doi:10.16648/jki.1005-2917.2022.3.031
发动机舱隔音垫烧灼问题对策研究
段小草，樊友嗣，邓德贵
神龙汽车有限公司，武汉 430010
摘 要：某车型的发动机罩隔音垫在使用后出现灼烧现象，特别是其位于发动机舱区域，在售后市场引起了抱怨，对客户的心理影响非常大，严重损坏了公司的品牌形象。基于对发动机舱隔音垫的固定、性能、材料、实验等方面的分析，结合实验室验证及实际路试验证，提出相应的整改措施，并将改进措施列入产品的设计要求及常规监控，对后续车型的开发及应用提供了宝贵的经验。
关键词：发动机舱隔音垫；阻燃性；耐热；刚性；热辐射
Research on the Countermeasures for Burning of Sound Insulation Pads in Engine Room
DUAN Xiao-cao, FAN You-si, DENG De-gui
Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Company Ltd, Wuhan 430056, China
Abstract: The sound insulation pad of the hood of a certain model burned after use, especially in the engine compartment area, which caused complaints in the aftermarket, which had a great psychological impact on customers and seriously damaged the company’s brand image. Based on the analysis of the fixation, performance, materials, experiments and other aspects of the engine compartment sound insulation pad, combined with laboratory verification and actual road test verification, the corresponding rectification measures are proposed, and the improvement measures are included in the product design requirements and routine monitoring. The development and application of subsequent models provided valuable experience.
Key Words: Engine Compartment Soundproofing Pad; Flame Retardancy; Heat Resistance; Rigidity;
Heat Radiation
1 引言
随着人们生活水平的不断提高，人们对汽车舒适性的要求也越来越高。其中，噪声和振动是评价汽车NVH性能的重要指标。为提升汽车的NVH性能，目前主流车型均安装了发动机罩盖隔音垫，它既能起到对发动机舱隔音隔热的功能，又能很好的提升发动机舱的感知质量。
目前，发动机舱隔音垫主要采用轻质PU或者
玻纤棉毡两种材质。由于新能源车的快速发展，以及政府对碳中和的迫切要求，轻质PU逐渐开始取代传统的玻纤棉毡。但是，由于发动机舱环境恶劣，以及轻质PU本身的特性，高温烘烤后容易产生变形，从而导致发动机其它部件安全间隙降低，进而导致热辐射因素对产品质量的影响加大。因此，提升轻质PU和无纺布的耐热性能，解决高温后产品变形和灼烧问题，对满足使用需求显得尤为重要。
2 隔音垫的设计原理
2.1 材料选择
玻纤毡是一种由玻璃纤维混纺的方式而产生的多孔材料，能起到优良的隔热和吸音性能，同时还具有产品阻燃和化学稳定性好的特点。玻璃纤维毡是通过粘接剂同玻纤棉均匀混合，通过模压成型的方式生产出毡状材料。玻璃纤维毡中所使用的粘接剂是直接决定产品性能的重要因素，它将直接影响到产品的撕裂强度、吸音性和憎水性能等。酚醛树脂是玻璃纤维毡广泛应用的粘接剂，具备粘接性能高、阻燃性好、生产稳定等综合特性。
轻质聚氨酯泡沫的生产一般分为一步法和二步法，常用的密度均在15kg/m3-18kg/m3。一步法在生产应该中更为广泛，它主要是各种原料按照一定比例进行混合，通过容器搅拌而生成泡沫材料。该工艺的优点是原料组份粘度低、且生产周期短、反应发热比较集中。轻质聚氨酯泡沫主要由聚酯型/聚醚型多元醇以及其它材料按照一定比例混合组成。
近年来，伴随着油价不断提高，以及节能减排需求的不断提升。同时，考虑高玻璃纤材质在生产过程中会人员皮肤产生刺激性。因此，通过轻质PU取代传统的玻纤毡是行业发展趋势。具体产品结构对比，如图1。
2.2 阻燃机理
一般常用的阻燃机理主要有两种，其一是采用气相阻燃机理、其二是采用凝聚相阻燃机理。
气相阻燃主要通过阻燃剂和热解产物来抑制聚合物材料的热氧化反应，进而减少聚合物材质外观面热量，实现阻燃作用。凝聚相阻燃是通过在冷凝相表面形成绝缘层来防止燃烧区域聚合物之间的氧气来实现的。
2.2.1.无纺布阻燃机理
燃烧关键过程一般可以分解成三个阶段。首先，聚合物受到高温影响开始氧化，分解出少量可燃性气体；然后，随着可燃气体持续性增加，导致火焰被引燃；最后，由于可燃气体不断的增加，并伴随着大量热量的释放。因此，需要通过破坏燃烧的环节，停止聚合物的燃烧。具体阻燃的方法有：气相阻燃、凝聚相阻燃、中断热交换阻燃。
非织造布中使用的聚丙烯纤维因其非极性而具有较高的疏水性，因此难以用浸轧的后整理方法对其进
行阻燃处理，因此目前关于无纺布的阻燃研究较少。为解决这个问题，可以对PP无纺布进行预处理，提高其表面亲水性能，然后再用阻燃剂对其进行浸渍处理。
玻纤毡 轻质PU 图1 产品分子结构对比
2.2.2.轻质PU阻燃机理
氧指数OI表示材料样品在N2O2混合气体中维持持续燃烧所需的最小氧体积分数。.氧指数越小，实践燃烧所需的氧浓度越低，材料越易燃。.相反，氧指数越高，持续燃烧所需的氧浓度越高，材料越不易燃。通过参数研究发现，纯轻质PU的氧指数为18.8%，属于易燃类材料。随着阻燃剂DPPO用量的持续增加，氧指数OI提高显著。当用量达到4%时，已经具有明显阻燃效果。
..（1）通过对阻燃剂的阻燃机理研究发现，含有阻
燃剂的PU泡沫引燃后，阻燃剂受热分解后会生成正磷酸脱水后的氧化层，可以有效阻碍燃烧反应，可以有效抑制高温燃烧过程中的化学反应。
2.3 常用阻燃剂
汽车隔音2.3.1.氢氧化铝阻燃方案
氢氧化铝阻燃剂具有阻燃和防烟性能，价格低廉，稳定性好。但是，它如果要达到良好的阻燃效果，需要达到一定的填充量，而填充量过大后，又会导致材料的力学性能下降。目前，可以采用两种解决方案使产品性能达到最优。其一时通过多组分复配协同效应，其二是通过表面亲水
OI =O 2
N 2+O 2
×100%
[ ][ ]
[ ]图2 阻燃剂机理示意图
处理进行产品改性。表面亲水处理主要是通过改善产品表面的物理和化学性质来提升产品阻燃效果。
2.3.2.卤系阻燃方案
卤素类阻燃剂在燃烧过程中主要通过热分解释放出卤化氢，并通过卤化氢降解火焰中的H、O 等高能自由基，从而延缓和停止燃烧反应。燃烧产生的卤化氢是一种比空气密度更大的腐蚀性难熔气体，能有效地覆盖材料表面，并用于稀释空气中的氧气。
2.3.3.钼系阻阻燃方案
钼类阻燃剂可同时应用于多种高分子材料上，具有优良的阻燃性和抑烟效果。同时，钼能促进产品表面产生大量焦炭，促进产品结构的改变，起到延缓产品进一步燃烧的作用。2.4 实验方法
2.4.1.极限氧检测（LOI）
LOI可以体现出维持样品燃烧的难度，该实验基于GB/T.5454-199标准进行检测，采用的片材尺寸是80
×150mm 2。将片材放置在氧、氮混合而成的气体中，计算出维持样品燃烧所需要的最小氧气含量。
2.4.2.垂直阻燃
本实验采用立式阻燃试验机，片材尺寸为80×300mm 2，依据GB/T.5454-1997标准。把片材固定在U型夹具上，点火器布置于片材的下方，对片材实施点火，记录片材持续燃烧时间、熔滴状态和损坏长度，每组实验需要重复进行三次，统计实验的平均值。
2.4.
3.锥形量热
本实验可以获取片材在燃烧中的多组数据，用于分析燃烧行为。该实验基于ISO.5660标准进行测试，片材采用10×10cm 2，锥形量热仪辐射功率为50KW/m 2。
2.4.4.热失重分析（TGA）
本实验可以分析样品质量与温度之间的关系。测试采用TA的热重分析（Q-50）。环境温度:20℃~.800℃，升温速率:10℃/min。实验环境为氮气。
2.4.5.力学性能测试
本实验采用电子万能拉力机进行实验，基于GB/T.3932.1-2013进行，对阻燃实验前后的片材进行力学性能测试，片材尺寸为30×300mm 2。拉伸速度为100mm/min，检具设计间距为200mm。
3 T项目发动机舱隔音垫烧灼原因分析
3.1 T项目的开发背景
T项目是一个基于中国市场需求开发的车型，需要匹配全新的涡轮增压发动机，由于前期并未识别出发动机温度曲线对机罩隔音垫阻燃性方面的影响，导致车型投放后出现非常严重的售后抱怨，如果不能快速解决该问题，这逼到导致售后维修费用的增加同时也会影响到企业的品牌形象，如图3所示。
图3 机罩隔音垫高温烧灼
3.2 无纺布阻燃因素
丙纶无纺布是有方向或杂乱的聚丙烯纤维网制作的布状材料，由于生产成本低、来源广泛、且易于加工、以及无污染等优点被广泛应用于汽车领域。但是由于PP无纺布本身非常容易燃烧，非常容易引发火灾。因此在很多具体应用领域都会对其进
行阻燃方面的改性，从而提升产品的安全性。3.3 耐高温性能因素
设计过程中，发动机罩隔音垫区域按照最高温度为130℃进行材料热辐射性能选择，但根据DPCA实际路试检测，发现新研发的EP8发动机表面最高温度达到153℃，严重超出了产品原设定目标。为进一步在实验环境中复现产品失效，在环境箱中在150℃环境下模拟96小时的高温老化。同时，增加180℃连续4小时的极限老化实验。发现产品面料因为热辐射发生脆化产品失效的缺陷。3.4 阻燃性因素
根据D45.1333进行产品对比性实验，分别准备好轻质P U 和玻纤毡两种材质样件，按照356mm×100mm进行取样，将其一端固定在支架上，自然端朝下放置。将装好的样件支架放入到燃烧箱中，调节燃气灯以便火焰高度为38mm。关闭喷嘴的进气口，在实验开始前，火焰应至少燃烧1分钟直至稳定。启动第2个秒表记录产品燃烧熄灭的时间和燃烧的距离，用于评价阻燃性效果。通过对比发现产品两种材质的产品均能达到A 类自熄要求。
4 消除机罩隔音垫灼烧的对策
4.1 无纺布阻燃优化
调整阻燃剂浸渍处理工艺，通过氯化石蜡CP42对无纺布进行表面处理，通过提高溶液浓度，无纺布处理后极限氧指数、增重率和垂直燃烧结果均有提升。对于处理前后的产品样品发现其LOI值由更改前的18.2%提升到了28.7%。同时，
从垂直燃烧测试数据发现，更改前的无纺布不能
表1 各种织物的燃烧性能
达到快速自熄功能，并且在燃烧期间粗在明显的熔滴现象。而更改后的产品，片材续燃时间明显缩短，可以在极短时间快速自熄。如图4所示，a为未处理丙纶无纺布，b为经过30%的CP42处理丙纶无纺布，c为经过30%的CP60处理丙纶无纺布。
图4 垂直燃烧照片
4.2 力学性能优化
调整无纺布材料密度，提高无纺布断裂强度以及断裂生产率指标，对调整后的无纺布力学性能进行测
试，发现无纺布的拉伸强度由42.1N提升至75.5N，断裂生产率由49.11%提升至63,58%，材料的物理性能有了显著的提高。
4.3 锥形量热优化
通过优化无妨布的材料构成，提高材质的锥形量测性能指标。处理后的材质PHRR值由491.89kw.M2降低至340KW.M2，降幅达到了31%。对实验结果进行定量分析，无纺布贯穿燃烧过程，CP42能够起到很好的减少热量释放的功能，降低无妨布高温灼烧的可能性。
4.4 无纺布表面隔热优化
通过对发动机舱热辐射最大的区域增加铝箔，用于降低机罩隔音垫相关区域表面温度。金属铝箔的导热性较小，且价格低廉易于加工，使其成为抗热辐射的首选材料。铝箔本身的强度和刚度很低，但通过在轻质PU或玻纤毡进行覆合成型，提高铝箔的强度可以达到最佳隔热的效果，避免局部区域因为温度过高，导致机罩隔音垫烧灼的问题。通过竞品对标，发现市场上大多数车型均采用类型的隔热方案。
5 结论及展望
综上所述，造成发动机舱隔音垫灼烧的原因主要是机舱内的实际温度与设计温度不一致导致的。而造
成这个问题的原因有很多，如设计时机舱的布置是发动机的功率与原始定义的相比过大，或者发动机舱的布置不合理，但具体表现在零件上，是表现为发动机隔音垫的材料，其设计的耐高温性不能满足实际的耐高温性。而提高发动机舱隔音垫的耐温性，需要从一下2个方面入手。
（1）机舱隔音垫材料的选择，可以研究选择耐温性更好的材料，减少灼烧缺陷的出现。
（2）可以采用物理性能，将发动机辐射到隔音垫上的能量反射回去，以达到降低隔音垫表面温度，减少缺陷的效果。
参考文献
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[4]朱沛英.翼子板隔音垫研究.上海汽车，2021.06．
[5]李林.基于CAE的发动机舱罩结构分析及优化. .汽车科技，2013.03．
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