后置客車進氣系統(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)

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

1 進氣系統(tǒng)開發(fā)流程

進氣系統(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)動機提供清潔、干燥、溫度適當、阻力合理的空氣，以最大限度地降低發(fā)動機的磨損并保持發(fā)動機的最佳性能[1-2]。另外,保證車輛怠速狀態(tài)進氣格柵處有良好的聲品質(zhì)[3]。后置發(fā)動機客車進氣系統(tǒng)指的是發(fā)動機增壓器前的進氣系統(tǒng)，包括車身進氣格柵、轉(zhuǎn)接箱、進氣波紋管、空濾器和空濾后管路[4]。

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

圖1 進氣系統(tǒng)開發(fā)流程圖

1.1 空濾器的選型

增壓柴油機的空濾器額定流量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。同時考慮空壓機與發(fā)動機共用空濾器，該車空壓機進氣流量為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)的空濾器原始進氣阻力為2.2 kPa。因渦輪增壓器前進氣阻力為空濾器原始進氣阻力與各管道阻力之和，所以空濾器更小的原始進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) 進氣方式的選擇。從整車燃油經(jīng)濟性考慮，在怠速和低速時側(cè)置進氣明顯優(yōu)于頂置進氣，而在高速時頂置進氣則優(yōu)于側(cè)置進氣[7]。因該車定位于市內(nèi)通勤車，車速一般不會超過100 km/h，同時頂置進氣由于管道較長，進氣阻力較大，存在可能無法滿足進氣阻力限值的風險，故采用側(cè)置進氣方式。

2) 空濾器位置布置。因該車發(fā)動機右側(cè)有空調(diào)壓縮機，所以水箱中冷器橫置布置在左側(cè)，進氣系統(tǒng)配合整車總體布置，空濾器布置在發(fā)動機艙右側(cè)(與渦輪增壓器同側(cè))，以減少管路的長度，控制進氣阻力。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?？諡V器布置右側(cè)，必然從整車右側(cè)側(cè)置進氣。與進氣格柵焊接的轉(zhuǎn)接箱與空濾器進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償安裝誤差。空濾器出口與渦輪增壓器進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 進氣格柵的設(shè)計

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

S=a·b·n

(2)

式中：a、b、n分別為進氣格柵的有效長度、有效寬度及數(shù)量。

圖2 進氣格柵有效截面積

KL-1920空濾器的進氣口直徑為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

為消除進氣系統(tǒng)的濕氣，保證發(fā)動機、空濾器濾芯和進氣管路的性能和使用壽命，通常進氣格柵與空濾器進氣口之間設(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[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氣阻力2.2 kPa，渦輪增壓器前進氣阻力總計3.5 kPa，滿足后面表1中的設(shè)計要求。

1.6 進氣打鼓聲控制

由于空氣壓縮機活塞運動產(chǎn)生的噪聲以及活塞運動引起相應(yīng)的氣缸壓力變化產(chǎn)生的脈動噪聲[10-11]，進氣格柵處怠速狀態(tài)時普遍有“咚咚”的打鼓聲[4]。因后置發(fā)動機客車側(cè)置進氣高度與人耳高度相當，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。因空壓機進氣口直徑已確定，考慮布置空間的可行性和保證最大的消聲量，最后設(shè)計一款圓形進氣消聲器，安裝在空壓機進氣口，如圖3所示。

圖3 進氣系統(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20 dB以上。

圖4 進氣消聲器仿真分析

1.7 驗證及改善

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

表1 轉(zhuǎn)轂試驗結(jié)論

2 結(jié)束語

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