【技研】发动机进气系统设计基础

一、发动机进气系统的作用

         进气系统的主要功用是为发动机输送清洁、干燥、充足而稳定的空气以满足发动机的需求，避免空气中杂质及大颗粒粉尘进入发动机燃烧室造成发动机异常磨损。进气系统的另一个重要功能是降低噪声，进气噪声不仅影响整车通过噪声，而且影响车内噪声，这对乘车舒适性有着很大的影响。进气系统设计的好坏直接影响到发动机的功率及噪声品质，关系到整车的乘坐舒适性。合理设计消声元件可降低子系统噪声，进而提升整车NVH性能。

二、发动机机的类型及气体流向 

        ①：自然吸气发动机

               进气口——空气滤清器——进气管——加热器——进气歧管

        ②：增压发动机

               进气口——空气滤清器——进气管——增压器——出气管——进气歧管

        ③：增压中冷发动机

               进气口——空气滤清器——增压器进气管——增压器——增压器出气管——中冷器进气管——中冷器——中冷器出气管——发动机进气管——加热器——进气歧管

三、发动机进气系统设计要求

         ①：进气口的安装应防止吸入雨、雪或者发动机的排气；

         ②：进气口应避开机舱的负压区，集灰区，甩泥区。卡车空滤进口应尽量升高，放在驾驶室顶部，以降低吸入空气的含尘浓度，空气灰尘浓度与地面距离高度三次方成反比；

         ③：进气系统的安装及管路布置应保证发动机进气温度按下文的规定；

         ④：系统最大进气阻力对自然吸气、增压和增压中冷发动机按下文的规定；

         ⑤：空气滤清器至发动机进气口之间的管子应减少接口数量，接口卡箍沿管壁360º密封；

         ⑥：空气滤清器安装应易于拆卸和保养。

四、发动机进气系统基本参数和间隙

         ①：进气阻力对自然吸气发动机不超过5kPa（发动机在最大进气流量条件下，从进气口（进风口）到增压器进气口）≤5kPa；对增压和增压中冷发动机不超过6kPa。空滤器的初始阻力≤2.5kPa，空滤器的最大阻力≤4kPa；

          ②：进气口（进风口）温度≤环境温度＋15°C，对增压中冷中冷后理想进气温度≤50°C，在额定流量下中冷器的压力降应不超过12.8 kPa；

          ③：无相对运动的零件间隙——金属件与金属件间隙≥0，非金属件与非金属件间隙≥5mm，金属件与非金属件间隙≥5mm；

           ④：有相对运动的零件间隙——小型和轻型车金属件与金属件≥15mm, 金属件与非属件≥15mm, 非金属件与非属件≥15mm,胶管与高温件之间的间隙≥60mm； 中、重型车金属件与金属件≥20mm, 金属件与非属件≥30mm, 非金属件与非属件≥30mm，胶管与高温件之间的间隙≥60mm。

五、空气滤清器的作用

        过滤空气中的灰尘和颗粒，避免进入发动机造成发动机的磨损，从而提高发动机的经济性和动力性，经统计显示，机动车和工程机械发动机的早期磨损，70%与空气滤清器有关，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。

六、空气滤清器的布置

         ①：进口处的空气温度不应超过环境温度15℃，进气温度过高会降低发动机充气效率，进口方向迎风是必要的，迎风进气口会提高进气量；

         ②：进气口位置应避免吸入雨、雪及发动机排出的废气；

         ③：进气口应避免选在机舱的负压区、集灰区及甩泥区，在允许的条件下应尽量提高；

         ④：进气口的金属管路内壁不允许喷漆、不允许生锈；

         ⑤：空气滤清器壳体和连通管路应避免气流产生急转弯，并使气体通过滤芯全面积，管路尽量减少接口数量，接口卡箍用薄钢片式或线钢丝式，沿圆周360°密封；

         ⑥：进气口还要满足整车涉水要求，尽可能提高涉水高度，以提高车辆销售竞争力。根据克莱斯勒公司的涉水试验要求是：轿车车辆以16Km/h车速通过27.9cm 的水深，空滤不能积水；SUV 车辆以16Km/h 车速通过48.3cm的水深，空滤不能积水。

七、空气滤清的要求 

         ①：空气滤清器额定流量应满足车型要求；

         ②：在额定空气体积流量下，空气滤清器原始进气阻力应符合下表要求：

         ③：在额定空气体积流量下，空气滤清器原始滤清效率应符合下表要求：

         ④：在额定空气体积流量下，空气滤清器预率效率应符合下表要求：

         ⑤：在额定空气体积流量下，当总成达到试验终止条件：进气阻力达到6 kPa或压力增量为2 kPa时，总成试验寿命应符合下表要求：

           ⑥： 在额定空气体积流量下，试验室寿命结束后，滤芯容尘量应符合下表要求：

           ⑦：密封性——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；完成耐久试验后进行泄漏量测试，对空气滤清器施加一定负压值（汽油车推荐7Kpa，柴油车推荐12Kpa），测试时间不小于10min，泄露量不大于100L/h；

            ⑧：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%；

            ⑨：对总成进行-40℃～100℃冷热循环试验，20 个循环结束后，不允许出现开裂、变形等缺陷；

            ⑩：将总成放置在-40℃±3℃的低温环境中4h，并用500g 金属球从500mm 处对试验件进行冲击，不允许出现开裂、变形等缺陷。

八、进气管的作用

         空器滤清器的进气端，降低气体由于负压引起的进气波动，为了消除噪声的需要，进气管进气端可以设计成异形，但必须保证引气管截面积不能突变，否则会增加进气阻力。

九、谐振腔的作用

         加快进气流速，降低进气噪声，可以布置在进气管前端或是空气滤清器的后段，谐振腔的形状、布置位置及容积大小的设计需经数字模拟计算和噪声的频谱分析，一般在设计时谐振腔的外形、布置位置及结构可参考标杆车设计。

十、中冷器的作用及设计要求

          利用冷却空气或冷却水把经过涡轮增压后的高温增压空气冷却下来 ，从而达到降低发动机的燃油消耗，提高发动机的比功率，提高发动机动力性的目的。

          ①：中冷器与散热器不能互相遮挡芯部，见下图：

          ②：在发动机的标定工况下, 中冷器的压力降应不超过8kPa；

          ③：在发动机的标定工况下, 中冷器的出口空气相对于周围环境的温升应不大于25℃；

          ④：中冷器的出口空气相对于周围环境的温升，应通过整车的热平衡试验确定；

          ⑤：热侧密封性试验——中冷器热侧应密封，经不低于350KPa的气压试验，历时1min不得出现泄漏；

          ⑥：耐振性能试验——中冷器内部充满工作介质，按工作时的安装方式固定在振动试验台上，以40 m/s 2 的加速度，在20Hz、30Hz、40Hz、50Hz频率下各振动3h，共振动12小时，

振动方向为垂直向下，完成12小时振动后不允许出现泄漏和零件损坏。

           ⑦：耐压力脉冲性能——对中冷器热空气腔施加从50KPa以下上升到350KPa的交变压力，压力交变周期为3s～6s，中冷器经2×10 4 压力循环后，不允许出现漏气和变形现象。

           ⑧：耐热冲击性——中冷器经3000次170℃→20℃→170℃温度交变循环后，不允许出现泄漏和零件损坏

           ⑨：静压强度试验——对中冷器内腔施加500kpa静压，历时5min，不允许出现泄漏和永久性变形

十一、进气管路的布置要求

           ①：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。

           ②：在空滤器到发动机之间必须使用波纹胶管，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

           ③：波纹橡胶管与硬管接头应为过盈配合连接；插入橡胶管的长度确保在50 mm 左右，并使用平板带式卡箍紧固胶管；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。

           ④：中冷器的管路布置应简洁，固定牢靠，并尽量减少方向的改变；中冷系统管路安装应不会因其自重或相应的运动使进气岐管和增压器承受各种应力；管口之间的联接必须采用耐热耐压橡胶管，应能耐高温250 ℃和高压400 kPa 以上，推荐采用夹布硅胶或硅胶编织管；刚性管口之间的间隙推荐20 mm-1/2 管径；金属管插入橡胶管的长度确保在50 mm 以上，并使用平板带式卡箍紧固胶管,绝对不允许管路中存在任何漏气现象。

           ⑤：中冷器和联接管路的清洁度对柴油机至关重要，整个中冷系统所有零部件所含杂质的总和不得超过90 mg，且杂质颗粒最大不得超过1.6 μm。

          ⑥：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。