客車發動機進氣系統的設計

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客車發動機進氣系統的設計

李林林

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

摘要介紹客車發動機用空氣濾清器的選型、進氣系統原始進氣口的設計及空氣濾清器的布置方式和進氣管路的設計原則等，并指出一些進氣系統設計及布置方面的常見錯誤。

關鍵詞：發動機進氣系統設計原始進氣口空氣濾清器進氣管路中冷器

來稿日期：2014-08-29

1　前言

把空氣或混合氣導入發動機氣缸的零部件集合體稱為發動機進氣系統，主要部件有空氣濾清器、空濾器出氣管、增壓器、中冷器、進氣道等。其作用是向發動機提供清潔、干燥、溫度適當的空氣，并最大限度地降低發動機磨損并保持最佳的發動機性能。空濾器在用戶可接受的、合理的保養間隔內應有效地過濾灰塵，并保持進氣阻力在規定的限值內。進氣系統的布置、安裝直接影響到發動機功能的發揮、工作的穩定性、可靠性、環保性，甚至在很大程度上影響發動機的壽命。通常，進氣道和連接管路截面積越大，彎曲越少，管壁越光滑，以及空氣濾清器額定流量越大，中冷器冷卻能力越強，則整個進氣系統性能就能越好，發動機性能也好。

2　原始進氣口的設計布置要求

圖1　原始進氣口不能布置在車輛行駛時的負壓區

原始進氣口位置應盡可能提高，應布置在雨雪和灰塵不易進入的部位。原始進氣口之前不應有其他零部件阻擋，也不能布置在車輛行駛時的負壓區，見圖1。發動機采用前置或后置布置方式，都嚴禁將空濾器的進氣口作為進氣系統的原始進氣口，見圖2。這樣會使空氣密度下降，影響發動機的功率發揮，并使排放惡化。一般要在空濾器進氣口處引出一管路，與進氣系統原始進氣口相連，從而為進氣系統引入溫度較低的空氣。空氣濾清器安裝位置不得低于底盤車架大梁上部，以防止車輛在積水路面行駛時通過空氣濾清器排塵口直接吸入水[1]。

3　空氣濾清器的布置要求

圖2　空濾器的進氣口不能作為進氣系統的原始進氣口

空氣濾清器要經常進行保養，故空氣濾清器要布置在方便保養的部位，便于拆裝。連接管道長度不宜過長，盡量采用直管道，減少直彎角數量，以便減少進氣阻力。進氣系統零部件布置要注意以下情況。

1）圖3中由于空濾器蓋離門板過近，無法更換空濾濾芯。而在圖4的實例中，空濾器到增壓器進氣口的連接管路在很短的距離內有3個直彎角，導致進氣阻力增大。

圖3　空濾器蓋離門板過近，無法更換空濾濾芯

圖4　直彎角過多

2）空氣濾清器和管路的安裝要保證有足夠的離地高度，避免車輛過水道時空氣濾清器進水。

3）空氣濾清器排塵口應布置在最低部位，且應盡可能遠離發動機表面和汽車迎風面，以便灰塵的及時排出。

4）在空氣濾清器與進氣管路之間增加軟連接。

5）空氣濾清器保養時必須及時安裝空氣阻力報警器，避免灰塵從報警器孔進入，直接進入氣缸內，造成活塞環和氣缸套的早期磨損，見圖5。

圖5　報警器孔不能漏裝空氣阻力報警器

6）空氣濾清器與排氣管、消聲器及其它熱源距離太近時，應在空氣濾清器與熱源之間加隔熱擋板，否則會導致進氣溫度偏高，影響發動機性能，參見圖6。

7）空氣濾清器的原始進氣口應盡可能高，并且其截面積是空氣濾清器進氣管截面積的1.3倍以上，以確保能吸進干凈、足量的空氣，見圖7[2]。

8）空氣濾清器不能垂直安裝。

圖6　空氣濾清器與排氣管距離太近，應加隔熱板

圖7　空氣濾清器的原始進氣口截面積應是空濾器進氣管截面積的1.3倍以上

4　空氣濾清器的選型

為了整車有一個良好的進氣系統，空濾器須經過仔細選擇，后置客車目前廣泛采用的是干式空濾器，這種濾清器可以有一個預濾裝置，使空氣產生旋流，通過離心作用分離出大部分塵粒，這些塵粒可以被收集在一個容器中，或連續或間斷排出。空濾器的進氣量和進氣阻力參數由配套廠提供，空濾器的選擇可根據發動機對進氣量和進氣阻力的要求進行選擇。干式空氣濾清器的選型原則有以下幾個方面。

1）確定發動機最大的進氣流量。選擇空氣濾清器要保證有足夠的進氣流量，特別在風沙、灰土大的地區，要加大空氣濾清器的流量，以加大濾芯的使用壽命，減少濾芯更換頻次，從而減少發動機的磨損和保證其正常的工作。空濾器的額定流量是發動機標定工況下實測流量（發動機的進氣量與空氣壓縮機的進氣量之和）的1.2~1.5倍（一般公路運輸車輛取大于等于1.2倍，工程車安全系數取值一般大于等于1.5倍）。

首先，確定發動機額定空氣流量QH：

式中，

QH——額定空氣流量，m3/h；

Pe——發動機額定功率，kW；

ge——發動機額定功率時的燃油消耗率，g/(kW·h)；

琢——額定額定功率時過量空氣系數，增壓發動機取2.0，增壓中冷發動機取2.1；

A0——燃燒l kg燃油所需的空氣量，柴油為14.3；

酌a——空氣密度，kg/m3（標準狀態下的空氣密度為1.200 5 kg/m3）。

其次，確定空氣濾清器的額定流量Q。考慮降低進氣阻力和維持一定的保養周期，空濾器的流量應該比發動機的額定進氣量大1.05~1.3倍。對于空氣制動車型，空氣濾清器還需要為空氣壓縮機提供新鮮空氣，所以在確定空濾器流量時還需加上空氣壓縮機排量QI。空氣濾清器的額定流量Q由下式算出[3]：

其中，K為儲備系數，取1.05~1.3。

2）確定車輛的使用環境。如果車輛使用環境很好，可以選擇單級過濾空氣濾清器，同時可去掉安全濾芯，這樣能有效降低成本。如果車輛使用環境差，為保證濾芯的使用壽命，應采用兩級過濾的空氣濾清器；如果使用環境很差，就應采用沙漠空氣濾清器，有時候還要加上廢氣引射裝置。國內某客車公司客車批量出口到非洲，未考慮到當地惡劣的使用環境，仍采用普通的兩級過濾空氣濾清器，結果造成很多車輛發動機早期磨損。換上沙漠空氣濾清器之后，這一問題很快得到解決。

3）確定空氣濾清器的原始過濾效率。這一數值從理論上說是越高越好，但實際上過濾效率高了，進氣阻力也相應會加大。所以在目前技術條件下，各企業的空氣濾清器原始過濾效率均在99.5%左右。對于兩級過濾空氣濾清器，還需要對粗濾效率提出要求，一般粗濾效率在80%左右；但如果增加一些分離裝置，粗濾效率可達90%。

4）確定容塵量。這一參數反映的是濾芯的使用壽命，容塵量大，壽命就長，濾芯更換周期就長，反之就短。所以在使用環境差的情況下，要使用容塵量大的空氣濾清器。

5）確定空氣濾清器的原始進氣阻力。這一值越小，相應濾芯的更換周期就長。一般發動機廠家對這一參數的要求是2.5 kPa[2]。

5　進氣系統進氣管路的設計

進氣系統進氣管路設計要注意以下7點。

1）原始進氣口到空氣濾清器以及空氣濾清器到增壓器之間的進氣管路剛度必須足夠，否則進氣管路會被吸扁，造成進氣量不足。

2）進氣接管使用T型卡箍連接，見圖8。如果箍不緊，容易漏氣，出現空氣不流經空氣濾清器的所謂短路的問題。

圖8　T型卡箍

3）進氣管路是保證發動機得到充足和清潔空氣的通道，因此，管道走向要求比較順，且長度應盡量短，彎度不能過大，否則進氣阻力大。進氣管路變徑要逐漸過渡，不能突變。見圖9，圖10。

圖9　進氣管路變徑突變

4）增壓器的壓氣機出氣口至中冷器、中冷器至發動機之間的連接膠管與金屬管之間必須有足夠的過盈量，否則會產生漏氣。

5）中冷管太長時，中間必須增加支架，否則在車輛行駛過程中中冷管容易脫落，見圖10。

圖10　進氣管連續變徑，中冷管太長時必須增加支架

6）對于帶增壓器的發動機，進氣系統的安裝及管路布置應保證進入增壓器的空氣溫度與環境溫度的差值不高于15℃，否則空氣密度下降，影響發動機功率的發揮，并使排放惡化[2]。

7）進氣管路盡量貼近車身骨架內壁，預留出必要的管路拆卸空間和工藝誤差空間，進氣管連接處要完全密封[3]。

6　中冷器的選擇

選擇中冷器時，主要考慮冷卻效率和壓力損失。通常先確定發動機的環境溫度、標定點和最大扭矩點的最大空氣流量、最高增壓后空氣溫度、最高中冷后空氣溫度、發動機允許的進氣溫升和允許的中冷器最大壓力降等相關參數來進行設計。要考慮最惡劣的工況，特別是風扇轉速較低的最大扭矩工況及標定工況時中冷器的狀況。中冷器應有足夠的散熱和迎風面積。一般先用理論計算公式初步確定中冷器的總散熱面積，并在此基礎上增加10% ~15%的余量以保證發動機在標定工況下出口溫度不高于規定值。

中冷器的選用計算步驟如下，分別計算對數平均溫差駐Tma、中冷器散熱量Qa、中冷器散熱面積F、中冷器的正面迎風面積A和中冷效率濁：

式中，

Pe——發動機額定功率，kW：

GK——中冷器進口空氣流量，kg/s；

Th1——熱端進口（增壓后）溫度，℃；Th2——熱端出口溫度（中冷出口），℃；Tc1——冷端進口溫度（中冷器前），℃；Tc2——冷端出口溫度（中冷后），℃；ka——中冷器傳熱系數，按照中冷器制造廠商推薦，取29.05～31.32，w/m2；

C——空氣比熱，取1 004.8 J/(kgoK)；

Ka——儲備系數，取1.1~1.15。

在最終選定風扇流量、冷風壓降的情況下，車輛行駛全負荷工況時，中冷器的出口溫度相對于環境溫度的溫升不應大于25℃，不同發動機要求可能會不同；中冷器的冷卻效率不小于70%，設計完成后要經試驗驗證[4]。

7　結論

統計表明，發動機的早期磨損、煙大、油耗高、無力等故障，絕大多數情況與汽車進氣系統設計不合理有關。為了使汽車進氣系統設計布置得更合理，整車廠應在樣車裝配完成后進行實驗測試，確保各項設計指標均能滿足發動機制造商提出的要求，同時把存在的問題及時整改。

參考文獻

[1]李春榮.淺談整車進氣系統的設計布置[C]. 2007，中國汽車工程學會年會論文集.

[2]劉義智，何健.客車發動機進氣系統的設計[J].客車技術與研究，2012（4）.

[3]付本奇，張祥宇，梁榮朝.客車發動機進氣系統車身進氣部分設計[J].客車技術與研究，2011（3）.

[4]程小平.后置發動機大客車進氣系統的設計[J].安徽科技，2011（10）.

Design of Engine Air Intake System for Bus Engine

Li Linlin

（Shanghai Diesel Engine Co., Ltd., Shanghai 200438, China）

Abstract:Selection of air cleaner type and design of initial air inlet of intake system, layout of air cleaner as well as intake pipes for bus engine are introduced, and common errors in intake system design and layout are put forward.

Key words:engine, air intake system design, initial air inlet, air cleaner, air duct, intercooler

作者簡介：李林林（1980-），男，工程師，主要研究方向為客車用發動機配套設計。

doi:10.3969/j.issn.1671-0614.2015.01.004