汽車進(jìn)氣系統(tǒng)開發(fā)探討

1、汽車進(jìn)氣系統(tǒng)開發(fā)探討 中圖分類號(hào)：u461 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a 文章編號(hào)：1007-0745（2013）09-0372-02 摘要：本文對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的現(xiàn)狀和在設(shè)計(jì)中的三種重要性能的影響因素進(jìn)行了分析。 關(guān)鍵詞：汽車 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng) 性能 開發(fā) 1、前言 發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的心臟，而進(jìn)氣系統(tǒng)是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的“門戶”，因而進(jìn)氣系統(tǒng)是整車開發(fā)過程中極其需要重視的子系統(tǒng)。本文下面將進(jìn)行闡述。 2、進(jìn)氣系統(tǒng)現(xiàn)狀及面臨問題 為應(yīng)對(duì)激烈的市場競爭，汽車制造企業(yè)在應(yīng)用新技術(shù)上想盡了辦法，在作為汽車心臟的發(fā)動(dòng)機(jī)上更是花了大力氣。事實(shí)證明，先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的應(yīng)用在汽車節(jié)能、環(huán)保開發(fā)中起著決定性的作用。目前主要的發(fā)動(dòng)機(jī)新

2、技術(shù)包括增壓、缸內(nèi)直噴、進(jìn)排氣氣道優(yōu)化設(shè)計(jì)、可變進(jìn)氣控制、廢氣再循環(huán)、減磨技術(shù)等。新技術(shù)的應(yīng)用提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，滿足了不斷提高的法規(guī)要求，但也不同程度地增加了發(fā)動(dòng)機(jī)成本。由此，低的成本增加帶來高的發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升逐漸引起人們的關(guān)注。比如：進(jìn)排氣氣道優(yōu)化設(shè)計(jì)，特別是進(jìn)氣道優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以以較低的成本增加甚至是零成本增加大幅提升發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的排放與油耗。作為新型小排量發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)新技術(shù)，為國內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)廠廣泛采用。 近幾年隨經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車作已經(jīng)成為人們的代步工具，越來越多的汽車導(dǎo)致道路擁擠、城市交通不堪重負(fù)，堵車現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，使得發(fā)動(dòng)機(jī)更多時(shí)間工作在中低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。而傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)主

3、要注重發(fā)動(dòng)機(jī)高速性能，根本無法適應(yīng)當(dāng)前整車的動(dòng)力需求，有的還致使整車的部分工況惡化。所以說，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，必須兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)中低速性能?；推靼l(fā)動(dòng)機(jī)的空氣和燃料是在進(jìn)氣系統(tǒng)前端開始預(yù)混合的，進(jìn)氣系統(tǒng)氣道的結(jié)構(gòu)對(duì)油氣混合有很大的影響，特別是氣道的長度影響更甚。在工作條件發(fā)生變化時(shí)，進(jìn)氣系統(tǒng)氣道上附著的油膜也隨之改變，導(dǎo)致燃燒效果不良，性能降低、排放惡劣。為了緩解這種影響，采用一般采用短而直的氣道，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高速性能影響不大，但也無法利用進(jìn)氣道波動(dòng)效應(yīng)來提升中低轉(zhuǎn)速的性能。 隨著電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及排放法規(guī)的日益加嚴(yán)，電控燃油噴射系統(tǒng)逐步取代了化油器，電噴系統(tǒng)的噴油器基本上設(shè)計(jì)在

4、進(jìn)氣歧管支管或缸蓋進(jìn)氣道上方，距離進(jìn)氣門較近。因此發(fā)動(dòng)機(jī)可以采用較長的進(jìn)氣通道來改善發(fā)動(dòng)機(jī)中低速性能。近些年開發(fā)的自然進(jìn)氣發(fā)動(dòng)機(jī)更多地采用了可變進(jìn)氣系統(tǒng)和連續(xù)可變配氣正時(shí)系統(tǒng)。這些技術(shù)的應(yīng)用使發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有了很大的提高，對(duì)人們的差異化需求滿足程度越來越高。近年來我國各汽車企業(yè)均致力于提高產(chǎn)品性能，加上國家政策支持，促使發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)快速發(fā)展。 3、影響汽車進(jìn)氣系統(tǒng)性能的因素 進(jìn)氣系統(tǒng)主要功能是過濾進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣，避免粉塵進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)缸體而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)異常受損。根據(jù)濾材的不同，空氣濾清器過濾效率可達(dá)到96%99.5%，可以給發(fā)動(dòng)機(jī)提供足夠的清潔空氣以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)進(jìn)氣量的要求。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量較大（ 一般

5、小排量發(fā)動(dòng)機(jī)額定流量能達(dá)到200300kg/h），導(dǎo)致進(jìn)氣阻力及進(jìn)氣噪聲增高，從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及整車產(chǎn)生較大的影響。進(jìn)氣系統(tǒng)的主要性能要求為： （1）濾清性能：優(yōu)化濾清性能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命有積極的意義； （2）噪聲性能：進(jìn)氣噪聲對(duì)整車噪聲及nvh 性能均有較大的貢獻(xiàn)； （3）進(jìn)氣阻力：合理的進(jìn)氣阻力可以避免對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率造成不利影響。 3.1 進(jìn)氣系統(tǒng)的濾清性能 進(jìn)氣系統(tǒng)的濾清性能影響到進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的空氣的潔凈程度，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命有很大的影響。進(jìn)氣系統(tǒng)過濾性能要求有容塵能力及濾清效率，進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及管路走向等均會(huì)影響到進(jìn)氣氣流流向，而流體分布又將影響到進(jìn)氣系統(tǒng)的濾清性能，前期cae 仿真分析有助于分析

6、進(jìn)氣系統(tǒng)的濾清性能。 圖1 顯示的是某進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)插管元件。該進(jìn)氣系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)方案不帶導(dǎo)流管，其cfd 分析結(jié)果如圖2 所示。由于進(jìn)氣管上表面與濾芯下表面幾乎在同一平面，進(jìn)氣氣流直接沖向?yàn)V芯底部，導(dǎo)致濾芯下表面流速不均勻，最高處達(dá)到30m/s 左右。濾芯空氣流速不均勻?qū)V清效率、濾芯壽命、進(jìn)氣阻力及容塵能力等都有消極的影響，而添加導(dǎo)流管對(duì)進(jìn)氣氣流進(jìn)行引導(dǎo)有利于改善其濾清性能。 空濾的設(shè)計(jì)原則： （1）空濾容積的確定： v=k*l。 k經(jīng)驗(yàn)系數(shù)（4-5）； l發(fā)動(dòng)機(jī)排量。 （2）空濾的布置： a.采用下殼體進(jìn)氣管布置； b.進(jìn)氣管直徑的確定（流速 25m/s，小于30 m/s）； c.引氣管口位置

7、，位置盡量高，考慮排水排塵設(shè)計(jì)； d.諧振腔的布置。 （3）濾芯的計(jì)算：濾芯過慮面積：q=k*f q額定流量； k流量系數(shù)（經(jīng)驗(yàn)值：0.03）； f有效過慮面積。 （4）空濾消聲量（傳遞損失）的估算。 3.2進(jìn)氣系統(tǒng)的聲學(xué)性能 進(jìn)氣噪聲源： （1）發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和氣門撞擊聲，與發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火頻率相同； n：轉(zhuǎn)速 z：發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù) i：發(fā)動(dòng)機(jī)沖程系數(shù)（四沖程為2）k：諧波次數(shù)（階次數(shù)）f：噪聲頻率 （2）氣門開啟的周期變化產(chǎn)生的空氣動(dòng)力噪聲，頻率約1000以上； （3）氣體在管道、氣門、節(jié)流閥體出摩擦發(fā)出的聲音，頻率約800-1000hz以上； （4）管路和殼體輻射噪聲、及振動(dòng)傳遞噪聲。 進(jìn)氣系統(tǒng)的聲學(xué)性

8、能是進(jìn)氣系統(tǒng)的重要性能要求。進(jìn)氣系統(tǒng)容積、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及內(nèi)部元件的應(yīng)用對(duì)其噪聲性能影響較大。隨著進(jìn)氣系統(tǒng)容積的加大，其噪聲曲線顯著下降，加大進(jìn)氣系統(tǒng)容積對(duì)其聲學(xué)性能有積極的意義。 進(jìn)氣系統(tǒng)出氣喉管是設(shè)置在空氣濾清器出口端的內(nèi)插管，由于其截面及走向的變化對(duì)氣流及其流速起一定的引導(dǎo)作用。設(shè)置出氣喉管后，進(jìn)氣口噪聲值整體下降明顯，噪聲性能得到較大的改善；再增加進(jìn)氣導(dǎo)流管后，進(jìn)氣口噪聲再次降低。進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)插管元件的應(yīng)用對(duì)濾清性能及噪聲性能產(chǎn)生積極意義，但同時(shí)由于其扼制了氣流的流動(dòng)，進(jìn)氣阻力必然會(huì)增加，這是在應(yīng)用內(nèi)插管優(yōu)化進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲時(shí)需要特別加以關(guān)注的因素，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖3。 圖3 國外某車型進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

9、聲壓和聲壓級(jí)： 剛剛使人耳產(chǎn)生疼痛感覺的聲壓（痛閾聲壓）約為20pa。 聲壓：；空氣中的參考聲壓一般取p0=2l0-5pa。 聲壓級(jí)：通過對(duì)數(shù)壓縮，數(shù)字簡單；和人的生理感覺特性一致（圖4）。 圖4 一些典型噪聲源或典型環(huán)境的聲壓和聲壓級(jí) 進(jìn)氣噪音的取樣采用人耳比較敏感的a計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)（圖5）。 圖5 a、c 計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò) 進(jìn)氣系統(tǒng)噪音測試如圖6： 圖6 進(jìn)氣口噪聲彩圖 進(jìn)氣系統(tǒng)的聲學(xué)性能可以通過傳遞損失定義： 3.3 進(jìn)氣阻力 進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣阻力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣效率具有較大的影響，其阻力值的大小受其結(jié)構(gòu)、管路布置，管路形狀及管路尺寸等的影響。經(jīng)過試驗(yàn)顯示，內(nèi)插管元件及其尺寸參數(shù)應(yīng)用不當(dāng)，將導(dǎo)致進(jìn)氣阻力的急劇上升。進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部元件多且內(nèi)部氣流走向變化大及變化頻繁，將導(dǎo)致進(jìn)氣阻力值的上升，但復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)氣流的扼制作用對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲的降低有益，因此在進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中需要在進(jìn)氣阻力與進(jìn)氣噪聲中找到平衡點(diǎn)，平衡滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)，才能滿足進(jìn)氣系統(tǒng)各項(xiàng)性能要求。同過試驗(yàn)平臺(tái)可對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的進(jìn)氣系統(tǒng)的流通量進(jìn)行評(píng)價(jià)。 進(jìn)氣系統(tǒng)穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)對(duì)于小型汽油機(jī)的生產(chǎn)非常必要，可用于產(chǎn)品研發(fā)、零部件進(jìn)廠檢驗(yàn)和汽油機(jī)裝配中首件檢驗(yàn)，保證產(chǎn)品性能一致性等不同場合，提高汽油機(jī)產(chǎn)品