摘 要：进气歧管是发动机进气系统最重要的部件，进气系统决定着发动机的进气效率和各缸充气均匀性，对整机性能有非常大的影响。进气歧管固定在发动机的气缸盖上，是形状复杂的中空制品，承受气缸盖燃烧室燃料燃烧传递的热和振动。自从燃料电喷技术在发动机上应用以来，进气歧管的作用显得更加重要了。本文采用先进的计算机技术进行分析、计算及设计。
关键词：发动机;塑料;进气歧管;开发
1 发动机进气歧管的现状
发动机进气歧管材料为铝合金，由于进气歧管的结构比较复杂，一般都采用金属模砂型铸造，不能采用压铸工艺。由于受工艺条件的限制，铝制进气歧管的内表面非常粗糙，甚至还留有砂孔、气孔，导致进入燃烧室的气流产生涡流，影响充气效率及燃烧质量。另外，由于铝合金材料导热系数高，铝制进气歧管受到发动机传递的热，使进气歧管内空气膨胀密度降低，燃烧所需空气的量减少，直接影响发动机的效率。我厂生产的CA4GE发动机进气歧管为铝浇铸件，产品非常粗糙、笨重，铝制进气歧管的上半体质量为3.5kg。进气歧管与排气歧管在同一侧，下半体距离排气歧管较近，工作条件苛刻，不宜塑料化，故选择上半体为塑料进气歧管的开发对象。
2 塑料进气歧管的材料选择
塑料进气歧管的材料，不论用哪种材料都必须能承受住现代发动机室内的苛刻环境。因此，为了保证塑料进气歧管能长期正常工作，材料的耐热、耐热老化、抗拉强度、刚性和抗蠕变性能非常重要。塑料进气歧管必须能承受至少120℃的持续高温，其工作温度峰值为150～160℃。塑料进气歧管材料的抗拉强度决定了其对回火和真空负荷的承受能力。为了与铝合金相匹配，材料在23℃时的抗拉强度不能低于50～60MPa。刚性表示塑料进气歧管在高负荷下振动情况的一个特征参数。在正常的工作情况下，部件的刚度越大，振动就越小。尼龙玻璃纤维增强材料是塑料进气歧管的首选，由于尼龙价格适中，经玻璃纤维增强的尼龙材料各项物理性能都有显著的提高，尼龙品种中有尼龙6和尼龙66，在塑料进气歧管材料的选择上，可按成型工艺来选择。塑料进气歧管的成型方法有熔芯注塑法和振动摩擦焊接法，振动摩擦焊接法是先注塑成型壳体，再将壳体焊接到一起的成型方法。由于焊接技术的提高，可制作从简单到复杂的塑料进气歧管，制造成本远低于熔芯法。由于在焊接成型时，焊接缝上增强材料的玻璃纤维排列发生了变化，起不到增强作用，焊接缝的焊接强度对抗爆破压力影响很大，焊接缝处得不到玻璃纤维增强，其抗爆破压力强度决定于基础材料。在静态压力测试中，尼龙6的焊接强度性能高于尼龙66，这是尼龙6适用于振动摩擦焊接成型方法的原因。发动机塑料进气歧管的成型方法选择了振动摩擦焊成型工艺，确定使用BASF公司的BASF8233GWHS BK102尼龙6玻璃纤维增强材料。
3 CAE技术在发动机塑料进气歧管开发中的应用
CAE模拟技术在产品开发及产品设计中占有非常重要的地位，其分析结果与实际非常接近，既节省时间又节省费用，对产品设计、模具开发及制造模具有决定性的作用。在开始制造模具前，在数控加工中心用3D数据加工出与实物相同的试装件，并在发动机上试装，检查是否存在设计不足或出现装配干涉的问题。
4 焊接面结构设计
发动机回火在进气歧管内燃烧，气体的压力很大，可使塑料进气歧管爆裂。因此，振动摩擦面的结构设计非常重要，因焊接面的玻璃纤维已起不到增强作用，反使焊接强度降低。据报道，焊接后的材料强度下降30%。为解决这一问题，只有增加焊接面的面积来达到最大的强度。塑料进气歧管采用了飞边遮挡的焊缝结构，在容积上与焊接过程中聚合物排出量相当。
5 密封件的设计
（1）选材。塑料进气歧管与气缸盖联接，该部位的温度很高，因此多采用硅橡胶作为密封材料。（2）设计要点。压缩率为15%～30%，密封圈的宽度比槽宽小0.2mm，便于装配，为防止装配时密封圈脱落，设计4个凸台。
6 固定支架的设计
因塑料进气歧管安装在发动机上，当发动机工作时进气歧管受发动机振动的影响，进气歧管会产生上下左右的振动，进气歧管受到振动将被破坏，为此设计好进气歧管的防震支架很重要。经过CAE模拟分析使结构优化，将原有的钢板支架改为铝支架，支架的结构有所改变，质量减轻30%，经台架试验和道路试验其效果很好。
7 进气歧管的成型
（1）注塑成型。注塑成型要求使用精密注塑机，克重要求为1000±0.05g。因注塑克重不足，易使产品产生微孔，当受到振动和回火压力冲击时，易使塑料进气歧管破裂，本次采用了Closed Loop Controi式注塑机。（2）振动摩擦焊接。振动摩擦焊接是用于各种热塑性塑料连接的先进的摩擦焊接方法，可焊接大型的塑料件和形状复杂及装配形状不规则的塑料件。这种焊接原理非常简单，两个零件夹持在一起，一个零件被静态固定，另一个零件做相对振动，沿共同的界面摩擦产生的热量将两个零件焊接在一起。一个零件以每秒120或240循环次数的频率、0.5～4mm的往复运动量振动时，摩擦热产生。当压接界面出现熔融状态时，振动停止，零件自动对正。在保持夹持力的同时，熔融聚合物固化形成焊缝。本次选用了必能信的振动焊接机。（3）热插镶嵌件。热插镶嵌件工艺是将金属镶嵌件用高频加热至152℃～300℃，机械手按数控轨迹移动插入塑料件。热插入与手工将镶嵌件放入模具注塑成型相比，生产速度快、位置准确、不损伤模具。镶嵌件应设计有反扭斜螺纹和防拉拔凹槽。（4）冷压衬套。冷压工序是将金属衬套压入塑料进气歧管衬套孔中，由于塑料的压缩强度不足，压缩永久变形大，故用金属衬套解决这一问题。要求金属衬套在安装状态下不松动和不脱落，塑料件的安装孔设计成锥型，防止脱落。（5）泄漏测试。塑料进气歧管泄漏将影响进气效率，泄漏主要发生在密封件上，泄漏试验要100%进行。（6）成品试验。塑料进气歧管在投入生产之前，要进行一系列的试验，即塑料进气歧管材料试验、密封件材料试验、塑料进气歧管产品性能试验、塑料进气歧管爆破试验、塑料进气歧管与铝进气歧管的对比试验、排放试验、发动机台架试验、道路试验、发动机生产流水线批量试装等，通过以上各项试验后，才能投入批量生產。
8 结语
发动机塑料进气歧管，各项性能达到了设计要求，质量减轻了40%、发动机效率提高4%、产品价格降低20%。
参考文献：
[1]胡景彦，周大权，郭如强，etal.可变进气歧管设计开发及试验验证[J].汽车零部件，2019（05）.
[2]朱茂强，钟翔波.某微型商用车发动机进气系统设计开发[J].内燃机，2019（04）.