 最高的密度与极性 它是燃油胶管最好的衬里材料 FPM 一般上指的是 偏氟乙烯与四氟乙烯的共聚物 有时会添加一部分的全氟丙烯 其中的氟含量决定了橡胶 的耐油性 通常其氟含量为 66 到 71 而胶管的氟含量一般为 70 到 71 对于耐油性 与抗渗透能力来说 热塑性材料明显地优于橡胶材料 但是其硬度与脆性却限制了它们的 使用 因此 只有那些相对较软具有弹性的塑料材料才适用于燃油软管 然而这些材料一 般上来说都是低结晶的材料 这就意味着它们的抗渗透性能较弱 图 22 图 22 热塑性氟塑料 THV 由此在市场上占据了一席之地 在多层材料的胶管中 虽然其厚度 仅有 0 2mm 但是由该种材料构成的胶管 无论是耐渗透能力或是耐化学品的腐蚀能力均 胜过其他的胶管 并且由于它的厚度较小 这种胶管的经济性也相对较好 波纹状金属阻隔层的出现在很大程度上改变了原有的观念 图 23 波纹金属管可以满足 管路弯曲的要求 由于波纹管在承受压力时会自动身长并且壁厚较小 因此其抗振动的性 能不佳 必须将其包裹在橡胶材料中使用 而且需要增强层来保持稳定 同时它也无法与 普通的接头连接 而只能以焊接的方式与管路的其它部分结合在一起 这种结构可以 100 地防止渗透的发生 图 23 增强层 为了承受诸如管路内部的压力 拉伸力 弯曲扭转等机械应力 同时也为了获得更好的冲 击性能 根据使用条件的不同 我们对胶管采用了不同的增强手段 这同时也取决于制造 工艺及其材料之间的相容性 编织材料诸如棉 人造丝 涤纶 黏胶纤维 芳纶等是主要 的增强材料 为了提高层与层之间的结合力 编织层需通过浸渍的方法进行化学处理 增 强编织的工艺有如下几种 辫状编织 螺旋编织 针织 图 24 图 24 对于辫状编织 最重要的参数是编织角 它决定了线束在橡胶中的网络结构 图 25 对 于相同的线长 编织角为中性角 54 度 44 分时 其所包裹的体积最大 若角度不符 在管 内有压力的情况下 胶管会产生倾向该角度的偏位 利用编织管的这个特性 我们可以有 目的地同时增加其接头的插拔力 同样还可以利用这种特性部分抵消压力对管路的冲击 图 25 当编织层采用螺旋编织时 线束并没有像辫状编织那样互相交织在一起 而是单股以 螺旋形缠绕在胶管上 前面所讲过的中性角的原则在此同样适用 但是这种编制方法由于 线束没有相互交织 其耐压比辫状编织要低得多 而针织增强的胶管由于线束的使用量更少 其使用压力最低 但是由于其较高的弹性 使 得加工较为方便 因此可以用于尺寸较大的复杂零件的成型 外覆层 为了保护内部的增强层 胶管一般都加有外覆层 这类橡胶层能抵抗外界的不同的物理化 学侵蚀 特别是抵抗燃油侵蚀 耐磨 耐冲击 且具有阻燃能力 其中最为重要的是其耐 温特性 必须根据其汽车发动机与油箱之间的具体情况来选择材料 表 1 列出了一些典型 材料的使用温度 橡胶种类持续使用温度 摄氏度 氯丁橡胶 CR 90 氯磺化聚乙烯 CSM 110 氯化聚乙烯 CM 115 氯醇橡胶 ECO 125 醋酸乙烯橡胶 EVM 150 乙烯丙烯酸酯 AEM 150 氟胶 FPM 200 表 1 成本是我们选择材料时所需考虑的另一个重要方面 一般说来 温度要求越苛刻 成本也 越高 中间层 对于由氟胶衬里的燃油管 其中间层的主要作用是降低成本 这样内层就不必全部由昂贵 的氟胶来构成 而对于热塑性材料作为内层的管路 我们就可以将热塑性材料层做得尽可 能地薄 这样一来 胶管的弹性便会有所增加而又不致对性能有所削弱 而在某些场合 中间层仅仅起着连接衬里与外覆层的作用 这种情况下 原则上所有衬里与外覆的橡胶种 类均可作为中间层 但需注意的是 当热塑性材料非常薄时橡胶必须耐油 胶管结构 原则上 不管是由几层材料组成 胶管必须满足所有的性能要求 以下是几种最重要的结 构类型 图 26 图 26 不含织物的燃油胶管 图 27 顾名思义 这种胶管不含有任何织物增强的成分 这类产品适用于低压燃油或其蒸汽管路 如加油管 可以由两层或以上的层数构成 这主要是由于橡胶材料不能同时满足耐油与 耐候的要求 设计时必须考虑在管路内层加上阻隔层以防止燃油渗透 外层编织的燃油胶管 图 28 图 27 图 28 这类胶管的内层与前一类胶管完全相同 外层织物的主要作用是在受压时维持原有的尺寸 稳定性以及较好的碰撞性能 目前此类胶管主要应用在真空及排气管路中 带有 NBR 衬里 的标准燃油管路直到 1980 年左右才被取代 由于它的耐温耐臭氧耐磨性能不佳 同时与其 他材料的兼容性相对较差 目前绝大多数车辆制造商已不再将其作为燃油管来使用 3 到 4 层材料的复合管 图 29 3 层材料的复合燃油管是在织物外再包覆一层材料 这种胶管取代了外层为编织材料的燃 油关 结构 NBR CMD CR 到了 1990 年 四层材料复合的燃油管便开始崭露头角 图 30 当下 这类燃油管已经成为汽车燃油系统的标准配置 这种油管的材料包括 阻隔层 氟胶或是热塑性氟塑料 中间层 氯醇橡胶或是丁碃橡胶 低温适用 AEM 乙烯丙烯酸酯 高温适用 编制增强层 芳纶 Aramide 外层 胶管的制造 无论是橡胶或是塑料管 我们都要涉及挤出这样一个工艺 我们需要通过一根供料螺杆将 原料在受压状态下从圆型的挤出模具中挤出 为了保证尺寸公差 橡胶材料一般被挤在以 橡胶或塑料制作的管芯上 我们也可以向管内输入压缩空气 但这样会增加尺寸公差 胶管典型的加工工艺如下 内层及中间层挤出 增强织物缠绕 图 31 外层挤出 硫化 取出管芯 这其中每一过程可以根据产品的不同进行单独生产 在这之间 织物缠绕工序决定了胶管 的生产速度 硫化过程是吸热反应 其反应温度一般在 150 180 度之间 一般上我们在烘箱中以热空气 对产品进行硫化 也可以用高压釜以过热蒸汽作为媒介来硫化 后者由于在压力下硫化 产品硫化的热传输较为均匀 各层之间的结合也较稳定 预成型胶管在汽车中的应用非常广泛 借助于一些金属的工装 未经硫化的胶管在外力的 作用下被固定在夹具上后进入硫化工序 由于管子的形状千差万别 这个过程很难实现自 动化 图 32 图 31 图 32 5 塑料燃油管 燃油系统中大量使用的是塑料燃油管 其尺寸见表 2 塑料燃油油管由于其成本低廉 在 某些场合下其性能也较好 因此获得设计人员的垂青 本章前面所提到的一些原则也适用 于塑料油管 在各类塑料油管中 最为简单的是按照 DIN 73378 由 PA11 及 PA12 所制造的 单一材料的油管 材料中的数字所表示的是极性酰胺分子中的碳原子的数目 其数字越小 耐油性耐温性能越好 由于化学物质的耐蚀性能较差 ZnCl2 成本较低的 PA6 或是聚酯 最初并没有得到重视 管路尺寸 mm 应用场合 5X1 5辅助加热管路 6X1回油管 维护保养用油管 8X1输油管 回油管 燃油蒸汽 管 10X1燃油蒸汽管 12X1燃油蒸汽蒸发管 15X1 5燃油通风管 18X1 5燃油通风管 22X1 5燃油通风管 对蒸发排放物不断严格的立法以及降低成本的需求使得我们开发出具有单独功能的多层材 料的复合塑料管 其生产工艺与胶管的生产类似 由于各层之间没有粘结力 因此需要加 上特别的粘结层 在这类燃油管中 PA6 毫无悬念地充当了增强层 而最外层常常由 PA12 构成 此外还有阻隔层 这一类物质通常是 PVDF 偏氟乙烯 EVAL 乙烯醇 他们通常 位于各层之间 同时它们还改善了整个管路的低温脆性 因此 整个管路的层数取决于粘 结层的数量 是它们保证了各层之间的有效粘结 图 33 图 34 由于渗透性能以及其他功能要求 图 34 35 目前这些多层燃油管仅在具体场合运用上 有所差别 图 35 与胶管不同 塑料燃油油管的生产工艺并不因管子的结构而异 首先多层塑料管通过共挤 出的工艺制得 所有塑料材料层通过一个多层挤出头挤出 图 36 然后通过一个真空装 置对直径进行定型 最后经过水冷并切割成定长或被卷绕起来 多层共挤出技术所需的材 料是它们的熔点与粘度非常接近 第二阶段的工作是将这些管子调整成具有不同几何空间 尺寸形状 我们将在下面讲述这些内容 图 36 所有这些工艺方法的共同点均是将塑料管加热后在模具中冷却定型 这就是说塑料材料首 先被加热从而发生塑性变形 然后被定形成我们需要的形状 这只是当材料有足够塑性时 才可能做到 在蒸汽弯曲的工艺过程中 塑料管首先被放入弯曲模具中 图 37 向管内通以蒸气后浸 入冷水中 若果使用热空气加热 则热空气是从外部对管子进行加热 这里我们同样需要 用到管子的弯曲模具 其他弯曲的方法与之类似 仅是加热方式有所不同 此类油管一般 用于车辆底部 这些管子一般长度较长 图 38 而弯头的数量又较少 由于此类加工的 成本较高 因此 柔性的波纹管越来越得到广泛地应用 这类管子的成本较低且安装方便 图 39 金属油管 汽车中所使用的金属油管主要材料是钢管或铝管 根据其具体应用场合或材料自身特性 表面处理并非是不可或缺的手段 在选择材料时 我们主要考虑以下各个方面 耐外界腐 蚀性能 抵抗内部燃油的腐蚀性能 机械强度 电化学性能 表面处理方式 安装位置 环境温度 加工处理特性等 对于发动机舱中的燃油管 其外观也会成为考虑的重要方面 图 40 综合表示了汽车燃油系统金属管所涉及的材料 结构 特性的概况 图 37 图 38 图 39 燃油管的公称直径一般介于 8 到 12 毫米之间 其壁厚一般为 0 7 到 1 2 毫米 下面举两个例子来着重说明如何正确选择燃油管的类型 纵向焊接的管子一般只用于一些特定的场合 由于纵向的焊缝 其头部接口处极有可能发 生失效 因此其成型有特殊的要求 在生物柴油的管路中 对铝材的质量要求特别严格 在此 起决定作用的因素是使用场合 某一特定类型的材料可能在某一位置特别合适 而在另外的地方却有可能带来很大的麻烦 总的来说 我们在将一根金属管加工成一根可以在车辆上安装的燃油管时 对于其材料与 处理方法等方面必须小心从事 除了运送燃油并保证其密封之外 燃油管还必须集成其他功能诸如 支撑 连接 甚至需 要对某些直喷的柴油发动机的回油管进行散热 一般说来 我们必须用各种预涂层的材料 通过多种成型工艺获得我们需要的空间几何形状的管路 必须想方设法避免一些工艺要求 较高的工序如钎焊 焊接 机加工 后续表面处理 管材在切割后 考虑后到所有工序的余量 紧接着加工接头头部的形状 最后再进行弯曲 等工序 最常用的工序 图 41 是镦头和制筋 预涂层材料的涂层必须具有足够的延伸性 能和优异的附着力 才可以在这些工序中安然无恙 在一些较高变形量的场合或是特别的 表面要求 我们也可以同时使用制筋与滚压的复合成型方法 滚压的工艺过程是使用一组 工具在管子的外部旋转同时由外至内进行挤压 这种工艺主要用于对管子的接头部分进行 加工 管子的其他加工工艺还包括径向锻造 液压静力成型 这些工艺主要用来加工与胶 管的接头 当需要获得更加复杂的接头如螺纹或是三通 T 型接头 时 我们不可避免地 要涉及到机加工 焊接等工艺过程 如果机加工的对象不是不锈钢 加工完毕后我们需要 对工件进行表面处理 由于安装空间的日益减少 我们需要对管子进行复杂的弯曲以迎合这种需要 制造厂必须 使用先进的技术以保证 4 米长的管子具有非常小的公差 根据不同的要求 人工弯曲的夹 具或是数控弯管设备都能在此找到用武之地 在长管的弯曲中我们常常会遇到如下问题 在数台数控弯管机加工后我们发现弯曲常常会超出要求 为了避免此类问题的发生 需要 适当降低弯曲的速度 我们可以从两端同时开始弯曲的工序 图 42 就显示了这样的一台设 备 弯曲好的管子常常会加上一些其它附件 完整地组件通过螺栓固定在车体上 固定附件可 能是通过钎焊 铆接等方式与管子连接在一起 其他一些附件如散热器护罩也是必不可少 的 图 41 图 42 燃油系统的接头 如前所述 燃油系统是由很多零件组合而成 在系统中 不同零件的连结点称为接头 接 头位置的布局很大程度上取决于管件在装配或维护时他们是否需要装接或是拆卸 据此 接头分为两类 可拆卸或不可拆卸的接头 但是这些接头有一个共同的特性 都是使用一 些零件的组合被动地防止泄漏 由于接头均要承受持续的压力 所有材料特别是热塑性材 料和橡胶材料 在压力的作用下会发生蠕变 而且这种作用会因为热应力而加快 于是 接头处的防漏特性会由于这种作用而逐渐劣化 一个很明显的例子就是金属管与胶管的连 接接头 在这里 胶管扮演了密封的角色 而管夹则起着固定的作用 胶料的变形会带来 泄漏的问题 这类问题可以通过降低所用材料的蠕变来解决 原则上 有两类泄漏 微观的 气体泄漏 与宏观的 液体泄漏 气体泄漏包括燃油蒸汽 渗漏 即气体分子通过固体材料扩散 由于燃油的液体形式以及其高浓度 宏观意义上的 泄漏会给乘员带来直接的伤害 对于燃油管路尤其是一些特殊的接头 针对碰撞安全性能 老化 耐温性能 管路结构以及材料的应用将不断需要进行发展与优化 可拆卸接头 燃油管路的零件装配与更换需要我们在设计中用到可拆卸式接头 塑料管与胶管的连接处 总是有塑料管发生脱开的可能 一般来说 如果没有其他技术原因限制的话 我们可以用 一个弹簧卡箍解决此类问题 见图 43 与其他刚性管夹相比 弹簧卡箍对管子的力要小 得多 它可以有效防止橡胶从塑料接头上滑脱 同时也可以补偿材料的蠕变从而降低泄漏 的可能性 但是另一方面 卡箍却可能降低接头之间的最大拉脱力 图 43 目前 如何使装配快捷安全已成为一种趋势 因此快速接头便应运而生 图 44 其原理 是采用一组 O 型圈在直管上进行密封而另外用一个自锁的接头保证装配的牢固 在美国标 准 SAE2044 中对经常用到的快速接头基本特征包括密封尺寸与拉拔力有着详细的描述 与 胶管及塑料管连接的快速接头的材料有钢制的和塑料的两种 图 45 46 而对于塑料管 的连接方式又分为以下两种 利用倒扣使管子自锁 或是利用螺扣将管子固定在接头上 而最近 得益于直喷系统应用趋势以及柴油系统较高的油路温度需求 以焊接作为连接的 方式正悄然兴起 综合来说 目前管路的快速接头有以下几类区别 尺寸的不同 几何角 度的差异 材料的区别 应用场合 虽然胶管的连接方式最为简单 但是将来我们有可能会将其与快速接头组合在一起形成一 个组件进行应用 这主要得益于制造过程可靠性的提高 另外 我们可以将其制造过程集 成化从而达到简化装配的目的 这将会大大地提高主机厂的工作效率 图 44 图 45 46 不可拆卸的接头 不可拆卸的接头一般是由上游供应商在其制造车间内进行装配 而非在车厂内进行 在这 其中最为人所熟悉的就是将管套与胶管在押管机上压合在一起 这种工艺就是先将胶管与 接头套在一起 然后在压管机上采用特制的夹具将他们径向变形使之结合在一起的方式 对于此类技术 管套的设计可能会对接头的寿命带来很大的影响 同时压缩量也要控制得 恰到好处 以免蠕变带来泄漏的风险 图 47 因此一般上我们会采用带有双条凸筋的接 头同时对管套进行两次压合以保证其可靠地密封 这样做我们就将液压管路所产生的冲击 及其振动对管路密封处的影响降到最低 图 47 另外一类不可拆卸的接头就是塑料管与其压入式接头 倒齿形状 的连接 图 48 胀大 后的塑料管壁对接头产生径向的包紧力保证了此类接头的密封 图 48 而对于塑料油管与橡胶软管的不可拆卸的接头 在设计中很难做到首尾兼顾 由于塑料油 管的强度因素使得压入式接头的应用受到很大限制 在这里 我们越来越多地采用上述两 种设计的综合方式 即在金属管的一端以倒齿的方式与塑料管连接 而在另外一端以压紧 的方式与胶管连接 图 49 图 49 为了有效地降低成本 减少排放 降低泄漏的风险 在油箱通风系统中我们越来越多地采 用新型双组分注塑成型的不可拆卸接头 图 50 表示了一个可以直接接入塑料油管的双组分 注塑接头 以往 为了保证油管接头与油箱可靠地焊接在一起 接头材料一般采用的是不 含任何织物增强的高密度聚乙烯 但是 这类材料在高温下的蠕变倾向非常明显 这就有 可能产生泄漏或是增加有机物排放 在采用双组分注塑成型时 外壳我们可以采用玻纤增 强的尼龙材料 而对于与油箱焊接的管路部分 我们依然可以采用容易焊接的 HDPE 这样 一来 我们在保持接头焊接性能的同时 又可以满足较长的耐候要求 其它连接技术 与上述所讲的接头形式有所区别的是一些其它的接头技术 例如 我们在将金属管连接起 来的时候 我们可能会用到带螺纹球形接头 或是空心螺栓 也可能是锥形的螺纹接头 图 51 52 或是如图 53 的那种直接锥形接头连接两根铝制油管的形式 这类接头的抗 蠕变的性能十分优异 密封性能也特别突出 尽管在安装时需要对扭矩进行精确控制 但 是由于它具有以上这些特点 对于一些高压场合如共轨系统的管路 喷油泵 燃料电池中 应用还是较多 6 性能测试 燃油系统中的每一个零件根据它们所在位置与功能差异 其需求也千差万别 这一点无论 从设计方面或是制造过程我们都可以明显地将他们分辨出来 这些需求可能包括以下方面 负载状态 寿命范围内 温度 压力 振动情况 中等载荷 耐蚀性能 密封性能 耐渗透性能 装配的便捷性 耐碰撞性能 流阻及声学特性 负载状态 这个试验主要用来模拟车辆的加速老化过程 这些试验都是从法律法规或是客户要求中汇 总而来的 从成本上来考虑 研发工程师需要制定最大或最少要求以确定产品的屈服点以 避免过度开支 典型的试验项目包括温度交变 内部的脉冲试验 受激振荡 为此 我们 需要将燃油管路的整个系统放入温度交变的实验箱以模拟外界温度的变化 例如发动