塑料燃油箱在汽車上的應(yīng)用及發(fā)展

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塑料燃油箱在汽車上的應(yīng)用及發(fā)展 隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展和汽車環(huán)保要求的提高 燃油箱作為汽車部件中重要的安全 件和法規(guī)件 對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能提高成為各大汽車 隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展和汽車環(huán)保要求的提高 燃油箱作為汽車部件中重要的安全 件和法規(guī)件 對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能提高成為各大汽車制造商競相探討和解決的問題 早先的汽車燃油箱大多以金屬材料如 ST12 ST14 冷軋鋼板制造 其特點是體積較大 價格便宜 成型容易 模具成本相對較低 一般卡車上多數(shù)仍然使用這種大容量 剛度和 強度較好的金屬油箱 但隨著歐 IV 歐 V 排放指標(biāo)的提高 加上共軌系統(tǒng)對燃油系統(tǒng)材料 提出了新的要求 由于銅元素會加速柴油的老化 鋅 鉛 錫等元素會被燃油中的酸性物質(zhì) 所腐蝕 燃油系統(tǒng)應(yīng)避免含有銅 鋅 鉛 錫等成分 由此誕生了鋁合金油箱 鋁合金材 料如3303 5052的鋁鎂合金以其質(zhì)量輕 強度高 耐腐蝕 外觀美觀等優(yōu)點 代替鋼鐵材 料進入汽車零部件已成為一種趨勢 但鋁合金油箱成本較高 焊接難度較大 受撞擊時容 易變形 這些特點都使得鋁合金油箱的普及和發(fā)展受到了一定的限制 相比之下 塑料燃油箱以其更好的安全性 更強的耐腐蝕性和更長的使用壽命脫穎而 出 筆者現(xiàn)就塑料燃油箱的發(fā)展 主要生產(chǎn)方法 阻隔性改善工藝 設(shè)計特點 成本驅(qū)動 因素及發(fā)展前景作一介紹 1 塑料燃油箱的發(fā)展 汽車塑料燃油箱的發(fā)展起步于歐洲 世界上第一只汽車塑料燃油箱是由德國 Volkswagen 汽車公司 BASF 公司和 Kautex 公司于20世紀(jì) 6O 年代聯(lián)合研究開發(fā)而成的 并在 Porsche 跑車上得到了成功應(yīng)用 Hj 全球市場上的主要前三大供應(yīng)商 Iner gY Kautex 及 TI Walbro 占有全球 75 以上的塑料油箱市場份額 處于世界塑料燃油箱的領(lǐng) 導(dǎo)者地位 隨著汽車市場競爭的加劇 成本壓力增大 我國政府越來越重視國家自主創(chuàng)新 能力的培育 經(jīng)過二十幾年的研究 塑料燃油箱在中國市場迅速發(fā)展并廣泛應(yīng)用 第一陣 營的亞普 Yapp Kautex 八千代填補了國內(nèi)塑料燃油箱的空白 成功地替代了進口 三 家公司的產(chǎn)量已經(jīng)約占國內(nèi)塑料燃油箱生產(chǎn)總量的70 第二陣營的江蘇泰順?biāo)芄?安徽 蕪湖順榮以自主品牌搶占了一定的市場份額 據(jù)奧爾威咨詢統(tǒng)計 2007年我國塑料燃油箱 國產(chǎn)化率已經(jīng)達到64 43 2008年有小幅上升 約為66 隨著塑料油箱價格逐步接 近于金屬油箱 這一比例還將擴大 表1列出塑料燃油箱市場中的主要中外制造商 2塑料燃油箱的主要生產(chǎn)方法及阻隔性改善工藝 2 1 主要生產(chǎn)方法 目前 塑料燃油箱均采用聚乙烯 PE 作為原材料 由于 PE 的熱塑性顯著 所以塑料燃 油箱的加工成型工藝通常有擠出吹塑成型 滾塑成型 注射成型 真空吸塑成型等多種形 式 其中擠出吹塑成型和滾塑成型為兩大主流工藝 1 擠出吹塑成型是將軟化狀態(tài)的高密度聚乙烯 HDPE 用擠出機擠出型坯后放入成型模 內(nèi) 用兩半片模具將型坯夾緊 然后通入壓縮空氣 利用空氣的壓力使坯料沿模腔變形 經(jīng)冷卻脫模得成品燃油箱 其原材料分子量極高 力學(xué)強度優(yōu)異 但設(shè)計和制造成本較高 多用于結(jié)構(gòu)緊湊 批量大的乘用車領(lǐng)域 2 滾塑成型是將低密度聚乙烯 LDPE 加入模具中 然后模具沿兩垂直軸不斷旋轉(zhuǎn)并被 加熱 模內(nèi)的坯料在重力和熱能的作用下逐漸均勻地涂布 熔融粘附于模腔的整個表面上 待完全塑化達到要求厚度后 往模具夾套內(nèi)注入冷水經(jīng)冷卻定型而成制品 這種制品壁厚 相對均勻 易于安裝金屬類緊固鑲件 模具簡單 但材料難以符合汽車燃油箱對性能的要 求且成型周期較長 能耗大 多用于空間大 批量小的商用車領(lǐng)域 滾塑油箱在汽車上的應(yīng)用 2 2 阻隔性改善工藝 塑料燃油箱需具有較高的阻隔性 以吹塑成型為例 原始塑料燃油箱為 HDPE 單層結(jié) 構(gòu) 但由于 HDPE 具有一定的透氣性 對各種溶劑的耐滲透性不強 構(gòu)成燃料的烴分子可 以擴散到 HDPE 分子間的間隙 逐漸滲透到外界而氣化損失掉 即燃油滲漏 這必然對環(huán) 境和安全都造成影響 因此 如何提高塑料燃油箱的阻隔性能成為整車排放達標(biāo)的最有效 最重要的途徑 目前 為滿足環(huán)保要求 降低燃油滲透 在生產(chǎn)中通常采用以下3種工藝方 法改善阻隔性 1 在基體中添加阻隔性樹脂 這是一種物理方法 該方法是將 PE 與阻隔樹脂 尼龍 PA 或 乙 J 烯 乙烯醇 共聚物 E VOH 共混改性使阻隔樹脂在基體樹脂中形成層狀 這 種阻隔功能聚合物合金材料由美國 DuPont 公司研制成功 因此該技術(shù)又稱為 DuPont 的專 利 Selar 技術(shù) 如在 HDPE 中加7 的阻隔 PA 可以使材料對燃油的滲透性比純 HDPE 燃 油箱減少97 但這種方法在實際生產(chǎn)操作時 對擠出機螺桿混煉性能要求較高 制備工 藝復(fù)雜 并且層狀摻混塑料燃油箱的力學(xué)性能較低 阻滲性不太穩(wěn)定 2 對燃油箱進行氟化或硫化處理 在箱體表面上形成化學(xué)反應(yīng)的燃油阻隔層 這是一 種化學(xué)方法 例如在吹塑成型過程中 同時向油箱內(nèi)部吹入含氟1 的氮氣 使其油箱內(nèi)層 形成防燃油滲透的含氟層 經(jīng)氟化處理后 油箱的滲透汽油量降低效果比較顯著 可由16 g 24 h 降至0 5 g 24 h 氟化處理對非極性溶劑阻透性較好 但容易造成二次污染 工 藝復(fù)雜 難度大 成本較高 硫化處理的長期阻透性差且不安全 不宜采用 3 采用多層共擠技術(shù) 將阻隔材料與 PE 分層同時擠出吹塑成型 這是一種物理方法 目前常用的多層燃油箱一般為6層 其結(jié)構(gòu)從內(nèi)到外分為新料層 粘結(jié)層 阻隔層 粘結(jié)層 回料層 新料層 其中 內(nèi)新料層為 HDPE 起成型 強度 骨架等作用 而外新料層為 了確保耐火性添加黑色母 阻隔層多采用 PA 或 E VOH PA 阻烴性好而 E VOH 阻甲 醇性好 由于 HDPE 是非極性物質(zhì) E VOH 是極性物質(zhì) 一 OH 基團 HDPE 和 E VOH 之間沒有粘結(jié)強度 HDPE 層與 EVOH 層之間必須通過一個粘結(jié)層來連接 所以 粘結(jié)層用的粘結(jié)劑對阻隔材料和 HDPE 要有較強的粘結(jié)力 良好的粘結(jié)耐久性能和加工性 能 通常用于多層共擠塑料油箱的粘結(jié)劑是由 PE 馬來酸酐 有機過氧化物在一定溫度下 通過雙螺桿擠出機經(jīng)過熔融反應(yīng)而成的 由于多層燃油箱有阻隔層 所以其抗燃油滲透能 力更強 其燃油滲漏量可降至0 2 g 24 h 對汽油 O 7 1 2 g 24 h 對汽油一甲醇 乙醇燃料 因此 多層共擠技術(shù)在防止大氣污染和循環(huán)再利用方面起到了有效的作用 勢 必成為塑料燃油箱的主流發(fā)展方向 3 塑料燃油箱的設(shè)計特點及成本驅(qū)動因素 3 1 設(shè)計特點 以單層塑料燃油箱吹塑成型為例 燃油箱需要足夠大的容積容納供給系統(tǒng)中的所有工 作介質(zhì) 但受到車輛底盤之間空間的限制 塑料燃油箱外形多為異形曲面組合 以最大限 度利用有限空間 這就對箱體與車身貼合部位的尺寸有一定的要求 所以在設(shè)計與制造中 應(yīng)重點考慮尺寸收縮所造成的誤差 其次 當(dāng)箱體形狀有劇烈變化或貫穿直徑在短距離內(nèi)有較大改變時 應(yīng)著重分析其在 成型過程中是吹脹成型或單邊拉伸 還是原料堆積擠壓成型 因其形變大 這將是整個塑 料件最薄部位或最厚部位 它的存在對燃油箱質(zhì)量影響很大 所以在設(shè)計過程中應(yīng)盡量避 免上述情況 無法回避情況下 盡可能增加其形變過渡量 以減緩形變 同時在生產(chǎn)過程 中注重對相應(yīng)型坯壁厚的調(diào)整控制 為控制箱體在冷卻過程和在車身上固定安裝時箱體形 狀向內(nèi)塌陷 設(shè)計中應(yīng)對特定部位或曲面留有預(yù)張曲面 此外 由于燃油箱為儲存燃料的安全件 箱體應(yīng)具有一定的剛性 所以箱體壁厚不能太 薄 同時箱體又要保持有較大的容積和較輕的質(zhì)量 故箱體的壁厚一般控制在2 5 4 0 mm 為保證燃油箱內(nèi)的傳感器總成裝配后浮子能自由運動 燃油箱設(shè)計時應(yīng)保證與油箱 壁 油箱內(nèi)部其它部件留有一定間隙 一般設(shè)計時考慮傳感器浮子距油箱底部大于等于 4mm 浮子距油箱頂部大于等于10 mm 傳感器浮子與能導(dǎo)致其卡滯的油箱部件要保持一 定距離 大于等于25 mm 在設(shè)計階段就應(yīng)充分考慮生產(chǎn)和裝配中塑料燃油箱存在的變形和缺陷 通過結(jié)構(gòu)上的 設(shè)計優(yōu)化以保證后期成品的質(zhì)量 3 2 成本驅(qū)動因素 由于塑料燃油箱較高的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和嚴格的質(zhì)量控制 使得其前期投人費用較高 尤其 是生產(chǎn)設(shè)備和成套檢測設(shè)備相對昂貴 例如 要求有專用的吹塑成型機 打孔焊接機 水 檢機等 模具成本比較高 另一方面由于塑料燃油箱的滲漏性使得開發(fā)階段的設(shè)計驗證和 試驗較金屬油箱多 開發(fā)周期較長 這些都導(dǎo)致塑料燃油箱價格高于金屬油箱 由于受到石化技術(shù)落后的限制 目前我國塑料燃油箱的原材料市場還沒有打開 塑料 燃油箱生產(chǎn)商使用的主要原材料 HDPE 以進口產(chǎn)品為主 其中已被廣泛接受和認可用來生 產(chǎn)汽車塑料燃油箱的原材料供應(yīng)商在全球主要有3家 德國 BASEL 公司 牌號為 Lupolen 4261 法國 TOTAL 石化公司 牌號為 MS201B BN 英國 Ineos 公司 牌號為 Eltex RSB714 塑料燃油箱需根據(jù)不同產(chǎn)品的設(shè)計特點增加重力閥 放油螺栓 焊接支架 墊圈 等外購件 因此構(gòu)成塑料燃油箱成本中的原材料及外購件成本占了總成本的75 這部分 成為影響塑料燃油箱價格的主要因素 此外 增值成本包括直接人工 制造費用等增值工 藝及費用 約占總成本的7 塑料燃油箱的生產(chǎn)設(shè)備自動化程度相對較高 整個生產(chǎn)流 水線上涉及人員較少 其它成本包括財務(wù) 管理及利潤等可變成本 約占總成本的18 圖1為塑料燃油箱的成本構(gòu)成 4 車用塑料燃油箱的前景 從金屬燃油箱到塑料燃油箱 從單層塑料燃油箱到多層塑料燃油箱 可更好地滿足燃 油系統(tǒng)向輕量化和緊湊型方向發(fā)展的要求 其中對阻隔性的控制成為各大塑料燃油箱生產(chǎn) 商和汽車廠商研究探索的主流課題 目前 TI Walbro 開發(fā)的 SIB 技術(shù) 雙片熱成型法及 Inergy 的 PZEV 燃油系統(tǒng)都能夠滿足全球最嚴格的美國 PZEV 燃油標(biāo)準(zhǔn) Inergy 的這種設(shè) 計含有與標(biāo)準(zhǔn)型吹塑成型油箱相同的6層 HDPE EVOH 結(jié)構(gòu) 能更好地控制壁厚并減輕質(zhì) 量 并用于2009款寶馬7系列 sedan 車型的油箱 非一致性 PZEV 要求 上 隨著國內(nèi)塑料油 箱生產(chǎn)技術(shù)的提高 加之企業(yè)規(guī)?；a(chǎn) 塑料油箱無論從工藝還是質(zhì)量上都得到了提高 所以塑料燃油箱國產(chǎn)化率將進一步提升 乘用車塑料油箱配套市場還有很大的發(fā)展空間 塑料燃油箱也將面臨著更多的挑戰(zhàn)和機遇