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汽车发动机进气系统轻型车中心动力所2008年12月1日进气系统一、概述发动机进气系统：包括进气管、空气滤清器、中冷器等。典型进气系统组成见图进气系统的功用：发动机进气系统关系到发动机动力性、经济性、寿命、进气噪声、烟度等性能。滤除空气中的硬质灰尘颗粒，降低灰尘对发动机的磨损；空气滤清器的滤清效率对发动机的磨损和寿命起着决定性的作用。保证发动机获得足量的空气，进而保证发动机功率的正常发挥；（对自然吸气发动机，进气阻力增加6Kpa，发动机功率下降3%左右）。降低进气噪音。保证进入发动机的空气温度满足设计要求，从而保证进气密度和进气量。中冷进气系统降低进气温度，抑制发动机排放物NOX的生成。基本要求：各种安装方式都必须充分保证空气中飘浮的灰尘不进入到进气系统中。原始进气口位置要求尽可能高，外露的原始进气口必须能防止雨、雪进入进气系统，避免损坏发动机。。保证系统安装无短路现象，保证零部件内部清洁，空滤器性能满足设计要求。进气系统的安装及管路布置应保证发动机进气温升不高于规定要求，否则空气密度下降，影响柴油机的功率发挥，并使排放恶化。系统最大进气阻力不超过一定限值。系统应安装阻力报警装置，达到限值阻力限值时，应及时报警显示，以指导客户及时维护保养进气系统。为了提高进气效率，降低进气阻力，系统个零部件要求内壁光滑，并保证各连接和圆角处无死角、急弯。进气系统的零部件要满足使用的做大温度和压力要求，尤其中冷部件；进气系统能有效吸收发动机震动，避免对零部件造成损坏；进气系统零部件在生产、运输及使用过程中，确保内部清洁，无残留物。进气系统与发动机的磨损进气灰尘对气缸、活塞、活塞环、气门、气门导管产生严重磨损。灰尘透过活塞环，加剧曲轴、连杆轴承摩擦副的磨损。空气中灰尘粒子在1~200um之间，其中20um灰尘对发动机磨损最严重，空气中该种粒子占67%。发动机的早期磨损主要发生在缸筒上部及头道活塞环，早期磨损发动机的症状为机油消耗量明显增加，加油口、机油标尺入口窜油，排气管冒蓝烟，功率下降。这种情况下检察空滤器会发现空滤内侧有明显灰尘痕迹。汽车行驶过程中，透过空滤吸进发动机的灰尘量用下式表示：G=ψ*Q*t*ε式中G---吸进发动机灰尘量，gψ--道路灰尘浓度，g/m3Q--发动机平均吸气量，m3/ht---汽车行驶时间，hε--空滤透灰滤，%空气滤清器空滤器的分类：根据使用条件，空气滤清器主要有以下类型：（1）干式（2）湿式（3）油浴式（4）离心式（5）组合式干式空气滤清器的滤芯用微孔滤纸或无纺布制造，滤料不浸油，目前轻卡上使用的几乎100%为干式空滤器。与其它类型相比，它具有以下优点：效率高，性能稳定滤芯容易设计，使空气滤清器结构简单，体积小，重量轻滤芯更换方便根据滤清级数可分为(1)单级(2)双级(3)多级空滤器工作原理：由于发动机工作造成的负压，含有灰尘等杂质的空气通过进气管以一定的流速被吸入空滤器，对于双级空滤器来说，由于叶片环或导流板的作用，空气以一定的速度旋转，在离心力的作用下，经过一定的升程，空气中的较大质量的粒子被甩到外围，最后沉积到储灰盘或排尘袋中，这就是粗滤。而夹杂着剩余很细颗粒的空气继续前进将遇到空滤器滤芯，滤芯的主要组成部分滤纸将完成设计要求的对细小微粒的拦截作用。捕捉颗粒的空滤器滤纸并不是简单的起到筛网作用，它能捕集的颗粒比滤纸孔要小得多。捕集的机理有四:1、直接捕获或拦截。2、吸附。3、冲击陷入。4、过滤结块。空滤器滤纸的内外表面不同，面对气流的表面滤层较疏松，透气度较好，而到另一面滤层较紧密，透气度较小。若两面装反，其堵塞寿命将下降30%左右。为了区分滤纸正反面，一般在滤纸非迎风面印有细线。空气滤清器选型设计：1.1根据发动机排量、额定转速、增压度等严格按计算结果，确定空滤器额定空气流量；空滤器的额定流量也可以按发动机在标定工况下实测流量的1.15~1.2倍来选取。1.2参照国际标准规定并结合我公司Q/FTA002《干式空气滤清器总成技术条件》的标准要求，确定空滤器的原始进气阻力（2.5kPa)、最大进气阻力（6kPa)、原始滤清效率(99.5%)、粗滤效率(80%)等技术参数。1.3空滤器试验用灰尘应按照ISO5011标准要求。1.4根据国内道路状况，空滤器必须加装粗滤器，并且应配装空滤器阻塞报警装置。1.5确保空滤内部清洁，各焊接或连接部位密封可靠。1.6空滤器出气口为了保证密封，应用圆形管，并要求接口处有一凸缘和止口，以保证密封和不会松动。1.7为了保养和清洁方便，在空滤器最底端部位要加装排尘袋，并保证排尘袋子不靠近污染大的地方,且不能迎风。空滤器试验认证空滤器控制要素：一类1,原始阻力；2,总成原始滤清效率3,实验室寿命(储灰能力)二类4，密封性；5，粗滤效率；6，内部清洁度；7，耐振动试验；三类8，耐腐蚀性；9，耐高、低温性；10，全寿命效率11，复原率；加灰情况说明ISO5011汽车空滤器实验方法中，对试验用灰尘化学成分及灰尘粒子尺寸分布做出了明确规定，其要求为美国试验用SAE粗灰、细灰标准。对于中、轻负荷卡车，由于使用环境相对较好，环境粒子尺寸分布与粗灰相似，因此用粗灰进行认证实验。对于越野车辆、拖拉机、工程机械等工作环境以质轻粒细的地表尘土居多，进行空滤器认证试验时应使用细灰。因此对汽车空滤器来说，如无特别声明，在进行产品认证时均使用粗灰。标准中规定的试验用灰国内不能生产。目前国内标准中允许使用270目石英砂，但也只能在灰尘粒子尺寸分布上接近SAE标准要求，化学成分要求无法做到。2、中冷器中冷器分类：按冷却介质的不同，中冷器可分为空对空中冷器和水对空中冷器。空对空中冷器常与水箱串联或并联的形式装配在一起，用风扇及迎面风对经过蜗轮增压的空气进行冷却；水空中冷器常与发动机体装配在一起，利用发动机的冷却液对经对经过蜗轮增压的空气进行冷却。由于受冷却液温度的限制，水空中冷后的增压空气很难达到较低的进气温度（如80℃以下）；其次，由冷却液带走的这部分热量，实际上还要通过水箱散发到大气中，无形之中增加了冷却系统水散热器的负担，而且从传热过程来看它是二次传热，整体的传热效率较低；再者，由于在水空中冷系统中，冷却液参与了中冷循环，容易因为中冷器泄漏导致冷却液进入气缸。因此车用中冷器越来越多地采用空空中冷器。内置紊流片式中冷器特点是中冷器的热侧通道内装有内部散热带（俗称紊流片），它大大加强了中冷器的热侧散热面积，并可强制使增压热空气由层流变成紊流，从而大大提高中冷器的散热能力。中冷器的作用增加比功率，提高发动机马力。冷却增压后被提高的进气温度，增高单位体积的氧气含量，提高空燃比，使燃料燃烧更充分，从而达到提高发动机功率的目的。据大量资料，在给定的压力下，增压空气温度每下降10℃，发动机功率约提高3%~5%；或者在相同的功率下，燃料消耗减少1.5%,，可使最高燃烧温度和整个循环的平均温度下降3℃降低发动机热负荷和机械负荷，提高发动机寿命。根据计算，压缩空气每降低1℃，最高燃烧温度和排气温度可降低可降低2-3℃；在相同的平均有效压力下，中冷降低了进气温度55-105℃，可以有效缓解发动机热负荷。因此中增压度以上的发动机，中冷是必不可少的。在保持大致相同空气密度的条件下，可使气缸压力下降，缓解机械负荷。有效地降低废气污染物的排放量和噪声，采用增压中冷技术可使排放达`到欧II、欧III标准。经国外文献介绍，进气温度从60℃降低到30℃，标定工况燃油耗率下降1%，NOX排放下降24%，烟度基本不变；最大扭矩工况下，燃油耗率下降3%，NOX排放下降6%，烟度下降13%。减少发动机燃料消耗。提高对海拨高度的适应性。在高海拨地区，采用中冷可使用更高压比的压气机，使发动机功率得到更大提高，提高汽车的适应性。中冷器的工作系统原理图增压热空气从涡轮增压器流经中冷器的冷却管，把热量传给冷却管和附着在管子上散热带,外面的冷空气（或水）流过冷却管和附着在管子上散热带时,带走上面的热量。热量就这样通过管子和散热带把热空气的热量传给外面的冷空气,把增压热空气的温度降下来。中冷器性能评价指标冷却效率η=（Thi-Th0）/（Thi-T0）温度差⊿T=Th0-T0，即中冷器出口温度与环境温度之差热侧压力降⊿Ph=Phi-Ph0应使中冷器热侧压力降尽可能低，轻中型车不高于10.7kPa（80mmHg），重型车上不高于12.5kPa（93.5mmHg）。中冷器增压侧压力降过大，将低消温度下降的效果；同时，当空—空中冷系统进气管路有10.2kPa压降时，将使加速反应下降6.5%。冷侧压力降⊿PC尽可能降低冷却空气侧压力降。过高的冷侧压力降将使冷风流量急剧下降，导致中冷器散热性能不足，发动机出水温度偏高。低的冷侧压力降对中冷器和水箱的匹配至关重要。中冷器设计：2.1根据发动机的有关技术参数先用理论计算公式初步确定中冷器的总散热面积，并在此基础上增加10%~15%的余量。2.2根据散热器的外形尺寸及整车空间尺寸，确定最合理的中冷器芯体尺寸，并尽可能加大迎风面积，以保证发动机在标定工况下出口温度不高于规定值：在最终选定的风扇流量、冷风压降的情况下，车辆行驶的全负荷工况，中冷器的出口温度相对于环境温度的温升，对于载货汽车不应大于25℃；设计完成后要经试验验证。2.3为了提高进气效率，减少增压后的空气压降，应尽量使中冷器进、出气口内表面光滑，并保证各连接和圆角处无死角、急弯。还应考虑气室大小、形状对效率的影响。2.4根据发动机增压后最大空气压力，确定中冷器密封试验的气压。欧Ⅱ发动机取250kPa，欧Ⅲ取300kPa，时间均为不低于2分钟。并保证中冷器进、出气管直径不能小于发动机的进、出气口直径。2.5在额定流量下中冷器的压力降应不超过规定值，为满足使用要求，中冷器的额定流量一般按发动机标定工况下进气量的1.1倍来确定。3，管路设计要求3.1进气系统的管路布置应简洁，固定牢靠，并尽量减少方向的改变；3.2绝对不允许管路中存在任何漏气现象，否则发动机无法发出正常功率，影响加速性和最高车速都达不到设计要求。3.3要保证整个进气系统长期使用后，内部不会因腐蚀而生锈，也就是进气系统应尽量使用铸铝或不锈钢等抗腐蚀材料，如要使用钢管类材料，则必须要求其内部喷涂耐高温防锈底漆，并不会脱落。3.4增压器压气机出口连接管建议设计成一直的管件，圆锥形扩压角为7°max，以得到最好的性能，长度取决于装配位置，或者直到联接管出口处直径相当于压气机出口面积的2倍。3.5进气管路的安装应考虑在适当的位置增加固定支架，以免因其自重或相应的运动使进气岐管或增压器承受各种应力，并避免动态干涉。3.6在空滤器到发动机之间必须使用一段胶管，以抵消发动机和底盘之间的相对位移；该软管应有足够的刚度，以防止负压造成吸扁、破损和局部狭小，或由于振动而变形；该软管还应能在-40℃~120℃下长期使用，有足够的耐老化能力；此段管路的固定方式要十分可靠，不得因振动而导致各管接头松脱，使未经过滤的空气直接进入增压器和发动机，引起增压器的损坏和发动机的非正常磨损。3.7管路应尽可能避免焊接，如果不得不焊接时，应防止假焊、脱焊出现缝隙，并应彻底清除焊渣；3.8硬管与橡胶连接位置不允许用钢板搭接焊接成管，应用无缝钢管制作并且管口部位有凸缘，保证橡胶管与硬管为过盈配合连接；并使用平板带式卡箍紧固胶管；3.9中冷系统的管路应尽量采用金属管连接，管口之间的联接必须采用耐热耐压橡胶管，推荐采用夹布硅胶或硅胶编织管；金属管插入橡胶管的长度确保在40mm以上，并使用平板带式卡箍紧固胶管。二、进气流量的计算根据发动机增压器压比、增压器出气温度、发动机进气温度以及发动机常规参数确定。该方法需要发动机进行必要的实验，测量也比较方便。Q=0.03Vh·n·ηv·ηs·A其中A=I·（T0/T）0.75Q：柴油机所需空气量（m3/h）A：增压系数Vh:活塞总排量（l）n:发动机转速（r/min）ηs：扫气系数，增压机取1.05ηv：充气系数，柴油机取0.85I：增压器压比（