某車型中冷進(jìn)氣管開(kāi)裂故障分析與處理

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)

0 引言

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

1 問(wèn)題描述

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

2 原因查找

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。

2.1 試驗(yàn)測(cè)試

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。

2.2 過(guò)程分析

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。

2.3 整車分析

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

3 措施與驗(yàn)證

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。

4 結(jié)論

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。