客車進氣口頂置式進氣道設計

韓甜峰

客車進氣口頂置式進氣道設計

韓甜峰

廈門金龍旅行車有限公司

本文詳細闡述了XML6126J33車型進氣口頂置式進氣道的設計及優(yōu)化過程。結(jié)合氣體動力學原理，應用UGS NX6.0軟件進行曲面設計，最終達到了降低進氣阻力的目的。

客車；頂進氣；氣體動力學；進氣道設計；曲面設計

XML6126J33車型為廈門金龍旅行車有限公司生產(chǎn)的發(fā)動機后置式12m級豪華客車，發(fā)動機型號為F2CE0681B* B052，功率為380 kW。

后置發(fā)動機客車的進氣方式大致可以分為側(cè)面進氣和頂上進氣2種，頂上進氣的優(yōu)點是保證了進氣的純凈，最大程度地避免了道路污水和灰塵等的侵入，在一定程度上提高了車輛的通過性，改善了發(fā)動機的工作環(huán)境。缺點是進氣道過長，如果設計不合理，會增大進氣阻力，嚴重時滿足不了發(fā)動機的進氣量需求。

為了保證發(fā)動機在用戶手中以最經(jīng)濟、最優(yōu)性能、持久可靠地運行，并為設計持續(xù)改進提供依據(jù)，需要對新車型的發(fā)動機搭載安裝進行試驗評審。XML6126J33車型第一臺樣車的發(fā)動機搭載試驗在廈門至龍巖高速公路上進行。試驗依據(jù)為《上菲紅發(fā)動機搭載技術協(xié)議》和廈門金龍旅行車有限公司企業(yè)標準《302-發(fā)動機搭載試驗方法和限值》。本次試驗對進氣阻力進行了測試，實測結(jié)果如表1所示。

表1 第一次試驗數(shù)據(jù)

試驗結(jié)果表明發(fā)動機在爬坡行駛和加速行駛2種工況下進氣阻力過大，這會導致發(fā)動機功率下降，油耗增大。

1 分析過程

此發(fā)動機為大馬力增壓發(fā)動機，各個工況所需的進氣量很大，該車型的頂進氣道沿用自其他車型，可能滿足不了要求。具體分析如下：

（1）進氣道不流暢，阻力過大；

（2）進氣口尺寸太小，進氣量不夠；

（3）由于壓力傳感器安裝在空濾器之后，懷疑空濾器本身阻力大。

空濾器為外購件，同一批次差別不會很大，所以即使更換也不會有很大改善；而且此空濾器的容量已經(jīng)足夠滿足要求。因此需要重新設計進氣道。

2 原理設計

原進氣道折彎過多，存在截面突變。如圖1所示：

圖1 原有進氣道

根據(jù)氣體動力學可知，氣體在管道內(nèi)的流動既有沿程損失又有局部損失[1]。沿程損失是不可避免的，管道越長，沿程損失就越大。而局部損失可以通過控制管道形狀來減小。引起局部損失的原因主要有：

（1）截面突然變化。氣體在管道突然擴張?zhí)幉豢赡荞R上貼附于壁面，而是在拐角的尖點處離開壁面形成一系列旋渦，由于摩擦作用，一部分機械能不可逆轉(zhuǎn)地轉(zhuǎn)換成熱能；

（2）氣流方向急劇變化。氣體在彎曲管道內(nèi)流動，由于流線發(fā)生彎曲，氣體在向心力的作用下形成壓強差，這樣氣體在管內(nèi)形成螺旋狀的交替流動，從而消耗掉一部分機械能。

綜上所述，碰撞和旋渦是產(chǎn)生局部損失的主要原因，也是導致阻力增大的主要原因。

因此，為了進氣流暢，應盡量減少進氣道截面突變，并用易成型材料（如玻璃鋼）做成流線型。

3 造型設計

在已有車身骨架模型的基礎上，應用UG樣條曲線工具進行管道走向布置，主要考慮如何在狹小的車身骨架間隙內(nèi)通過。如圖2所示：

圖2 邊界簡化模型

選取合適截面?？蛙囘M氣道大部分為鐵制件，少數(shù)有簡易模具，很少采用精密模具加工，更不會像轎車進氣道那樣復雜。因此，進氣道截面形狀要盡量簡單，方便制造。由于現(xiàn)有進氣道截面為直徑130 mm的圓形截面，面積為：

為了增大截面面積，將截面拉成近似橢圓形，實際上由2個半徑為65的半圓加一個長方形構(gòu)成，面積為：

改進后比之前面積增大49%。受頂進氣罩形狀所限，已接近極限尺寸。

應用掃掠工具，在關鍵位置控制截面方向，結(jié)果如圖3、4所示。

圖3 管道截面扭轉(zhuǎn)

圖4 后視圖

一般進氣道都有至少一個諧振腔，為了穩(wěn)定氣流，減小進氣噪聲[2]。原進氣道，也有一個封箱，起到諧振腔和除濕的作用。因此等截面掃描后的管道不能滿足要求，需要考慮變截面方案。

根據(jù)氣體動力學可知，管道截面積變化對氣流參數(shù)是有影響的[1]。對于亞聲速氣流，在收縮形管道中，速度和馬赫數(shù)增大，壓強、密度和溫度減小；在擴張形管道中，速度和馬赫數(shù)減小，壓強、密度和溫度增加。為了達到使氣流加速的效果，管道必然有收縮段；為了達到集氣的作用，管道必然有擴張段，又由氣體動力學可知，管道擴張角為6°～12°時能量損失最小?？紤]車身骨架空間的限制，決定采用兩級擴張的方案，并控制管道中任意一處截面面積均大于進口截面。應用UG造型工具，根據(jù)車身骨架的約束，經(jīng)過多次調(diào)整后，結(jié)果如圖5所示：

圖5 盡可能充分利用有限空間

進氣過程氣流狀態(tài)為：由大氣進入進氣道（加速、冷卻）——進入擴張段（減速、穩(wěn)定、增壓）——進入收縮段（加速、冷卻）——進入最后擴張段（減速、增壓、水汽凝結(jié)）——進入空濾器。

考慮安裝方便，管道分上下兩段，對接處用泡沫膠密封。最終方案如圖6所示：

圖6 采用自攻釘固定在車身骨架上

上文已經(jīng)提到，沿程損失是不可避免的，而且隨管道長度增加而增大?，F(xiàn)在管道比較長，似乎應該計算一下具體值，以便優(yōu)化。但是，客車行業(yè)現(xiàn)有的技術與工藝不允許我們過多關注沿程損失的具體值，我們能做的只是盡量減小其損失，落實到制造上就是盡量降低管壁的摩擦系數(shù)[1]。

4 加工制造

由于客車進氣道裝車后一般不拆卸，隱藏在車身內(nèi)部，因此對表面美觀度無要求，但是為了進氣流暢，內(nèi)壁要光滑?？紤]到此進氣道形狀復雜，決定采用玻璃鋼[3]制造，內(nèi)壁要求光滑。

玻璃鋼是由玻璃纖維增強的塑料基復合材料，其強度相當于鋼材，擁有像玻璃那樣具有耐腐蝕、絕緣、隔熱和易成型等優(yōu)點。其成本也十分低廉。

委托廈門當?shù)匾患也Ａт摷庸S開模，并加工出產(chǎn)品，然后拆卸原有進氣道，換裝新開發(fā)的進氣道。這是一個協(xié)同性要求很高的過程。

5 二次試驗

更換進氣道后，再次進行發(fā)動機搭載試驗。試驗過程中，據(jù)駕駛員反應：可以明顯感覺到發(fā)動機加速有力，反應迅速。試驗結(jié)果符合要求，如表2所示。

表2 第二次試驗數(shù)據(jù)

采用重新設計的進氣道之后，大大降低了發(fā)動機的進氣阻力，使得發(fā)動機的功率得到自由釋放。相信改進之后，發(fā)動機的排放和油耗也會得到改善?？磥恚@次設計不僅僅是一項技術革新，更是對節(jié)能環(huán)保呼聲的一次響應。

[1] 王新月.氣體動力學基礎[M].西安：西北工業(yè)大學出版社,2006.

[2] 陳南.汽車振動與噪聲控制[M].北京：人民交通出版社,2005.

[3] 鄒寧宇.玻璃鋼制品手工成型工藝[M].北京：化學工業(yè)出版社,2006.

Design of Overhead Air Intake Type Inlet for Passenger Buses

Han Tianfeng

(Xiamen King Long Van Co., Ltd., Xiamen 361022, China)

The design and optimization process of overhead air intake type inlet of XML6126J33 bus were expounded. Combined with gas dynamics, the UGS NX6.0 software was employed to design the curved surface to achieve the goal of reducing intake resistance.

bus; overhead air intake; gas dynamics; inlet design; curved surface design