人需要呼吸，汽車也一樣。今天就和小編一起來看看發(fā)動機進氣與排氣系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。
一、 進氣系統(tǒng)的構(gòu)成
發(fā)動機是整車得以行駛的心臟，而進氣系統(tǒng)則是保證發(fā)動機運行的動脈，進氣系統(tǒng)在整車中的布置直接影響到發(fā)動機功能的發(fā)揮、可靠性、環(huán)保性，甚至大大影響著發(fā)動機的壽命。
自然吸氣發(fā)動機進氣系統(tǒng)
渦輪增壓發(fā)動機進氣系統(tǒng)
發(fā)動機進氣系統(tǒng)構(gòu)成如下：
二、 進氣系統(tǒng)設(shè)計要求
1設(shè)計參數(shù)
以某款車型為一款發(fā)動機中置的微車車型為例，該車型所搭載的發(fā)動機主要參數(shù)如下表：
2 空氣濾清器總成計算
1)空氣濾清器總成體積計算
空氣濾清器體積通常計算采用經(jīng)驗性的算法，對于一般的四缸機來說，有如下的經(jīng)驗公式：
W≈(V/N)X(15~20)
其中：
V為發(fā)動機總排量，單位為升(L);
N為缸數(shù)。
2)發(fā)動機定格進氣流量計算
基本公式(最大吸氣法)
其中：
N功率為發(fā)動機最大功率點轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)每分(r/min);
V為發(fā)動機總排量，單位為升(L);
τ為沖程數(shù)，四沖程為2，二沖程為1;
η1為吸氣系數(shù)0.7;
η2為汽缸數(shù)效率，四缸取1.1。
3)濾芯基本特性計算
空氣在進氣管道中的流動因其穩(wěn)定性，相應(yīng)的參數(shù)不隨時間而變化，遵循連續(xù)性方程。單位時間內(nèi)管道通過的氣流流量等于流速與相應(yīng)截面積的乘積，
即Q=VA
其中：
Q為管路中的空氣流量，單位為立方米/秒(m3/s);
A為管路的截面積，單位為平方米(m2);
V為管路中的氣體流速，單位為米/秒(m/s);
4)進氣系統(tǒng)音頻特性計算
低音極限頻率fne
其中：
fne為低音極限頻率，單位為赫茲(Hz);
C為聲速，單位為米/秒(m/s);
S3為進氣導(dǎo)管截面積，單位為平方米(m^2);
L3為進氣導(dǎo)管長度，單位為米(m);
y為空氣濾清器殼體容積，單位為升(L)。
管路共鳴頻率fn
分別計算進氣導(dǎo)管和進氣軟管處共鳴頻率如下式：
其中：
co為聲速，單位為米/秒(m/s);
t為設(shè)定進氣溫度，單位為攝氏度;
l1，l3為管路修正長度，單位為米(m)。
5)進氣導(dǎo)管最小截面積及管徑
其中：
D0為進氣導(dǎo)管直徑，單位為毫米(mm);
n為發(fā)動機額定功率下的轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)每分(r/min);
Vk為發(fā)動機總排量，單位為升(L);
Vc為進氣管路的空氣流動速度，單位為米/秒(m/s)。
進氣導(dǎo)管最小截面積Φ=0.25×2πD0
三、進氣系統(tǒng)的布置要求
據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，發(fā)動機的缸體早期磨損、排放煙大、油耗過高、加速無力等故障，絕大多數(shù)情況都與進氣系統(tǒng)設(shè)計布置不合理有著密切關(guān)系，迸氣系統(tǒng)布置因素在這些問題中的比例約在85%以上。
一般情況下，進氣連接管路截面積越大，彎曲半徑越少，管壁內(nèi)側(cè)面越光滑，空氣濾清器的額定容積越大，則整個進氣系統(tǒng)性能就能越好，進而促使發(fā)動機的性能也更好。
進氣系統(tǒng)在整車布置中的主要從空氣濾清器進氣口位置、空氣濾清器位置、進氣系統(tǒng)管路布置走向等主要因素來衡量。一套良好的進氣系統(tǒng)在整車中一般滿足以下要求：
1. 為避免灰塵和雜質(zhì)通過進氣系統(tǒng)進入發(fā)動機，造成發(fā)動機過早磨損，空氣濾清器進氣口的布置要盡可能的保證水和雪不能順著管路進入進氣系統(tǒng)，倘若有雨水進入進氣系統(tǒng)，在空氣濾清器內(nèi)部應(yīng)設(shè)計排水裝置;
2. 進氣系統(tǒng)的安裝及管路布置應(yīng)保證發(fā)動機迸氣溫度不高于環(huán)境溫度15℃，否則空氣密度下降，影響發(fā)動機的功率發(fā)揮，并使排放惡化;
3. 進氣管路走向盡量避免出現(xiàn)小于直角的折彎，折彎的地方應(yīng)根據(jù)布置空問盡量選大一點的折彎半徑，同時進氣系統(tǒng)各零部件與周邊系統(tǒng)零部件的距離應(yīng)滿足標(biāo)準的最小間隙要求;
4. 當(dāng)發(fā)動機運轉(zhuǎn)工況和環(huán)境條件變化時，進氣效率和空氣過濾效率仍能保證發(fā)動機可靠地工作和維持最佳的進氣量和進氣效率，進氣系統(tǒng)還要具備滿足降低噪聲與減小功率損失的平衡的要求;
5. 制造成本低，使用可靠，壽命長，便于拆裝、維修。
1空氣濾清器及管路的布置、裝配
發(fā)動機中置車型一般的驅(qū)動方式為后輪驅(qū)動，某些超跑鑒于驅(qū)動力等原因更是采用四輪驅(qū)動方式。根據(jù)發(fā)動機位置進行空氣濾清器及管路的布置，同時設(shè)計聯(lián)接及裝配方式，需要滿足以下要求：
1)在安裝空間允許的前提下，適當(dāng)采用大容量和大流量的空氣濾清器是必須的，這有助于減小空氣濾清器的阻力，增大儲塵能力和延長保養(yǎng)周期，同時空氣濾清器本身的消聲效果更明顯;
2)空氣濾清器與消聲器布置太近時，應(yīng)在空氣濾清器與消聲器之間加裝隔熱擋板，否則會造成進氣溫度高，空氣濾清器、進氣管路與周邊系統(tǒng)零部件的距離應(yīng)滿足標(biāo)準的最小間隙要求，并且當(dāng)進氣管路較長時需要設(shè)計固定支撐;
同時，空氣濾清器濾芯屬于易耗零部件，定期需要清理或更換，所以空氣濾清器及進氣管路周圍空間應(yīng)滿足便于拆裝、維修的要求;
3)空氣濾清器與發(fā)動機節(jié)氣門(化油器)之間因存在相對運動，因此需要采用足夠長度的波紋軟管連接，以免在行車過程中進氣管損壞、漏氣、甚至脫落;
4)因空氣濾清器本身類似于一個擴張型的消聲器，起作用時相對固定點會產(chǎn)生大量振動，因此空氣濾清器固定點要采用軟連接以消除振動;
5)進氣管路為空氣流通的通道，在管路布置時，應(yīng)將管路走向設(shè)計的盡量光順，特別是要根據(jù)實際空間盡可能設(shè)計較大的折彎半徑尺寸，以便減少進氣阻力。
2空氣濾清器進氣管口布置
進氣管口位置應(yīng)布置在少塵、少雨水，以及吸不到熱空氣的地方，進氣管應(yīng)設(shè)計的沒有急劇的面積改變。
空氣濾清器進氣管口位置的選擇要考慮以下因素：
1)從噪聲源的角度考慮，進氣系統(tǒng)產(chǎn)生的摩擦噪聲和發(fā)動機的燃燒噪聲，由進氣管口輻射至外部，因此進氣系統(tǒng)的噪聲源頭就是空氣濾清器進氣管口，所以進氣管口要遠離駕駛車廂，使車廂乘員與噪聲源盡可能遠離，這樣隔聲才能最好;
2)避免水、雪、灰塵和雜質(zhì)進入進氣系統(tǒng)，需要注意的是進氣管口位置在整車布置應(yīng)盡量高一些，以防在積水路上面行駛時，通過進氣管口直接吸入水;
3)原始進氣口不能設(shè)在車輛行駛時產(chǎn)生的負壓區(qū)，氣體在進氣系統(tǒng)中運行通暢，進入的氣體溫度要低，應(yīng)避免將發(fā)動機艙內(nèi)的、散熱器排出的熱空氣和發(fā)動機排出的廢氣吸入進氣系統(tǒng);
4)進氣口與進氣控制閥之間的空間。
綜合以上四個因素，空氣濾清器進氣管口安放的位置通常有以下幾種：
四、進氣系統(tǒng)性能要求
進氣系統(tǒng)的性能嚴重影響著發(fā)動機及整車的的性能，進氣系統(tǒng)一方面要供給發(fā)動機足量的、清潔的空氣，保證空氣濾清器及發(fā)動機的正常工作及正常使用壽命之外，另一方面還要確保整個進氣系統(tǒng)在運行過程中有滿足法規(guī)要求、甚至更低的進氣噪聲，以提高整車的舒適性。
而針對進氣系統(tǒng)的這些性能，必須將性能細化至系統(tǒng)內(nèi)各個零部件的技術(shù)要求，在設(shè)計零部件時才能更好的、針對性的具體實施。
1空氣濾清器總成
空氣濾清器除了過濾掉空氣中的灰塵和雜質(zhì)等成分，向發(fā)動機提供滿足使用要求的的清潔空氣，以達到減少氣缸、活塞和活塞環(huán)之間異常磨損的目的，延長發(fā)動機的使用壽命。
同時由于空氣濾清器自身的容積可作為膨脹型消聲器的膨脹腔，其中的濾芯材質(zhì)又是阻性消聲器良好的吸聲材料，因此空氣濾清器本身也是一種進氣消聲器，具有一定降低進氣噪聲的功能。
隨著汽車汽車各項法規(guī)的越加嚴厲與健全，對空氣濾清器所具備的各項性能要求也越來越高，尤其是空氣濾清器的過濾效率、進氣阻力和容塵量等關(guān)鍵性能參數(shù)直接影響發(fā)動機的動力性、燃油經(jīng)濟性、使用可靠性和耐久性等。
1)密封性
空氣濾清器上、下殼體及濾芯裝配成總成后，上、下殼體與濾芯密封條之間的密封應(yīng)密封可靠，在空氣濾清器總成效率性能試驗或試驗室壽命試驗結(jié)束后，立即拆開空氣濾清器總成進行檢查，各處密封部位目測應(yīng)無漏灰痕跡。這項性能是空氣濾清器的首要性能要求，只有密封性能沒有問題的情況下，后續(xù)進行的空氣濾清器容塵量、過濾效率、壽命等性能才有意義。
2)容塵量
空氣濾清器總成的首要作用是過濾掉空氣中的懸浮顆粒，以降低氣缸體、活塞及活塞環(huán)的磨損量。如果空氣濾清器總成無法有效地過濾空氣中的懸浮顆粒，一般情況下會加速氣缸體、活塞及活塞環(huán)的磨損，嚴重的則會造成氣缸拉傷，縮短整個發(fā)動機的使用壽命。
若1g灰塵進入氣缸內(nèi)，可使氣缸上部磨損0.01mm，使活塞磨去0.75g的質(zhì)量，使活塞環(huán)磨去0.009mm。
空氣濾清器布置、安裝于整車動力設(shè)備的進氣系統(tǒng)中，會增大進氣阻力，降低動力設(shè)備的進氣系數(shù)，同時空氣濾清器在使用了一段時間后，空氣濾清器濾芯過濾掉的灰塵質(zhì)量會逐漸增加，空氣濾清器的進氣阻力也隨之顯著增大，其阻力的大小直接關(guān)系到整車動力設(shè)備運行的經(jīng)濟性。
所以，在設(shè)計、開發(fā)空氣濾清器總成前必須提前檢測空氣濾清器總成的原始進氣阻力值和不同容塵量下的阻力值，空氣濾清器的進氣阻力隨著空氣濾清器濾芯容塵量的增加到了規(guī)定要求的阻力時，空氣濾清器所能夠容納的灰塵總質(zhì)量即為空氣濾清器的容塵量或儲灰能力。
對于同一型號的空氣濾清器來說，其儲灰能力越強，說明在相同的工況環(huán)境中進氣阻力達到設(shè)計阻力過程中作用的時間也就越長，空氣濾清器的使用壽命越久，反之，使用壽命就越短。
3)進氣阻力
空濾器的進氣阻力直接影響發(fā)動機的功率和經(jīng)濟性，同時還關(guān)系到空濾器的壽命。發(fā)動機迸氣系統(tǒng)的阻力多由空氣濾清器、進氣管道和氣缸蓋上的進氣門組成。因此在設(shè)計空氣濾清器總成前期，要根據(jù)發(fā)動機的性能參數(shù)以及國家、行業(yè)標(biāo)準確定空氣濾清器的初始進氣阻力。
空氣濾清器總成的阻力嚴重影響著發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性是否滿足要求，發(fā)動機燃燒用的空氣經(jīng)過進氣系統(tǒng)時產(chǎn)生的壓力差用來克服增加氣體的動能以及進氣系統(tǒng)的阻力。實驗證明，如果由于進氣阻力使進氣壓力降低0.1kg/cm2，則發(fā)動機功率將減少1/8。
國家機械行業(yè)標(biāo)準JB/T9755.1-2011《內(nèi)燃機空氣濾清器第1部分：干式空氣濾清器總成技術(shù)條件》中規(guī)定空氣濾清器總成在額定空氣體積流量下，總成的原始阻力應(yīng)符合下表：
某些情況下，需要空氣濾請總成的進氣阻力進行分解測試，因為從理論角度分析，空氣濾清器總成的阻力等于濾芯的阻力與空氣濾清器殼體阻力之和，因此在設(shè)計空氣濾清器總成時，應(yīng)對總體指標(biāo)進行分解，明確分解后的指標(biāo)，如空氣濾清器濾芯的進氣阻力，而國家機械行業(yè)標(biāo)準JB/T9756—2004中規(guī)定了濾芯的空氣濾清器總成在額定空氣體積流量下，濾芯的原始阻力應(yīng)不大于0.30kPa，因此結(jié)合標(biāo)準要求，空濾器總成殼體的阻力值在設(shè)計時要不大于0.9kPa。
4)濾清效率
濾清效率代表了濾芯的除塵能力，濾清效率越高，發(fā)動機受到的異常磨損量就越小。實踐證明，當(dāng)空氣濾清器總成保養(yǎng)不當(dāng)，濾清效率低下時，會使發(fā)動機氣缸體磨損量增大幾倍，大大縮短了發(fā)動機的使用壽命。
尺寸≥10um的顆粒物會對金屬壁面產(chǎn)生磨蝕，而尺寸<10um的顆粒物會在金屬壁面產(chǎn)生積垢，不論是磨蝕還是積垢，都將改變動力設(shè)備進氣通道或葉片的幾何形狀，進而減少壓縮比和降低空氣供給量，最終降低動力設(shè)備的運行效率，有時效率降幅超過10%。
濾清效率的能力判定方法分為絕對濾清器法和直接稱量法，計算方法如下式：
絕對濾清器法：
η=(1-ΔMj/Mf)×100%
直接稱量法：
η=(ΔMg+ΔMc)/Mf×100%
其中：
η為濾清效率(%);
△Mg為試驗件質(zhì)量的增量(g);
△Mc為粗濾器濾出的灰量，或粗濾集灰器質(zhì)量的增量(g);
△Mj為絕對濾清器質(zhì)量的增量(g);
△Mf為加灰量(g)。
5)消聲作用
由于空氣濾清器總成本身就相當(dāng)于發(fā)動機的一個有效進氣消聲器，其殼體、濾芯材料分別起著進氣消聲器膨脹腔及吸聲材料的作用。空氣濾清器和進氣消聲器合為一體的復(fù)合型消聲器，設(shè)計安裝在一些小排量發(fā)動機、增壓發(fā)動機及其它發(fā)動機上，某些發(fā)動機的進氣噪聲值甚至降低了13dB。
21/4波長管
1/4波長管作為旁支消聲器的一種，如下圖所示為在主管上增加安裝的一段封閉的管子。其工作原理，當(dāng)聲波從主管道進入旁支管后，聲波被封閉端反射到主管道，某些頻率的聲波與主管道中同樣頻率的聲波由于相位相反而相互抵消，從而達到消聲的目的。
1/4波長管的傳遞損失為：
其中：
L為1/4波長管的長度;
m為主管截面積與波長管截面積之比。
四分之一波長管共振的頻率為：
從上式可以看出，這種旁支管的頻率只取決于管道的長度，管道越長，頻率越低。1/4波長管對于削弱高頻、窄頻帶噪聲方面具有針對性強、效果明顯的優(yōu)點，是進氣系統(tǒng)降噪常用部件。1/4波長管的安裝受周圍環(huán)境布置的影響，連接管都可以采用直管、彎管或組合的方式。
另外，進氣系統(tǒng)中的連接管管路應(yīng)具備通用的關(guān)鍵技術(shù)條件，即：
1) 管路應(yīng)能承受足夠的負壓條件而不被吸扁，負壓9.8KPa下保壓3min，外形尺寸變化率不大于5%;
2) 該軟管還應(yīng)能在-35℃~120℃下長期使用，有足夠的耐老化能力。
五、排氣系統(tǒng)構(gòu)成
汽車排氣系統(tǒng)是汽車發(fā)動機動力總成的主要部件，它的主要作用是使發(fā)動機排出的廢氣順暢的通過排氣系統(tǒng)，低噪聲、低排放的排入大氣，它的性能好壞直接影響廢氣排放指標(biāo)、整車的舒適性及可操控性，是影響整車的加速性能、排放、NVH等主要因素。
排氣系統(tǒng)構(gòu)成如下：
六、汽車排氣系統(tǒng)的設(shè)計要求
排氣系統(tǒng)的設(shè)計需求信息如下：
1. 汽車發(fā)動機排量、規(guī)格參數(shù)
用于排氣管管徑及消聲器溶劑的設(shè)計計算。
2. 車身、底盤、油箱等數(shù)模
用于確定排氣系統(tǒng)管路走向、消聲器的布置及吊掛位置的初步設(shè)置。
3. 發(fā)動機原始廢氣排放值
用于初步確定三元催化轉(zhuǎn)化器的貴金屬的含量及配方比例。
4.發(fā)動機噪聲頻譜及發(fā)動機GT主模型
用于排氣系統(tǒng)消聲器的結(jié)構(gòu)設(shè)計計算。
七、排氣系統(tǒng)主要部件解析
排氣系統(tǒng)由多個零件組成，主要零部件組成如下：
1發(fā)動機排氣歧管
排氣歧管的功能作用是把發(fā)動機多個發(fā)動機出氣口排出的高溫廢氣，使其氣體流動均勻的匯集到同一管中。
設(shè)計需根據(jù)發(fā)動機各主要參數(shù)及模型，采用一維熱力學(xué)計算選取合適的排氣歧管管徑、各個支管管長、總管的管徑、各個氣缸的歧管如何連接等。由于發(fā)動機艙空間較為緊湊，需根據(jù)發(fā)動機布置的空間合理布置歧管的走向及后法蘭位置、角度等。
滿足各缸之間的排氣順暢及均勻性、排氣背壓小、避免各缸排氣相互干擾，無明顯的回流及渦流現(xiàn)象等，為減少各缸排氣干擾，如4缸發(fā)動機通常點火次序1、3、4、2，可設(shè)計成1-4和2-3支管交匯后入總管或采用相同等長度支管交匯后入總管等，這樣的歧管比較復(fù)雜，基本不存在各缸相互影響的問題。
由于其緊靠發(fā)動機出口，工作溫度在900度以上，為確保其在汽車長期行駛的各種惡劣情況下，排氣歧管不出現(xiàn)漏氣、斷裂的情況。須選用耐高溫性能強的金屬材料，歧管與發(fā)動機之間需要設(shè)計支架支撐連接，降低歧管的震動避免發(fā)生斷裂?？紤]到發(fā)動機倉及歧管周圍的溫度場要求，可在排氣歧管的上下兩側(cè)設(shè)計隔熱罩，采用鍍鋁薄板或成型鋁薄板。
主要工藝采用：整體毛坯鑄造工藝，機械精加工兩端法蘭平面。鑄鐵的歧管結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，性能一般。
2三元催化轉(zhuǎn)化器
催化器本體是三元催化轉(zhuǎn)化器的核心部件，根據(jù)殼體封裝形式主要分為：蚌殼式、旋壓式、扣蓋式等。
三元催化轉(zhuǎn)化器是汽車重要的環(huán)保法規(guī)件，其作用是載體觸媒對發(fā)動機排出的廢氣二次燃燒，促使碳氫化合物(NC)、一氧化碳(CO)及氮氧化合物(NOX)三種主要有害氣體與載體涂覆的貴金屬鉑、銠、鈀(Pt、Pd、Rh)進行氧化、還原反應(yīng)，轉(zhuǎn)化生成H2O水(蒸汽)及二氧化碳CO2等物質(zhì)。其性能指標(biāo)主要有：轉(zhuǎn)化效率、起燃溫度等。
催化器載體觸媒需要根據(jù)執(zhí)行的法規(guī)排放標(biāo)準值、發(fā)動機的排量及初始排放值(CO、NC、NOX)等信息設(shè)計載體規(guī)格及容積、觸媒貴金屬涂敷比例、涂敷量等，并通過發(fā)動機臺架及實車路試等方法對觸媒新鮮、老化狀態(tài)做相關(guān)的排放實驗。
催化器端錐的錐度(≤45°)及形狀對氣體流動均勻性、排氣背壓及催化器反應(yīng)效果有著至關(guān)重要的影響。
現(xiàn)階段的國IV、國V，階段，催化器的位置緊鄰排氣歧管，多采用雙級催化器，觸媒為600、400目陶瓷載體，殼體材料主要為：前級SUS441及后級SUH409L，襯墊采用3M：1101型(非膨脹型)、1443+100型(包邊型)及100型。
3排氣系統(tǒng)冷端
1)排氣系統(tǒng)冷端
排氣系統(tǒng)冷端主要由排氣連接管總成、消聲器總成組成。是汽車主要降低排氣系統(tǒng)排放噪音的功能及法規(guī)件，需要根據(jù)汽車底盤空間位置、發(fā)動機排量及發(fā)動機頻譜等輸入信息，初步設(shè)計排氣連接管、消聲器的布置、數(shù)量、容積及仿真設(shè)計主要結(jié)構(gòu)性形式。
2)消聲器的主要結(jié)構(gòu)工藝形式
為了降低排氣系統(tǒng)振動噪聲及與行駛中的整車的產(chǎn)生共振，通常會在消聲器筒體及隔板強度較弱部位增加加強筋。
為降低消聲器輻射噪聲，可在消聲器筒體外包裹吸音棉及隔熱罩。須通過采用消聲室結(jié)合發(fā)動機臺架及實車路試等方法對排氣系統(tǒng)冷端做相關(guān)的實驗驗證及權(quán)威機構(gòu)的實驗檢測。
排氣系統(tǒng)冷端較長，通過車底盤、橫梁、油箱、傳動軸等部件。
為了避免汽車運行過程中排氣系統(tǒng)與之發(fā)生干涉及碰撞。通常設(shè)計布置排氣系統(tǒng)與這些部件的位置間距不小于50mm，且汽車滿載時排氣系統(tǒng)最低位置處距地面高度需大于整車的最小通過高度，為了減少震動傳遞及制造誤差避免后端處發(fā)生干涉。
設(shè)計時通常會在冷端排氣前法蘭采用球面墊圈彈簧緊固鏈接或靠近前端法蘭處加撓性節(jié)鏈接的方式。
3) 排氣系統(tǒng)的主要材料
八、結(jié)語
隨著催化器凈化效率的提升，汽車使用過程中生成的酸性溶液不斷增多，且容易積存于消聲器中，不易排出，通常在設(shè)計之中會考慮采用出氣管口位置盡可能地布置在靠近低位或采用一小段虹吸管的方式以及在消聲器筒體或端蓋最低處設(shè)計直徑較小的放水孔等方法將減少積水。
進氣與排氣系統(tǒng)需要根據(jù)整車發(fā)動機及汽車底盤等信息，采用合理的結(jié)構(gòu)及布置設(shè)計，選用適合的耐腐蝕好的材料，從而達到整車排放及使用壽命的要求。
（轉(zhuǎn)載）
