进气系统的设计I-宋绍超

进气系统的设计乘用车工程研究一院底盘部动力总成科宋绍超2007.6.14第一版资料保密进气系统的设计一，进气系统简介二，进气系统主要零部件设计三，进气系统声学设计初步四，进气系统声学设计详解五，进气系统创新设计及要点一，进气系统简介进气系统包含了空气滤清器、空气流量传感器、进气软管、消音装置、节流阀体、进气歧管、进气门机构等，是发动机的一个重要组成部份，其作用就像人的呼吸系统一样，给发动机提供燃烧所必须的氧气。一，进气系统简介进气系统结构图一般的进气系统结构如上图所示:空气经引气管流入空气滤清器过滤掉杂质后，流过空气流量传感器，经由进气软管进入进气歧管，与喷油嘴喷出的汽油混合后形成适当比例的燃油混合气，由进气门送入汽缸内点火燃烧，产生动力。一，进气系统简介进气系统我们目前主要涉及的是节流阀体前相关零件的设计，其中最重要的为空气滤清器的设计.噪声振动功率损失防水防雪进气系统设计时主要考虑的问题噪声振动功率损失防水防雪进气系统设计时主要考虑的问题二，进气系统主要零部件设计空气滤清器是进气系统中最重要的零件，空滤设计的好坏决定了进气系统的整体性能表现，空滤的作用是在满足空气吸入量的情况下过滤掉最微小的杂质颗粒，保护发动机。不同的地区因土壤，气候及道路的情况不同，空气中含有的尘土等杂质成分和含量也有所不同，就其化学成分来说，多数是二氧化硅。当它们进入发动机气缸的摩擦表面时，就会刺破润滑油膜，加剧发动机气缸的磨损，缩短发动机的使用寿命。安装空气滤清器能减少气缸、活塞和活塞环等零件的磨损。据有关资料报道：轿车如不安装空气滤清器，气缸磨损将增加7倍，活塞磨损增加3倍，活塞环磨损增加8倍。因此，现代汽车发动机都在化油器或电喷发动机的节流阀体前部装有空气滤清器。另外，优质空气滤清器能有效降低发动机吸入空气时的噪音。二，进气系统主要零部件设计1，空滤的布置选择1.1根据发动机排量估算空滤体积大小美国克莱斯勒公司推荐空滤器为发动机排量的2.5倍,日本推荐3-6倍,我们公司设计指南上要求空滤体积为发动机排量的4-5倍，在可能的情况应当取上限，加大空滤器的容积，一般取5倍计算。1.2空滤布置的时候要考虑各种因素，引气口的布置尤其重要：引气口处的温度不应过高，不应超出环境温度15℃，远离排气高温区。引气口应避免水、雪、灰尘和杂质，远离负压区，集灰区，甩泥区。引气口应迎风，借助车辆行使速度提高充气量。引气口应保证气体在进气系统中运行通畅，减小进气阻力。引气口应尽量远离车厢，使噪声源与司机和乘客间的距离越远越好，同时要使进气口声源与隔声结构的距离最远，这样隔声效果会更好。二，进气系统主要零部件设计引气口常见布置方案1.3预留空间进气系统噪声在开发初期无法准确确定，因此谐振腔的设计无法确定，一般在布置阶段预留位置，或者布置一两个在一定范围内可调频率的谐振腔或谐振管，用于后期噪声优化。进气管进气管进气管二，进气系统主要零部件设计2，主要性能参数的选择与设计2.1额定流量的计算经验公式Q=0.03nVst∅c∅s式中Vst——发动机的排量（L）n——发动机的转速（r/min），通常取常用转速∅c——冲气系数，四冲程柴油机在0.75-0.85，增压机0.90-1.05∅s——扫气系数，四冲程增压柴油机为1.10-1.30计算结果对照公司发动机的实验数据，综合考虑选定空滤的额定流量2.2原始阻力及寿命选择新的空气滤清器的阻力称为原始阻力，使用过的、达到保养状态时的阻力称为终了阻力二，进气系统主要零部件设计原始阻力小于等于1.8KPa,图纸有规定按图纸要求总成试验室寿命：符合下述条件之一者（以先到者为准）在额定空气流量下总成原始阻力增加2KPa时，储灰量一般不得小于额定流量数值，图纸有要求的按图纸执行。在额定空气流量下阻力增加2KPa或滤清效率下降到90%时，总成寿命应不小于4h。一般行驶寿命寿命要求：卡车12000Km、轿车6000-8000Km2.3过滤面积A=Q/KA为滤纸的面积K为表面流量系数,通常在0.01-0.035之间,通常国产纸走上限,进口纸走下限,在我国的行业标准JB/T51024中选择K=0.03二，进气系统主要零部件设计2.4估算滤芯折数折高空滤滤芯板可知其长宽规格，定为a、b,滤纸厚度为0.3-1.0之间,节距大于等于3倍滤纸厚度(节距是指滤纸折间的距离),选定一值定为t,则最大折数可算出，定为nn=a/t考虑到滤纸挺度,一般折高小于等于55mm，定为h,可计算h=A*100/n*b*2折数、折高根据情况选取，然后演算过滤面积，合适则符合设计要求——注意滤纸不可与壳体过近二，进气系统主要零部件设计2.5容尘量选择容尘量是指压力降达到指定值时，滤清器截获的粉尘量。JB/T51024中规定合格品≥0.6Q一等品≥0.8Q公司标准：额定空气流量下阻力增加2KPa时，储灰量一般不得小于额定流量的1倍，图纸有要求的按图纸执行。2.6原始滤清效率选择在额定空气体积流量下，总成的原始滤清效率应符合表1的规定。η=A-B/Aη滤清效率A进入滤清器的灰尘B通过滤清器的灰尘二，进气系统主要零部件设计表1总成原始滤清效率主滤芯的滤材滤清效率%试验灰尘270目石英砂ISO12103-A4(粗粒)ISO12103-A2(细粒)树脂处理微孔滤纸≥99.5≥98.5≥97.5非织造布及其它材料≥98.5≥97.5≥96.0二，进气系统主要零部件设计2.7进气阻力复原率总成试验室寿命试验结束，对滤芯进行复原性处理后，总成的进气阻力复原率应大于85%。2.8密封性总成各密封部位应密封可靠，在滤清效率试验或总成试验室寿命试验结束后，立即拆开检查，总成各密封部位不允许有漏灰痕迹。二，进气系统主要零部件设计3，材料及外观3.1材料：空气滤清器材料主要有PP6或PP10。3.2外观总成外表面应无明显的伤痕、磕碰、拉毛和毛剌等缺陷，涂、镀层应无裂纹、脱落、流挂、露底等缺陷。材料代号材料密度(g/cm3)熔化温度(℃)燃烧残余(%)球压硬度(N/mm2)冲击韧性耐寒性耐热性(80℃放置48小时)抗拉强度(N/mm2)抗老化性（到发脆的时间h）PP61.05≥158℃22≥80≥30-40℃不变形≥24≥700PP101.15≥158℃30≥110≥15-40℃不变形≥50≥1000三，进气系统声学设计初步1，声学设计概述进气系统的噪声是汽车最主要的噪声源之一，其噪声主要是指进气口处的噪声，这个噪声源离车厢的距离很近，所以对车内噪声贡献非常大。同时，进气口噪声也是汽车最主要的通过噪声源。另外，如果空气滤清器和消音元件的刚度不足，就会引起很大的辐射噪声。因此从整车的NVH性能角度考虑，进气系统的声学设计意义重大。进气系统消声元件包括扩张消音器和旁支消音器，空气滤清器除了过滤空气外，还起到扩张消音器的功能，旁支消音器包括赫尔姆兹消音器和四分之一波长管。三，进气系统声学设计初步2，空气滤清器(扩张消音器)的声学分析空气滤清器相当于一个扩张消音器，其容积大小和尺寸决定了传递损失和中心频率。2.1空滤容积滤清器的容积达到发动机容积的五倍以上，就能达到良好的消音效果，一般来说，容积越大消音效果就越好。但受前仓空间的限制，空滤不可能做的非常大，因此消音效果受到限制。2.2空滤插入管空气滤清器相当于一个扩张消音器，影响其传递损失的因素有两个：扩张比m和滤清器的长度L。扩张比越大越好，有两种办法提高扩张比：一是减小管道的尺寸，二是增加滤清器的截面积。减小管道尺寸会使得功率损失增加，而增加滤清器的截面积又受到安装空间的限制。将进入管和输出管插入到滤清器中也可以提高滤清器的传递损失。三，进气系统声学设计初步传递损失可以用以下公式来表达：22)2cos()2cos(2sin125.01lg10baLLLmmTLDdLaLLbDdLaLLb三，进气系统声学设计初步假设只考虑进入管插入即这时的传递损失简化为：管道插入后，传递损失增加，而且在某个频率处出现了一个峰值，当时传递损失达到最大值，对应的频率为即插入长度正好是波长的四分之一，也就是说进入管0bL22)2cos(2sin125.01lg10aLLmmTL0)2cos(aLaLcf44aL三，进气系统声学设计初步插入到滤清器中后，就相当于在系统中加入了一个四分之一波长管，利用这个插入管，就可以调节某些频率下的传递损失。插入管大大地提高了插入损失，但是滤清器内有过滤网，这样插入长度往往受到限制。另一方面，插入管会带来较大的功率损失，其损失值比减小管道直径带来的损失还要大。所以是否采用这种插入管，要权衡传递损失和功率损失。三，进气系统声学设计初步3，旁支消音器声学分析进气系统的共振消音器有赫尔姆兹消音器和四分之一波长管。这两种消音器的目的都是消除窄频带的噪声，但是赫尔姆兹消音器的消音频带比四分之一波长管要宽，所以赫尔姆兹消音器比四分之一波长管显得更重要。赫尔姆兹消音器一般是用来消除低频噪声，而四分之一波长管用来消除高频噪声。如果要用四分之一波长管来消除低频噪声，那么波长管必须做得很长，但是太长的管道很难安装。3.1进气系统中，低频噪声成分往往非常大，而控制低频要采用赫尔姆兹消音器。所以在汽车设计初期，要尽可能地给进气系统留出较大空间，以便安装赫尔姆兹消音器，一般来讲赫尔姆兹消音器不能安装在空气滤清器上。三，进气系统声学设计初步谐振腔式消声器谐振频率计算公式(如下图)：其中：C-为空气中的音速L-接管长度S-接管平均断面积V-谐振腔的容积f-谐振频率有上面公式，即可以确定谐振腔的方案。关于谐振腔计算有表:谐振腔计算公式f=(C/2π)*(S/(L*V))1/2三，进气系统声学设计初步3.2四分之一波长管是安装在主管道上的一个封闭的管子，如下面图所示。声波从主管道进入旁支管后，声波被封闭端反射回到主管，某些频率的声波与主管中同样频率的声波由于相位相反而相互抵消，从而达到消音目的。四分之一波长管三，进气系统声学设计初步这个旁支管的传递损失为：式中L是四分之一波长管的长度，而m是主管截面积与波长管截面积的比值当（n=1,2,3…）时，传递损失达到最大,旁支管长为：四分之一波长管共振的频率为：2102tan411log10LmTL2122nL412nLLcnf4)12(0三，进气系统声学设计初步旁支管的频率只取决于管道的长度，管道越长，频率越低。从上式知道，影响四分之一波长管传递损失的参数有两个，一个是旁支管的截面积与主管截面积的比值m，另一个是波长管的长度。四分之一波长管的一端是开口的，一端是封闭的，在开口处的声波会象活塞一样运动，存在辐射声阻抗，因此管道的实际工作长度增加，需要对开口端进行修正。对四分之一波长管来说，主管的管壁相当于法兰，於是四分之一波长管的实际长度应该为：式中和分别是实际长度和计算长度，修正频率为：38rLLaaLLaLcf40