日本无码免费高清在线|成人日本在线观看高清|A级片免费视频操逼欧美|全裸美女搞黄色大片网站|免费成人a片视频|久久无码福利成人激情久久|国产视频一二国产在线v|av女主播在线观看|五月激情影音先锋|亚洲一区天堂av

  • 手機站
  • 小程序

    汽車測試網(wǎng)

  • 公眾號

    • 汽車測試網(wǎng)

    • 在線課堂

    • 電車測試

未來發(fā)動機耐高溫高壓中冷器軟管的開發(fā)

2021-10-09 19:37:57·  來源：汽車與新動力  
　
本文發(fā)表于《汽車與新動力》雜志2021年第3期作者：[日]R.KODAMA等整理：孫丹紅編輯：虞展目前，中冷器軟管由氟橡膠(FKM)和硅橡膠(VMQ)制成，具有高熱阻和高耐久
本文發(fā)表于《汽車與新動力》雜志2021年第3期
 
作者：[日]R.KODAMA等
整理：孫丹紅
編輯：虞展
目前，中冷器軟管由氟橡膠(FKM)和硅橡膠(VMQ)制成，具有高熱阻和高耐久性的特點。未來中冷器軟管將在更加嚴苛的環(huán)境(高溫高壓)中使用，使用當前材料存在耐久性風險。FKM力學性能的改善工作側重于關注導致其性能不足的內(nèi)部FKM交聯(lián)點的低耐久性問題。目前，交聯(lián)法具有很強的耐酸性，且無法改性。在保留現(xiàn)有網(wǎng)絡耐酸水平的情況下，研究添加1個新型特殊的交聯(lián)網(wǎng)絡。采用炭黑凝膠作為該新型網(wǎng)絡的增強劑，調整聚合物類型和混合比例，從而獲得目標值。同時，開發(fā)出1種新型的FKM，并采用該新型材料制成軟管樣件。試驗樣件通過了臺架試驗驗證。結果顯示，F(xiàn)KM的力學性能無法支持其在高溫環(huán)境下工作。在高溫下，F(xiàn)KM 內(nèi)層的材料屬性無法滿足未來發(fā)動機的高溫高壓環(huán)境要求。通過改善材料在高溫下的力學性能，同時保持材料的耐高溫性和成形性，最終通過采用炭黑凝膠強化網(wǎng)絡實現(xiàn)了開發(fā)目標。

0 前言
為了同時獲得高成本性能和高耐久性能，現(xiàn)代重型商用車廣泛采用配備了中冷器的渦輪增壓柴油機。這些柴油機是人員和貨物運輸工具的必要動力，具有熱效率高、CO2排放低的優(yōu)點。較高的壓縮比、發(fā)動機小型化和降速被認為是柴油機獲得更高熱效率的有效方式。要滿足這些要求，必須改善將最終的高溫高壓氣體傳輸至中冷器的中冷器軟管的性能。在現(xiàn)代重型商用車中，竄氣和高溫壓縮空氣都要流經(jīng)中冷器軟管。中冷器軟管為疊層結構，具有優(yōu)良熱阻和化學性能的氟橡膠(FKM)內(nèi)層和優(yōu)良熱阻性能的高熱阻芳綸纖維硅橡膠(VMQ)外層。圖1為中冷器軟管的橫截面結構圖。
圖1 中冷器軟管的橫截面結構圖
 
1 當前零部件在高溫高壓工況下的評價
 
1.1 軟管臺架的試驗裝置

圖2為軟管臺架的試驗裝置圖。試驗采用未來發(fā)動機的環(huán)境條件，即向軟管內(nèi)施加更高的溫度和壓力，在所有方向上采用當前水平的振幅。為消除局部應力集中，評價材料本身的性能，試驗采用幾乎無集中應力的直波紋管形軟管。因為使用閉式通風器(竄氣還原裝置)會導致恰好位于渦輪增壓器前的含酸竄氣還原，中冷器軟管還必須具有耐酸性和耐油性。在未來發(fā)動機更加嚴苛的高溫高壓工況下，為避免酸性物質穿透FKM 內(nèi)層，從而損壞不具耐酸性的VMQ外層，研究人員添加了1個能夠在加壓條件下噴射不同濃度酸性物質的噴霧裝置。
 
圖2 軟管臺架試驗裝置圖
1.2 當前材料在未來發(fā)動機工況下中冷器軟管的試驗結果
 
圖3為零部件在高溫高壓工況下經(jīng)過軟管臺架測試后的外觀情況。VMQ外層與初始狀態(tài)無差別，但在FKM內(nèi)層的波紋管處出現(xiàn)了裂紋。
 
圖3 高溫高壓工況下中冷器軟管臺架試驗結果
1.3 FKM裂紋形成原因評估
 
圖4總結了FKM內(nèi)層裂紋的形成原因。在較高的溫度和壓力條件下，軟管臺架試驗表明，材料機械強度的缺失會導致裂紋的產(chǎn)生。在針對未來發(fā)動機條件下的軟管臺架試驗裝置上，且在相應的試驗中僅增大壓力或振動，裂紋在FKM內(nèi)層上形成(圖3)。簡而言之，當環(huán)境溫度升高至未來發(fā)動機水平，壓力增大會導致軟管膨脹及振動，并導致軟管上下運動，它們共同作用導致了裂紋的形成。在高溫環(huán)境下，F(xiàn)KM內(nèi)層承受了極端應變，且超出了斷裂閾值的延伸率。為了確定高溫環(huán)境下FKM延伸系數(shù)的惡化程度，研究人員對FKM和VMQ進行了高溫抗拉延伸率試驗。
 
 
圖4 裂紋形成機理評估
 
2 橡膠材料性能測試
 
研究人員采用表1中所列的測試方法測量了材料的力學性能并研究了環(huán)境的影響。由于要求新開發(fā)的材料具有與當前材料相同的環(huán)境寬容性，研究人員通過以下幾個方面進行了評價：(1)熱老化性能(指定時間段內(nèi)的未來發(fā)動機溫度條件)；(2)耐油性(基于JISK6258測試方法，采用IRM903標準，指定時間段內(nèi)的溫度為150 ℃)；(3)燃料耐油性(基于JISK6258測試方法，采用燃料C，指定時間段內(nèi)的溫度為90 ℃)；(4)耐酸性(在指定時間段內(nèi)，浸入指定濃度的硫酸、鹽酸、硝酸、醋酸和甲酸等溶液中后，在60 ℃下進行3個干燥循環(huán))；(5)VQM外層附著性能；(6)抗彎曲疲勞性。研究人員為評價在受硫化粘合影響的FKM和VMQ試件，進行了拉伸試驗(頻率25 mm/s)，并比較出現(xiàn)裂紋的循環(huán)數(shù)。
表1 橡膠試件的試驗條件
 
 
 
3 材料開發(fā)
 
3.1 目標值隱含的理念
 
圖5為FKM內(nèi)層和VMQ外層在室溫和未來發(fā)動機環(huán)境溫度下的延伸系數(shù)比較結果。對于VMQ外層，當溫度由室溫升高至未來發(fā)動機環(huán)境溫度時，其延伸系數(shù)下降50%。而FKM內(nèi)層的延伸系數(shù)下降25%。通常認為，延伸系數(shù)低于100%時，橡膠材料就已達到其壽命極限。盡管在當前溫度下，F(xiàn)KM內(nèi)層不成問題，但其在未來溫度下的延伸系數(shù)會低于100%。
 
圖5 每種溫度范圍內(nèi)VMQ和FKM橡膠延伸率之間的關系
 
與之相反，甚至在施加壓力和激勵的軟管臺架試驗中，研究人員也未在VMQ外層上發(fā)現(xiàn)裂紋。因此，研究人員將FKM 內(nèi)層在未來發(fā)動機溫度下的延伸系數(shù)目標值設置成與VMQ外層相同的水平。
3.2 材料開發(fā)方法
 
由于FKM聚合物具有高熱阻，因此其延伸系數(shù)在高溫下的下降主要歸因于交聯(lián)點的低熱阻特性?；谶@個前提，材料開發(fā)主要側重于交聯(lián)結構。當前，F(xiàn)KM的交聯(lián)結構是通過過氧化物交聯(lián)形成的。多元醇交聯(lián)具有比過氧化物交聯(lián)更高的熱阻。如圖6所示，其中的CaO、Ca(OH)2和MgO化合物等酸性中和劑會通過甲酸和醋酸等有機酸觸發(fā)脫氟化氫反應，從而實現(xiàn)對FKM 聚合物的降解。在保持當前耐酸性的同時，研究人員需要在不替代當前過氧化物交聯(lián)的情況下實現(xiàn)材料性能的改善。
 
 
圖6 對氟橡膠的化學侵蝕機理
 
圖7為新開發(fā)材料的結構示意圖。為了強化在高溫下的力學性能，研究人員添加了由炭黑凝膠增強劑制成用于加強FKM交聯(lián)點的新型網(wǎng)絡。研究人員準備了4種具有不同炭黑粒徑比的FKM樣本，炭黑的粒徑分別是9.9 nm(樣本A)、4.4 nm(樣本B)、1.5 nm(樣本C)和1.0 nm(樣本D)。為了驗證因炭黑導致的物理性能改善情況，研究人員在25 ℃和160 ℃下對4種樣本的物理性能進行了比較。
 
 
圖7 新開發(fā)橡膠的結構示意圖
 
如圖8所示，關于延伸系數(shù)和拉伸強度特性的研究結果表明，通過改變炭黑類型，可以實現(xiàn)力學性能的改善。炭黑粒徑越小，性能的改善幅度越大。出現(xiàn)這種結果的原因是炭黑表面積增大，導致產(chǎn)生更多的凝膠，從而使網(wǎng)絡得到強化。
 
圖8 不同炭黑含量的FKM 橡膠力學性能之間的關系
3.3 具有強化高溫延伸系數(shù)的FKM 材料的開發(fā)
 
減小炭黑粒徑是強化FKM材料所采用的主要方法。FKM強化的具體情況見表2。研究人員針對每圖8不同炭黑含量的FKM橡膠力學性能之間的關系種開發(fā)材料制備了軟管樣件，并在軟管臺架上對其進行了測試，以驗證改進幅度。由于實際零件即使在局部應力下也需要熱阻，因此研究人員在評價中采用當前軟管形狀，從而確保能夠直接采用新型FKM材料。
表2 各階段和方法的改進點
 
由于階段1的力學性能惡化是不可避免的，因此研究人員通過采用相對于當前材料具有更高初始延伸系數(shù)的聚合物及對炭黑混合物實施改性，達到改善高溫下延伸率的目的。但是，試驗人員在軟管臺架試驗中還是觀察到了開裂現(xiàn)象。
 
在階段2中，研究人員通過增加炭黑含量試圖進一步改善延伸系數(shù)，結果導致成形軟管的厚度變化很大。盡管抑制了臺架試驗后波紋管處的開裂，但是應力集中導致卡箍裝配后發(fā)生大部分開裂現(xiàn)象。在階段3中，通過重整混合物改善了流動性和成形性。但在臺架試驗后，試驗人員還是在成形軟管內(nèi)部的波紋管和卡箍裝配部位觀察到了開裂現(xiàn)象。
由試驗結果可知，采用圖9中的聚合物I(偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物)材料無法同時實現(xiàn)力學性能和成形性的進一步改善。因此，不考慮由于氟含量較低導致化學穩(wěn)定性下降的問題。研究人員在階段4中采用了在室溫下具有高延伸系數(shù)的聚合物II(偏氟乙烯-四氟乙烯共聚物)。研究人員將從早期樣本獲得的混合技術經(jīng)驗應用于階段4中采用的聚合物II上。
 
 
圖9 聚合物I和聚合物II的結構
 
圖10為在未來發(fā)動機溫度要求下，階段1至階段4的延伸系數(shù)及每種材料軟管的臺架試驗結果。在所有的改進材料中，最高的延伸系數(shù)出現(xiàn)在階段4，達到了目標值。此外，在臺架試驗后軟管未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。
 
 
圖10 FKM開發(fā)階段與軟管臺架試驗結果之間的關系
 
圖11為針對階段4的熱老化性能、耐油性和燃料耐油性評價。結果顯，試驗結果都達到了延伸系數(shù)的目標值，且通過了軟管臺架試驗?；瘜W穩(wěn)定性評價、附著強度評價和抗彎曲疲勞性評價分別見圖12、圖13和圖14。較低的氟含量不會導致化學穩(wěn)定性下降，且每個評價的結果都優(yōu)于或與當前材料的試驗結果持平。熱老化后的材料附著性能和抗彎曲疲勞性大幅改善。由于炭黑凝膠導致的橡膠內(nèi)部網(wǎng)絡強化是實現(xiàn)前述大幅改善的主要原因，因此采用炭黑凝膠強化網(wǎng)絡是進一步提升具有優(yōu)良熱阻和化學穩(wěn)定性的FKM功能性的1種有效途徑。
 
 
圖11 熱老化性能、耐油性和燃料耐油性的試驗結果
 
 
圖12 耐酸性試驗結果
 
 
圖13 附著強度試驗結果
 
 
圖14 試件出現(xiàn)開裂前的彎曲次數(shù)
 
4 結論
 
本試驗的開發(fā)研究明確了以下2個要點：(1)加熱時，F(xiàn)KM內(nèi)層的材料性能無法滿足未來發(fā)動機的環(huán)境要求；(2)開發(fā)目標要求在保持環(huán)境穩(wěn)定性和材料成形性的同時提高在高溫狀態(tài)下的機械強度。研究人員通過向聚合物II(偏氟乙烯-四氟乙烯共聚物)中添加炭黑凝膠使網(wǎng)絡得到了強化，從而實現(xiàn)了開發(fā)目標。
 
日野公司在新一代Ranger車型上安裝了新開發(fā)的中冷器軟管。該車型參加了2019年度達喀爾汽車拉力賽的整個賽事，總名次位列第9名，在同等級別(排量小于10 L)的車型中位列第一。
 
分享到：
 
反對 0 舉報 0 收藏 0 評論 0
滬ICP備11026917號-25