王偉偉,黃名宗,閆劍韜,韋 夏
(上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西 柳州 545000)
中冷器實(shí)際上是渦輪增壓系統(tǒng)的配套件,增壓發(fā)動(dòng)機(jī)需要在增壓器與進(jìn)氣歧管之間安裝中冷器。中冷器按冷卻方式可分為風(fēng)冷式中冷器和水冷式中冷器,風(fēng)冷式中冷器利用外界空氣對(duì)通過(guò)中冷器的空氣進(jìn)行冷卻,一般安裝在車體空氣流動(dòng)量較大的位置,如前保險(xiǎn)杠內(nèi);水冷式中冷器則通過(guò)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)對(duì)通過(guò)中冷器的空氣進(jìn)行冷卻,冷卻效率較風(fēng)冷式中冷器高,但組成部件較多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造成本高[1]。風(fēng)冷式中冷器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和制造成本低而得到了廣泛應(yīng)用,大部分渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)使用的都是風(fēng)冷式中冷器[2]。
中冷器可降低增壓后的空氣溫度,防止高溫空氣直接進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī),以降低發(fā)動(dòng)機(jī)爆震甚至損傷熄火的機(jī)率,同時(shí)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷;增壓中冷還可以提高進(jìn)氣量,進(jìn)而增加發(fā)動(dòng)機(jī)的功率,提高發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)海拔高度的適應(yīng)性,降低燃料消耗。
圖1是在某發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架觀測(cè)中冷后空氣溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩影響的試驗(yàn)結(jié)果,從扭矩曲線可看出,隨著中冷后進(jìn)氣溫度的降低,發(fā)動(dòng)機(jī)外特性扭矩總體是升高的趨勢(shì)。中冷后進(jìn)氣溫度由45 ℃降至25 ℃時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)在1000~2000 r/min轉(zhuǎn)速范圍,外特性工況扭矩提升明顯,即通過(guò)降低中冷后空氣溫度可明顯改善低速外特性扭矩,其中2000 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)外特性工況扭矩由197 N·m 提升至222.8 N·m最為顯著。
圖1 中冷后空氣溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩影響
某車型主要在墨西哥、印度、中東等地銷售,中冷器總成借用國(guó)內(nèi)一款量產(chǎn)車型。該風(fēng)冷式中冷器主要由4部分組成,即中冷進(jìn)氣管總成、中冷器總成、中冷器出氣管總成及中冷器旁通管總成(圖2)。中冷進(jìn)氣管連接渦輪增壓器,與增壓后的高溫氣體直接接觸,它的作用是將經(jīng)渦輪增壓器壓縮的高溫空氣送入中冷器,中冷器總成主要由流通管和散熱片組成,空氣經(jīng)中冷器冷卻后,通過(guò)中冷出氣管進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管內(nèi),旁通管連接中冷出氣管和泄壓閥。2021年4月起,售后陸續(xù)收到反饋,7臺(tái)車的中冷器進(jìn)氣管出現(xiàn)開(kāi)裂故障,可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力不足,引起用戶強(qiáng)烈抱怨,須立即著手處理。事發(fā)地及故障出現(xiàn)時(shí)車輛行駛里程見(jiàn)表1。中冷器進(jìn)氣管開(kāi)裂位置見(jiàn)圖3。從圖3可看出,7根中冷進(jìn)氣管故障裂紋相似,均順著管路走向出現(xiàn)開(kāi)裂。
圖2 中冷器組成示意圖
圖3 中冷器進(jìn)氣管開(kāi)裂位置
表1 事發(fā)地及故障出現(xiàn)時(shí)車輛行駛里程
圖4 膠管內(nèi)側(cè)裂口
對(duì)故障管進(jìn)行剖解,發(fā)現(xiàn)膠管內(nèi)側(cè)裂口(圖4)明顯大于外側(cè),判斷為內(nèi)膠先開(kāi)裂外膠后裂,裂口整齊,裂紋沿線痕走向分布,中間線層未斷。為查找中冷進(jìn)氣管開(kāi)裂原因,進(jìn)一步對(duì)故障件做相關(guān)試驗(yàn)測(cè)試,并追溯生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量控制。
1)光譜分析
根據(jù)設(shè)計(jì)要求,中冷進(jìn)氣膠管內(nèi)外膠使用的材料均為AEM(GM14726-Type B),為檢測(cè)材料組分,對(duì)故障件做光譜分析,得到其材料組分紅外光譜,結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可以看出故障件的紅外光譜與標(biāo)準(zhǔn)AEM的紅外光譜相符,由此可判斷,中冷進(jìn)氣膠管材料組分合格,滿足設(shè)計(jì)要求。
圖5 中冷進(jìn)氣膠管材料紅外光譜
2)高溫爆破
中冷管總成執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)是GMW16153-2015,要求橡膠管在高溫箱內(nèi)100 ℃放置4 h后做高溫爆破,爆破壓力要求≥0.48 MPa,截取故障件非開(kāi)裂段的橡膠管做高溫爆破,試驗(yàn)結(jié)果表明,故障件橡膠管的爆破壓力為0.94 MPa。
3)硬度測(cè)試
按技術(shù)要求中冷器進(jìn)氣管硬度應(yīng)在55~70 HA,故障件取樣做硬度測(cè)試,結(jié)果為61.1~61.9 HA。
4)剝離強(qiáng)度
剝離強(qiáng)度要求≥4 N/mm,故障件取樣做剝離強(qiáng)度,結(jié)果為3.74 N/mm、3.49 N/mm,故障件剝離強(qiáng)度略低于標(biāo)準(zhǔn),考慮到故障件已搭載整車跑過(guò)一定里程,橡膠出現(xiàn)部分老化,剝離強(qiáng)度≥4 N/mm的要求對(duì)故障件明顯偏高;再對(duì)與故障件同批次的、未出廠的新件檢測(cè)剝離強(qiáng)度,實(shí)測(cè)結(jié)果是5.31 N/mm、6.05 N/mm,結(jié)果合格。
圖6是中冷管的生產(chǎn)流程,為檢查生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量控制,到車間生產(chǎn)線自查可能導(dǎo)致中冷管開(kāi)裂的四道風(fēng)險(xiǎn)工序:煉膠、擠出、一段硫化、二段硫化。
圖6 中冷管生產(chǎn)流程
煉膠:膠料批次號(hào)19-10-1,膠料快檢記錄顯示,兩車膠料快檢指標(biāo)合格。
擠出:生產(chǎn)日期是2019-10-03,當(dāng)班擠出管坯1554件,膠料、芳綸線、針數(shù)、管坯尺寸等生產(chǎn)記錄均無(wú)異常。
一段硫化:硫化設(shè)備工藝參數(shù)由系統(tǒng)控制,無(wú)權(quán)限者無(wú)法修改;生產(chǎn)日期是2019-10-07、2019-10-08,硫化工藝要求溫度170 ℃±5 ℃,時(shí)間30~33 min、壓力0.68~0.82 MPa,硫化記錄顯示溫度控制在上偏差175 ℃,壓力為0.75 MPa,時(shí)間是30 min,符合工藝要求。
二段硫化:生產(chǎn)日期是2019-10-09、2019-10-10,二段硫化工藝要求溫度175 ℃±5 ℃,時(shí)間120~150 min、二段硫化記錄顯示溫度為175 ℃,時(shí)間是150 min,符合工藝要求。
在故障事發(fā)地進(jìn)行整車熱害試驗(yàn),其中,在墨西哥實(shí)車測(cè)試中冷進(jìn)氣膠管內(nèi)部氣流溫度峰值約178 ℃,在印度實(shí)車測(cè)試中冷進(jìn)氣膠管內(nèi)部氣流峰值溫度約181 ℃;AEM橡膠常規(guī)條件下可在<160 ℃工況下持續(xù)工作,峰值溫度<175 ℃,而在故障事發(fā)地的峰值溫度均超出AEM材料耐溫要求。由此分析,中冷進(jìn)氣管開(kāi)裂由材料因高溫老化失效所致。
圖7 實(shí)車測(cè)試中冷進(jìn)氣膠管內(nèi)部氣流溫度結(jié)果
針對(duì)中冷進(jìn)氣管因高溫老化,提出兩個(gè)改進(jìn)方案,第一個(gè)是提升中冷器降溫能力,第二個(gè)是升級(jí)膠管材料??紤]到第一個(gè)方案的成本、時(shí)間都比第二個(gè)要高,所以最終措施是將中冷進(jìn)氣管材料由AEM升級(jí)為氟硅膠(FVMQ),氟硅膠(FVMQ)屬于性能成本的高端選擇[3]。更改前后材料及耐溫性能對(duì)比見(jiàn)表2。
表2 膠管材料更改前后差異對(duì)比
為驗(yàn)證新材料樣件的耐溫性能,在墨西哥對(duì)中冷進(jìn)氣管做PVT試驗(yàn)驗(yàn)證,測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)按GMW16153中冷進(jìn)氣管路測(cè)試規(guī)范執(zhí)行。在120~135 ℃的環(huán)境中,給中冷進(jìn)氣管通入180~200 ℃壓力為270 kPa的高溫氣流,同時(shí)對(duì)其施加位移激勵(lì),振幅為X=15 mm,Y=10 mm,Z=+21/-15 mm,歷時(shí)150 h,中冷進(jìn)氣管未開(kāi)裂,試驗(yàn)順利通過(guò);新樣件裝車后,從4月至10月,售后均無(wú)反饋中冷管進(jìn)氣管開(kāi)裂問(wèn)題,表明更改措施有效。
1)墨西哥、中東、印度等地當(dāng)?shù)氐南募練鉁剌^國(guó)內(nèi)的偏高,國(guó)內(nèi)車型至以上地區(qū),應(yīng)充分考慮材料耐溫性能,并適當(dāng)升級(jí)材料。
2)氟硅膠中冷進(jìn)氣管在氣流溫度不超過(guò)200 ℃時(shí)可持續(xù)穩(wěn)定工作。