后置客車進(jìn)氣系統(tǒng)開發(fā)

詹可炬, 楊貴亮, 張小海

(廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司, 福建 廈門 361023)

后置客車進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計影響到發(fā)動機(jī)進(jìn)氣聲品質(zhì)和整車油耗。要達(dá)到發(fā)動機(jī)良好進(jìn)氣聲品質(zhì)和降低油耗的目的，進(jìn)氣系統(tǒng)必須通過科學(xué)開發(fā)。

1 進(jìn)氣系統(tǒng)開發(fā)流程

進(jìn)氣系統(tǒng)的主要作用是在用戶接受的合理保養(yǎng)區(qū)間內(nèi)向發(fā)動機(jī)提供清潔、干燥、溫度適當(dāng)、阻力合理的空氣，以最大限度地降低發(fā)動機(jī)的磨損并保持發(fā)動機(jī)的最佳性能[1-2]。另外,保證車輛怠速狀態(tài)進(jìn)氣格柵處有良好的聲品質(zhì)[3]。后置發(fā)動機(jī)客車進(jìn)氣系統(tǒng)指的是發(fā)動機(jī)增壓器前的進(jìn)氣系統(tǒng)，包括車身進(jìn)氣格柵、轉(zhuǎn)接箱、進(jìn)氣波紋管、空濾器和空濾后管路[4]。

底盤總布置確定后，進(jìn)氣系統(tǒng)的布置一般也基本確定，然后按圖1展開進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計。以我司某12 m公路客車為例，對后置發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)開發(fā)流程作說明。該車搭載渦輪增壓柴油發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)排量為9.5 L，額定功率為275 kW/1 900 r/min。

圖1 進(jìn)氣系統(tǒng)開發(fā)流程圖

1.1 空濾器的選型

增壓柴油機(jī)的空濾器額定流量qve一般按式(1)計算[5]：

qve=P·ge·α·A0/(1 000γa)

(1)

式中：P為發(fā)動機(jī)額定功率，取275 kW；ge為額定功率時的燃油消耗率，取235 g/kWh；α為額定功率時的過量空氣系數(shù)，取2.1；A0為燃燒1 kg燃油所需的理論空氣量，取14.3 kg；γa為空氣密度，取1.200 5 kg/m3。

通過式(1)計算qve為1 616.57 m3/h。同時考慮空壓機(jī)與發(fā)動機(jī)共用空濾器，該車空壓機(jī)進(jìn)氣流量為11 m3/h，故空濾器額定流量最終為1 627.57 m3/h。

考慮與公司常規(guī)公路客車標(biāo)配的塑料空濾產(chǎn)品通用，選取KL-1920的空濾器。其技術(shù)參數(shù)：額定空氣流量1 920 m3/h；原始進(jìn)氣阻力≤2.87 kPa；原始濾清效率≥99.89%。其額定流量1 920 m3/h>1 627.57 m3/h，同時從其流量阻力曲線可知，1 627.57 m3/h對應(yīng)的空濾器原始進(jìn)氣阻力為2.2 kPa。因渦輪增壓器前進(jìn)氣阻力為空濾器原始進(jìn)氣阻力與各管道阻力之和，所以空濾器更小的原始進(jìn)氣阻力可為各管道阻力留出足夠的儲備余量，選型合理[6]。

1.2 關(guān)鍵零部件的布置

1) 進(jìn)氣方式的選擇。從整車燃油經(jīng)濟(jì)性考慮，在怠速和低速時側(cè)置進(jìn)氣明顯優(yōu)于頂置進(jìn)氣，而在高速時頂置進(jìn)氣則優(yōu)于側(cè)置進(jìn)氣[7]。因該車定位于市內(nèi)通勤車，車速一般不會超過100 km/h，同時頂置進(jìn)氣由于管道較長，進(jìn)氣阻力較大，存在可能無法滿足進(jìn)氣阻力限值的風(fēng)險，故采用側(cè)置進(jìn)氣方式。

2) 空濾器位置布置。因該車發(fā)動機(jī)右側(cè)有空調(diào)壓縮機(jī)，所以水箱中冷器橫置布置在左側(cè)，進(jìn)氣系統(tǒng)配合整車總體布置，空濾器布置在發(fā)動機(jī)艙右側(cè)(與渦輪增壓器同側(cè))，以減少管路的長度，控制進(jìn)氣阻力。同時采用從側(cè)圍拆卸空濾器濾芯的布置，以提高空濾器的維修性[8]。

3) 管路布置。空濾器布置右側(cè)，必然從整車右側(cè)側(cè)置進(jìn)氣。與進(jìn)氣格柵焊接的轉(zhuǎn)接箱與空濾器進(jìn)氣口之間采用聚氨酯波紋軟管連接，以吸收兩端的振動和補(bǔ)償安裝誤差。空濾器出口與渦輪增壓器進(jìn)氣口之間采用兩根直角膠管和一根鋼管的連接方式，保證兩管口之間距離最短。

1.3 進(jìn)氣格柵的設(shè)計

為保證發(fā)動機(jī)不吸入樹葉、雜物，不吸入發(fā)動機(jī)機(jī)艙內(nèi)的高溫氣體，不吸入雨水及道路飛濺液體，進(jìn)氣格柵必須布置在離地高度不小于1.2 m的非負(fù)壓區(qū)，同時帶有濾網(wǎng)[8]。進(jìn)氣格柵的有效截面積S應(yīng)不小于空濾器進(jìn)氣口的截面積，如圖2所示，其計算按式(2)：

S=a·b·n

(2)

式中：a、b、n分別為進(jìn)氣格柵的有效長度、有效寬度及數(shù)量。

圖2 進(jìn)氣格柵有效截面積

KL-1920空濾器的進(jìn)氣口直徑為210 mm，所以S要≥π×(210/2)2=34 618.5 mm2，選用我司現(xiàn)有的進(jìn)氣格柵規(guī)格，a=265 mm，b=14 mm，則n=S/(a×b)≥34 618.5/(265×14)=9.33。最終進(jìn)氣格柵尺寸確定為a=265 mm，b=14 mm，n=10。

1.4 轉(zhuǎn)接箱的設(shè)計

為消除進(jìn)氣系統(tǒng)的濕氣，保證發(fā)動機(jī)、空濾器濾芯和進(jìn)氣管路的性能和使用壽命，通常進(jìn)氣格柵與空濾器進(jìn)氣口之間設(shè)計轉(zhuǎn)接箱結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)接箱內(nèi)部任意有效截面積不得小于空濾器進(jìn)氣口的截面積。在條件允許的情況下，轉(zhuǎn)接箱有效截面積≥空濾器進(jìn)氣口截面積×1.2。據(jù)此，該車轉(zhuǎn)接箱有效截面積應(yīng)≥34 618.5 mm2×1.2=41 542.2 mm2。

為保證良好的除濕效果，轉(zhuǎn)接箱出氣口應(yīng)比箱體最低面高50 mm以上，且箱底面應(yīng)設(shè)置為傾斜(靠格柵邊低)，傾斜高低差≥10 mm，并在底面最低點設(shè)置排水口,排水口直徑應(yīng)≥14 mm。轉(zhuǎn)接箱內(nèi)部應(yīng)光滑、清潔，不允許殘留任何雜物；轉(zhuǎn)接箱出氣口朝向應(yīng)保證與空濾器進(jìn)氣口連接時順暢；轉(zhuǎn)接箱體安裝后應(yīng)保證各連接處的密封性。

1.5 管路阻力計算

進(jìn)氣系統(tǒng)氣流阻力損失包括沿程阻力損失和局部阻力損失兩部分[9]。沿程阻力損失與管壁摩擦阻力系數(shù)、管路截面周長、管路長度成正比，與管路截面面積成反比；局部阻力損失是氣流克服邊界急劇改變的區(qū)域造成的局部阻力引起的能量損失，與局部阻力系數(shù)成正比[3]。

該車參考文獻(xiàn)[3]計算該車渦輪增壓器前的管道阻力為1.3 kPa,加上前文提及的空濾器原始進(jìn)氣阻力2.2 kPa，渦輪增壓器前進(jìn)氣阻力總計3.5 kPa，滿足后面表1中的設(shè)計要求。

1.6 進(jìn)氣打鼓聲控制

由于空氣壓縮機(jī)活塞運(yùn)動產(chǎn)生的噪聲以及活塞運(yùn)動引起相應(yīng)的氣缸壓力變化產(chǎn)生的脈動噪聲[10-11]，進(jìn)氣格柵處怠速狀態(tài)時普遍有“咚咚”的打鼓聲[4]。因后置發(fā)動機(jī)客車側(cè)置進(jìn)氣高度與人耳高度相當(dāng)，打鼓聲更為明顯，客戶抱怨很大。該車為新開發(fā)車型，在設(shè)計階段就充分考慮打鼓聲控制。

通過以往進(jìn)氣格柵處怠速噪聲頻譜采集分析，噪聲的峰值頻率分布在120～480 Hz之間。因空壓機(jī)進(jìn)氣口直徑已確定，考慮布置空間的可行性和保證最大的消聲量，最后設(shè)計一款圓形進(jìn)氣消聲器，安裝在空壓機(jī)進(jìn)氣口，如圖3所示。

圖3 進(jìn)氣系統(tǒng)方案示意圖

通過COMSOL軟件仿真分析，見圖4。在120～480 Hz頻率之間，未計權(quán)的消聲量達(dá)20 dB以上。

圖4 進(jìn)氣消聲器仿真分析

1.7 驗證及改善

根據(jù)前文設(shè)計完成該車進(jìn)氣系統(tǒng)(見圖3)及樣車試制后，進(jìn)行進(jìn)氣系統(tǒng)的整車轉(zhuǎn)轂試驗和原地怠速進(jìn)氣噪聲測試。整車轉(zhuǎn)轂試驗測得的進(jìn)氣阻力和進(jìn)氣溫升結(jié)果見表1，滿足設(shè)計要求。未裝進(jìn)氣消聲器時，進(jìn)氣格柵處原地怠速噪聲89.7 dB(A),打鼓聲明顯；裝進(jìn)氣消聲器時為78.8 dB(A)，降低了10.9 dB(A),主觀感受已無打鼓聲異響，達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。

表1 轉(zhuǎn)轂試驗結(jié)論

2 結(jié)束語

后置發(fā)動機(jī)客車根據(jù)以上進(jìn)氣系統(tǒng)開發(fā)流程設(shè)計，并對樣車試驗及改進(jìn)，可以達(dá)到較好的怠速進(jìn)氣聲品質(zhì)的目的，最終實現(xiàn)整車節(jié)能、舒適的新要求。