發動機塑料進氣歧管發展現狀及趨勢

梁樹生，李 標

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

進氣歧管作為發動機的關鍵部件，其主要作用是引導空氣流向，在氣缸中對可燃混合氣進行合理分配，使得可燃混合氣體在氣缸中實現充分燃燒。而最早采用塑料化的發動機部件就是進氣歧管，進氣歧管的塑料化研究已成為當今的研究熱點[1-4]。與金屬進氣歧管相比，塑料進氣歧管主要包含以下方面的特點。首先，塑料進氣歧管的質量通常比鋁合金的輕0.6倍；其次，塑料進氣歧管由于內壁表面相對金屬進氣歧管的要光滑很多，且沒有砂眼等表面缺陷，因此，氣流運動阻力要比鋁合金的小，有利于可燃混合氣的流動，從而更好地提高發動機的動力性，使得發動機具有更好的經濟性，而且排放也得到明顯改善；最后，由于塑料進氣歧管的制造過程不會出現鋁合金材料制造過程中出現的裂紋、夾渣、氣孔等問題，且成型后合格率高，工序少，生產效率高，因此，制造成本具有顯著的降低。

塑料進氣歧管作為發動機關鍵性部件，是當前塑料化進程的重要組成部分。發動機進氣歧管要求工作于-40 ℃～150 ℃的大溫差環境，且要求能抗腐蝕、老化、振動、沖擊以及長久使用性，另外材料本身應比重小和變形容易。鋁合金雖然能達到上述要求，但本身比重、壁厚及通氣性能，都需要大幅度提升。而塑料化剛好可以彌補鋁合金材料的缺陷，因此，成為發動機塑料化減重的首要對象。

本文主要從塑料進氣歧管材料以及塑料進氣歧管成型工藝的發展現狀及趨勢進行綜述，指出進氣歧管綜合性能的提高需大力發展新型材料和加工方法。

1 塑料進氣歧管材料現狀及趨勢

歐洲汽車公司（Porsche）于1972年率先在Porsche 911運動型車上使用汽車發動機塑料進氣歧管，隨后美國、日本、韓國相繼研制成功塑料進氣歧管，推動了塑料進氣歧管的快速發展[5]。

1.1 材料應用現狀

當前大部分發動機進氣歧管的塑化材料為玻璃纖維（Glass Fiber, GF）與尼龍（Polyamide, PA）的融合體。PA抗磨、抗腐蝕、抗沖擊、抗油和抗高溫性能優良，具有良好的延展性、自潤滑性、易加工性，且生產成本低，成品易著色，無毒。其中，PA66和PA6是塑化進氣歧管中最常用的復合樹脂材料[4]。PA66進氣歧管的焊接性能以及爆破強度雖然都比PA6的要弱一些，但其抗高溫性好，加入GF之后，不僅具有較好的力學性能、自潤滑性、磨性、 耐化學藥品性、氣體阻隔性和耐油性，而且還具有無毒、易著色等優點，同時能在130 ℃的條件下長時間穩定運行，且可抵抗一定時間的150 ℃高溫條件。

但PA材料要在極其干燥的環境下才能保持其優越的性能，該缺點可通過化學和物理改性得到克服[6]。此外，通過使用GF改性后的PA，使其拉伸強度和模量分別提升了1.2和2倍左右，沖擊強度提升0.4個點，抗高溫性直接增加到150 ℃[7]。目前，使用GF改性后的PA（PA+30%GF），廣泛運用于自主品牌吉利、長城、合資品牌上汽通用五菱凱捷、新辰、五菱宏光等進氣歧管上。

此外，德國BMW公司的BMW735i和745i新系列轎車的進氣歧管采用了新材料Vyncolit X7250。Vyncolit X7250是玻纖和玻璃微珠增強的酚醛樹脂，能夠在140 ℃下仍具有高剛性，而且制品平均壁厚僅3 mm。俄羅斯最大的汽車生產廠Avtovaz公司在3個Lada發動機（SoHV 1.5、SoHV 1.6和DoriC 1.6）上采用塑料進氣歧管，其材料為美國Dow公司的35%玻纖增強間規聚苯乙烯（sPS）和PA共混物Qustra N。Qustra N不僅能夠保持尼龍良好的加工性和表面外觀，而且sPS能夠降低材料的吸濕性、提高尺寸穩定性和抗翹曲性[8,9]。

近年，德國福呂登伯格公司采用iostmetal方法塑化制造BMC塑料進氣歧管。BMC塑料進氣歧管內壁光滑度高，混合氣體流通性優越，相比金屬歧管，功率提升了1.15倍，質量減輕了1 kg。CMI和通用電氣公司聯合研發的由醚類塑料（Phenylenesulfide, PPS）和PA等材料生產的塑料進氣歧管，不僅內壁光滑，質量輕，且耐久性好，低熱導率，空氣燃燒比度高，因此，發動機的效率得到了進一步的提升[10,11]。

1.2 材料發展趨勢

PA材料抗高溫、腐蝕、老化和沖擊，質量輕，內壁光滑，易加工，生產成本低。這些鋁合金等金屬材料無法比擬的優點，使得PA材料到目前為止仍然是最佳選擇。但是，PA材料在非干燥環境下容易出現形變，隨之其強度也會大幅度下降，從而嚴重影響了PA材料的性能。另外在乙二醇的環境中，其耐腐蝕性也會大大降低，此種情況下，需要加入專用配方才能加以抵抗。

因此，如何進一步提高PA材料在塑料進氣歧管使用過程中的綜合性能，提高塑料進氣歧管材料抗吸水性能的同時，并保證其原有的高強度性能，是當前塑料進氣歧管發展中仍需要解決的一個難題。此外，由于進氣歧管塑料的收縮率相比鋁合金材料較高，如何更好地降低其收縮率并維持原材料的特性，也是當前需要研究的課題。除了在當前的PA材料基礎上繼續研究采用不同材料與PA材料的復合技術外，隨著當前其他新型復合材料的不斷涌現和高速發展，尋找其他能夠替代PA材料且在各方面綜合性能都較優的新型復合材料也成為發動機進氣歧管塑料化進程中的一大發展趨勢。

2 塑料進氣歧管成型工藝現狀及趨勢

2.1 成型工藝現狀

熔芯法、熱板焊和振動摩擦焊是目前發動機塑料進氣歧管成型工藝工程中最為常用的三種制造方法。其中多片振動摩擦焊接方法是當前使用最為普遍的加工工藝手段[2,12]。

熔芯注塑成型工藝是早期應用最廣泛的塑料進氣歧管加工手段，是一種一次成型的加工方法，具有氣密性好，氣體流動性通暢，產品生產成型率高。且由于加工過程中，消除了塑化過程中的殘余應力，因此，機械特性良好。但其需要投資大量的生產設備，且加工過程需要耗費大量的電力成本，這嚴重限制了熔芯注塑工藝技術的發展。

熱板焊通過對待焊接的加熱部件進行融化，并施加平行相向的壓力，從而實現部件的粘合。雖然這種熱板焊技術不受部件形狀的約束，增加了進氣歧管的設計空間，但是該技術的成型工藝過程需要消耗很長的時間，也需要耗費大量的電量，且焊接處的耐腐蝕性也較差，而且夾具生產不容易，這極大地限制了熱板焊技術的應用。

振動摩擦焊通過對沿相向運動的待加工部件施加一定的振動頻率，兩個加工部件由于摩擦生熱被融化，且振動停止后即可實現兩個部件的焊接。振動摩擦焊對生產設備要求低，加工效率高，能夠將結構復雜的進氣歧管進行拆分簡化，并可進行多片化成型。振動摩擦焊的上述優點使其在當前的發動機進氣歧管的制造中得到了廣泛的應用。

2.2 成型工藝發展趨勢

熱板焊由于設備投資大，加工過程成本高，目前已普遍被振動摩擦焊代替。然而振動摩擦焊在進氣歧管成型加工過程中，零件加工質量容易受焊縫焊接質量影響，而焊縫質量的好壞又與工具加持壓力、振幅和焊縫融化寬度有關[13]。兩個焊接零件之間的相對壓力的增加容易引起熔融層厚度的降低，從而降低焊縫的強度和質量。另外，如何保證焊接過程中的最佳焊縫融化寬度對保證焊縫強度也有關鍵影響。

振動摩擦焊的焊接質量的提高，有耐于零件的加工尺寸精度，而尺寸精度的提高勢必帶來生產時間和成本的增加。激光焊[8,14]是一種快速精確的焊接技術，比振動焊接法成型條件溫和，具有生產周期短、靈活性強、受熱面積小等優點，而且可以生產結構和形狀更復雜的進氣歧管，可以焊接異性曲面，甚至能焊接制品的極微小部分，殘余應力小，且可最大程度地保持焊接強度，甚至接近原始加工零件的強度。此外，激光焊接進氣歧管制品表面沒有焊珠，比較平滑，空氣流過時不會產生渦流。因此，許多廠家投入相當大精力開發適用于進氣歧管的激光焊接牌號。

超聲波焊接是將高頻機械波傳遞到被焊件的連接界面處，溫度升高引起焊件加熱熔化的一種焊接技術，具有焊接時間短、強度高、穩定性好等優點[15-17]。激光焊、超聲波焊接由于其生產自動化程度高，焊接的焊縫質量好，焊縫表面光滑，在未來的發展中，具有巨大的發展潛力和良好的發展前景。

3 結論

發動機進氣歧管從全金屬、部分塑料到全塑料的進程中逐漸發展，其塑料化的發展不僅依賴于新材料的研發，也需要更為先進的加工方式的進步和革新。本文研究了塑料進氣歧管材料及其成型工藝的發展現狀和趨勢，期望在進氣歧管生產領域，推動發動機進氣歧管塑料制品及其加工技術的創新和創造。