汽车进气体系开发

1007-0745（2013）09-0372-02
摘要：本文对汽车发动机进气系统的现状和在设计中的三种重要性能的影响因素进行了分析。
关键词：汽车 发动机进气系统 性能 开发
1、前言
发动机是汽车的心脏，而进气系统是汽车发动机的“门户”，因而进气系统是整车开发过程中极其需要重视的子系统。本文下面将进行阐述。

2、进气系统现状及面临问题

为应对激烈的市场竞争，汽车制造企业在应用新技术上想尽了办法，在作为汽车心脏的发动机上更是花了大力气。事实证明，先进发动机技术的应用在汽车节能、环保开发中起着决定性的作用。目前主要的发动机新技术包括增压、缸内直喷、进排气气道优化设计、可变进气控制、废气再循环、减磨技术等。新技术的应用提高了发动机的性能，满足了不断提高的法规要求，但也不同程度地增加了发动机成本。由此，低的成本增加带来高的发动机性能提升逐渐引起人们的关注。比如：进排气气道优化设计，特别是进气道优化设计，可以以较低的成本增加甚至是零成本增加大幅提升发动机的性能，改善发动机的排放与油耗。作为新型小排量发动机开发新技术，为国内发动机厂广泛采用。
近几年随经济的发展，汽车作已经成为人们的代步工具，越来越多的汽车导致道路拥挤、城市交通不堪重负，堵车现象时常发生，使得发动机更多时间工作在中低转速范围内。而传统发动机进气系统设计主要注重发动机高速性能，根本无法适应当前整车的动力需求，有的还致使整车的部分工况恶化。所以说，发动机进气系统优化设计，必须兼顾发动机中低速性能。化油器发动机的空气和燃料是在进气系统前端开始预混合的，进气系统气道的结构对油气混合有很大的影响，特别是气道的长度影响更甚。在工作条件发生变化时，进气系统气道上附着的油膜也随之改变，导致燃烧效果不良，性能降低、排放恶劣。为了缓解这种影响，采用一般采用短而直的气道，这种设计结构对发动机高速性能影响不大，但也无法利用进气道波动效应来提升中低转速的性能。
随着电子技术的广泛应用以及排放法规的日益加严，电控燃油喷射系统逐步取代了化油器，电喷系统的喷油器基本上设计在进气歧管支管或缸盖进气道上方，距离进气门较近。因此发动机可以采用较长的进气通道来改善发动机中低速性能。近些年开发的自然进气发动机更多地采用了可变进气系统和连续可变配气正时系统。这些技术的应用使发动机的性能有了很大的提高，对人们的差异化需求满足程度越来越高。近年来我国各汽车企业均致力于提高产品性能，加上国家政策支持，促使发动机技术快速发展。

3、影响汽车进气系统性能的因素

进气系统主要功能是过滤进入发动机的空气，避免粉尘进入发动机缸体而导致发动机异常受损。根据滤材的不同，空气滤清器过滤效率可达到≥96%～99.5%，可以给发动机提供足够的清洁空气以满足发动机对进气量的要求。发动机进气流量较大（ 一般小排量发动机额定流量能达到200～300Kg/h），导致进气阻力及进气噪声增高，从而对发动机及整车产生较大的影响。进气系统的主要性能要求为：
（1）滤清性能：优化滤清性能对发动机寿命有积极的意义；
（2）噪声性能：进气噪声对整车噪声及NVH 性能均有较大的贡献；
（3）进气阻力：合理的进气阻力可以避免对发动机功率造成不利影响。

3.1 进气系统的滤清性能

进气系统的滤清性能影响到进入发动机内部的空气的洁净程度，对发动机寿命有很大的影响。进气系统过滤性能要求有容尘能力及滤清效率，进气系统的结构及管路走向等均会影响到进气气流流向，而流体分布又将影响到进气系统的滤清性能，前期CAE 仿真分析有助于分析进气系统的滤清性能。
图1 显示的是某进气系统内插管元件。该进气系统初始设计方案不带导流管，其CFD 分析结果如图2 所示。由于进气管上表面与滤芯下表面几乎在同一平面，进气气流直接冲向滤芯底部，导致滤芯下表面流速不均匀，最高处达到30m/s
左右。滤芯空气流速不均匀对滤清效率、滤芯寿命、进气阻力及容尘能力等都有消极的影响，而添加导流管对进气气流进行引导有利于改善其滤清性能。
空滤的设计原则：
（1）空滤容积的确定： V=K*L。
K——经验系数（4-5）；
L——发动机排量。
（2）空滤的布置：
A.采用下壳体进气管布置；
B.进气管直径的确定（流速25m/s，小于30 m/s）；
C.引气管口位置，位置尽量高，考虑排水排尘设计；
D.谐振腔的布置。
（3）滤芯的计算：滤芯过虑面积：Q=K*F
Q——额定流量；
K——流量系数（经验值：0.03）；
F——有效过虑面积。
（4）空滤消声量（传递损失）的估算。

3.2进气系统的声学性能

进气噪声源：
（1）发动机燃烧和气门撞击声，与发动机点火频率相同；
n：转速 z：发动机缸数 i：发动机冲程系数（四冲程为2）k：谐波次数（阶次数）f：噪声频率
（2）气门开启的周期变化产生的空气动力噪声，频率约1000以上；
（3）气体在管道、气门、节流阀体出摩擦发出的声音，频率约800-1000Hz以上；
（4）管路和壳体辐射噪声、及振动传递噪声。
进气系统的声学性能是进气系统的重要性能要求。进气系统容积、内部结构及内部元件的应用对其噪声性能影响较大。随着进气系统容积的加大，其噪声曲线显著下降，加大进气系统容积对其声学性能有积极的意义。

源于：毕业设计论文范文www.udooo.com

进气系统出气喉管是设置在空气滤清器出口端的内插管，由于其截面及走向的变化对气流及其流速起一定的引导作用。设置出气喉管后，进气口噪声值整体下降明显，噪声性能得到较大的改善；再增加进气导流管后，进气口噪声再次降低。进气系统内插管元件的应用对滤清性能及噪声性能产生积极意义，但同时由于其扼制了气流的流动，进气阻力必然会增加，这是在应用内插管优化进气系统噪声时需要特别加以关注的因素，详细结构如图3。
图3 国外某车型进气系统结构
声压和声压级：
刚刚使人耳产生疼痛感觉的声压（痛阈声压）约为20Pa。
声压：；空气中的参考声压一般取p0=2×l0-5Pa。
声压级：通过对数压缩，数字简单；和人的生理感觉特性一致（图4）。
图4 一些典型噪声源或典型环境的声压和声压级
进气噪音的取样采用人耳比较敏感的A计权网络（图5）。
图5 A、C 计权网络
进气系统噪音测试如图6：
图6 进气口噪声彩图
进气系统的声学性能可以通过传递损失定义：

3.3 进气阻力

进气系统进气阻力对发动机的进气效率具有较大的影响，其阻力值的大小受其结构、管路布置，管路形状及管路尺寸等的影响。经过试验显示，内插管元件及其尺寸参数应用不当，将导致进气阻力的急剧上升。进气系统内部结构复杂，内部元件多且内部气流走向变化大及变化频繁，将导致进气阻力值的上升，但复杂的内部结构对气流的扼制作用对进气系统噪声的降低有益，因此在进气系统的设计过程中需要在进气阻力与进气噪声中找到平衡点，平衡满足各项性能指标，才能满足进气系统各项性能要求。同过试验平台可对进气系统的进气系统的流通量进行评价。
进气系统稳流试验台对于小型汽油机的生产非常必要，可用于产品研发、零部件进厂检验和汽油机装配中首件检验，保证产品性能一致性等不同场合，提高汽油机产品性能和质量。

4、结束语

对进气系统三大性能影响因素的分析，对于在进

源于：论文格式排版www.udooo.com

气系统的开发中能够有效克服其不利因素的影响，使进气系统的开发日渐科学化、合理化、技术化。
参考文献：
吴卫民.谈汽车发动机进气系统设计开发[J]大众汽车，2012
李天力.进气系统优化设计及开发[J]汽车技术研究，2011