doi:10.16648/jki.1005-2917.2022.6.004
商用车发动机进气管塑料化的应用研究
郭冷，张运东，刘诚，郑远宝，金通，宋萱仪，雷柏龄
东风商用车技术中心，武汉 430056
关键词：发动机进气管；塑料轻量化
Application Research on Plasticization of Intake Pipe of Commercial Vehicle Engine
GUO Leng, ZHANG Yun-dong, LIU Cheng, ZHENG Yuan-bao, JIN Tong,
SONG Xuan-yi, LEI Bo-ling
Dongfeng Commercial Vehicle Technology Cente, WuHan 430056, China
Abstract: The intake plastic pipe developed by glass-fiber reinforced polypropylene material and advanced blow molding process replaces some metal pipes and rubber pipes of the intake pipe of commercial vehicle engines. The application research shows that the intake plastic pipe fully meets the technical requirements of the product and achieves lightweight, reliability and low cost.
Key Words: Engine Intake Pipe；Plastic Lightweight
1 发动机进气管技术现状
为节省发动机舱内空间，商用车发动机进气管路的布置多为三维空间结构；受材料及管材成型技术的限制，目前国内外商用汽车供气管路多采用“胶管＋不锈钢管＋胶管”的分段组合连接形式。其中，金属硬管段可保证长距离气体传输过程中管路的耐温、抗压及三维结构的稳定，而软管部分则有利于降低管路的震动噪声、管路密封及装配便利性。但该结构管路存在重量大、连接可靠性差、振动噪声大及成本偏高等技术劣势。随着油耗限值法规的不断升级及“双碳”战略要求，进气系统管件用材及工艺也需要技术升级, 以满足整车轻量化的要求。统计显示，整车零部件质量每减轻1%，可降低油耗1%；而运动零部件的质量每减轻1%，能降低油耗2%[1]。发动机周边零部件重量的降低能更有效的提高燃油效率；因此，用塑料零部件代替金属和橡胶管路成为降
低发动机进气系统重量的有效措施。
2 进气系统管路塑料化开发
汽车进气系统管路由空气导入管、空气滤清器进气管、涡轮增压器进气管、中冷器进气管、发动机进气管等组成。其结构见下图1。
本文以发动机周边的空滤至涡轮增压器进气管（对应图1中的5，6，7 ）为研究对象进行轻量化设计开发。
商用汽车2.1 目标零件工况分析
以某商用车进气系统管路合件，包括增压器进气胶管、联接管、空气滤清器后进气胶管为研究对象，其工作温度在-40℃～＋130℃范围、输送工作压力-12KPa、受卡箍箍紧力及车辆行驶震动。
2.2 轻量化方案设计及材料选型
结合商用车发动机管路特点，通过尺寸优化及材料替代实现整体轻量化设计，即中间联接钢管采用塑料替代并加长尺寸，减小两端连接EPDM 橡胶管尺寸。根据2.1工况分析，中间联接钢管可选用玻纤增强聚丙烯、热塑性橡胶TPV/TPE、柔性尼龙6合金（PA/PE）、玻纤增强尼龙6等材料进行替代。由于玻纤增强聚丙烯材料耐热性好、具备良好的力学性能（高强度、高刚度），成型加工性能好，模塑收缩率低，制造成本低；综合考虑经济性及轻量化效果，选择玻纤增强PP材料进行替代。
新设计方案及对比如下表1：
图1 汽车进气管路系统示意图表1 进气系统管路合件轻量化设计方案
1.后进气道
2.波纹管-进气引入管
3.空压机进气胶管
4.空滤排尘胶管
5.空滤出口进气胶管
6.联接管
7.增压器进口进气胶管 8.增压器进口进气塑胶 9.中冷器进气管 10.中冷器进气胶
11.中冷器出气胶管 12.中冷器出气管 13.出气胶管
经过大量材料试验和国内外材料的比对，选择牌号PP-GF20，该材料的主要性能参数如表2所示。
2.3 产品开发
2.3.1 零件结构及工艺设计
由于增压器进气口及空气滤清器出口的进气胶管材料没有发生变化，仍采用原有模压硫化成型工艺。中间联接管选用吹塑级PP-GF20材料，采用先进的模内吹塑成型工艺，该工艺挤出管坯直径小于模腔直径，适用于管径变化小的三维走向管件，具有无飞边、省料，成型零件外观质量好、可靠性高等优点。
对中间联接管是否适合吹塑成型、与原钢管的性能比较、管体壁厚对产品性能影响、进气管路合件尺寸优化等进行模拟分析。通过模拟分析及优化，确定新设计零件尺寸图。原方案及新方案（中间联接管黄采用玻纤增强PP材料替代并加长尺寸，减小两端连接EPDM橡胶管尺寸进行整
体轻量化产品设计）对比见下图2、图3：表2 材料性能检测结果
图2 进气管路合件原设计图
图3 进气管路合件新设计图
2.3.2 零件试制
根据新方案产品图纸设计和开发了模具，模具加工后进行了试模。联接管模内吹塑成型的主要工艺参数如下：
a. 材料：牌号PP-GF20。
b. 成型设备：ST-3D吹塑机，苏州双瑞机械制造有限公司（图4）；SJ80B挤出吹塑机，张家港市同大机械有限公司（图5）。
图4 ST-3D吹塑机
图5 SJ80B吹塑机
c. 材料干燥条件：干燥的温度80℃，干燥的时间2h。
d. 粒料熔融温度：205℃。
e. 口模直径：120mm。
f. 吹涨比：1.0-1.02， 范围：1.0-3.5。
g. 长径比：24:1。
h. 坯料拉伸速度：20cm/s。
i. 压力设定：注射压力55～70MPa，锁模压力500MPa，吹风压力0.3MPa。
j. 挤出机功率：功率22～30KW。
k. 成型时间：单吹气63±8s，单放气8±3s，成型吹气75±8s，开模7±2s，总计：95±10s。
备注：因管径不同成型时间略有不同。在注塑时，使用模温机先加热模具，以保证产品表面质量。
经过多轮成型试验，试制零件见下图6：
图6 新方案进气系统管路合件
2.3.3 零件试验
首先对产品的外观、尺寸、耐热、冷热循环、低温、冲击强度、静压试验、振动试验、卡
箍拧紧力、管口受力变形等进行检测，试验结果见下表3。
室内试验完成后，对产品进行7500公里适应性搭载路试考核，未出现不良反馈。试验结果表明，开发的进气系统管路负压吸瘪能力强，具有优异的耐热老化性，耐介质性能，在较宽温域内承受振动和内部脉冲压力时，可以保持整体的牢固度及密封性，满足产品可靠性技术要求。产品由7.3kg减重至4.4kg，达到预期轻量化效果，降重40%，同时降低成本30%。
2.4 其他零件扩展应用研究
采用中间联接管同样的技术路线，开发过程仍然包括材料选型、材料性能检验、零件结构设
计、零件工艺设计、模具开发、零件试制等，成
功开发出空滤后进气管、中冷器出气管等产品，均获得降重55%以上、成本降低20%以上的有益效果，见图7、图8：
图7 空滤后进气管
表3 进气系统管路合件室内试验结果
图8 中冷器出气管
3 总结
玻纤增强PP可适用于三维模内吹塑工艺，其
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