客车发动机进气系统的设计



客车发动机进气系统的设计

李林林

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

摘要介绍客车发动机用空气滤清器的选型、进气系统原始进气口的设计及空气滤清器的布置方式和进气管路的设计原则等，并指出一些进气系统设计及布置方面的常见错误。

关键词：发动机进气系统设计原始进气口空气滤清器进气管路中冷器

来稿日期：2014-08-29

1　前言

把空气或混合气导入发动机气缸的零部件集合体称为发动机进气系统，主要部件有空气滤清器、空滤器出气管、增压器、中冷器、进气道等。其作用是向发动机提供清洁、干燥、温度适当的空气，并最大限度地降低发动机磨损并保持最佳的发动机性能。空滤器在用户可接受的、合理的保养间隔内应有效地过滤灰尘，并保持进气阻力在规定的限值内。进气系统的布置、安装直接影响到发动机功能的发挥、工作的稳定性、可靠性、环保性，甚至在很大程度上影响发动机的寿命。通常，进气道和连接管路截面积越大，弯曲越少，管壁越光滑，以及空气滤清器额定流量越大，中冷器冷却能力越强，则整个进气系统性能就能越好，发动机性能也好。

2　原始进气口的设计布置要求

图1　原始进气口不能布置在车辆行驶时的负压区

原始进气口位置应尽可能提高，应布置在雨雪和灰尘不易进入的部位。原始进气口之前不应有其他零部件阻挡，也不能布置在车辆行驶时的负压区，见图1。发动机采用前置或后置布置方式，都严禁将空滤器的进气口作为进气系统的原始进气口，见图2。这样会使空气密度下降，影响发动机的功率发挥，并使排放恶化。一般要在空滤器进气口处引出一管路，与进气系统原始进气口相连，从而为进气系统引入温度较低的空气。空气滤清器安装位置不得低于底盘车架大梁上部，以防止车辆在积水路面行驶时通过空气滤清器排尘口直接吸入水[1]。

3　空气滤清器的布置要求

图2　空滤器的进气口不能作为进气系统的原始进气口

空气滤清器要经常进行保养，故空气滤清器要布置在方便保养的部位，便于拆装。连接管道长度不宜过长，尽量采用直管道，减少直弯角数量，以便减少进气阻力。进气系统零部件布置要注意以下情况。

1）图3中由于空滤器盖离门板过近，无法更换空滤滤芯。而在图4的实例中，空滤器到增压器进气口的连接管路在很短的距离内有3个直弯角，导致进气阻力增大。

图3　空滤器盖离门板过近，无法更换空滤滤芯

图4　直弯角过多

2）空气滤清器和管路的安装要保证有足够的离地高度，避免车辆过水道时空气滤清器进水。

3）空气滤清器排尘口应布置在最低部位，且应尽可能远离发动机表面和汽车迎风面，以便灰尘的及时排出。

4）在空气滤清器与进气管路之间增加软连接。

5）空气滤清器保养时必须及时安装空气阻力报警器，避免灰尘从报警器孔进入，直接进入气缸内，造成活塞环和气缸套的早期磨损，见图5。

图5　报警器孔不能漏装空气阻力报警器

6）空气滤清器与排气管、消声器及其它热源距离太近时，应在空气滤清器与热源之间加隔热挡板，否则会导致进气温度偏高，影响发动机性能，参见图6。

7）空气滤清器的原始进气口应尽可能高，并且其截面积是空气滤清器进气管截面积的1.3倍以上，以确保能吸进干净、足量的空气，见图7[2]。

8）空气滤清器不能垂直安装。

图6　空气滤清器与排气管距离太近，应加隔热板

图7　空气滤清器的原始进气口截面积应是空滤器进气管截面积的1.3倍以上

4　空气滤清器的选型

为了整车有一个良好的进气系统，空滤器须经过仔细选择，后置客车目前广泛采用的是干式空滤器，这种滤清器可以有一个预滤装置，使空气产生旋流，通过离心作用分离出大部分尘粒，这些尘粒可以被收集在一个容器中，或连续或间断排出。空滤器的进气量和进气阻力参数由配套厂提供，空滤器的选择可根据发动机对进气量和进气阻力的要求进行选择。干式空气滤清器的选型原则有以下几个方面。

1）确定发动机最大的进气流量。选择空气滤清器要保证有足够的进气流量，特别在风沙、灰土大的地区，要加大空气滤清器的流量，以加大滤芯的使用寿命，减少滤芯更换频次，从而减少发动机的磨损和保证其正常的工作。空滤器的额定流量是发动机标定工况下实测流量（发动机的进气量与空气压缩机的进气量之和）的1.2~1.5倍（一般公路运输车辆取大于等于1.2倍，工程车安全系数取值一般大于等于1.5倍）。

首先，确定发动机额定空气流量QH：

式中，

QH——额定空气流量，m3/h；

Pe——发动机额定功率，kW；

ge——发动机额定功率时的燃油消耗率，g/(kW·h)；

琢——额定额定功率时过量空气系数，增压发动机取2.0，增压中冷发动机取2.1；

A0——燃烧l kg燃油所需的空气量，柴油为14.3；

酌a——空气密度，kg/m3（标准状态下的空气密度为1.200 5 kg/m3）。

其次，确定空气滤清器的额定流量Q。考虑降低进气阻力和维持一定的保养周期，空滤器的流量应该比发动机的额定进气量大1.05~1.3倍。对于空气制动车型，空气滤清器还需要为空气压缩机提供新鲜空气，所以在确定空滤器流量时还需加上空气压缩机排量QI。空气滤清器的额定流量Q由下式算出[3]：

其中，K为储备系数，取1.05~1.3。

2）确定车辆的使用环境。如果车辆使用环境很好，可以选择单级过滤空气滤清器，同时可去掉安全滤芯，这样能有效降低成本。如果车辆使用环境差，为保证滤芯的使用寿命，应采用两级过滤的空气滤清器；如果使用环境很差，就应采用沙漠空气滤清器，有时候还要加上废气引射装置。国内某客车公司客车批量出口到非洲，未考虑到当地恶劣的使用环境，仍采用普通的两级过滤空气滤清器，结果造成很多车辆发动机早期磨损。换上沙漠空气滤清器之后，这一问题很快得到解决。

3）确定空气滤清器的原始过滤效率。这一数值从理论上说是越高越好，但实际上过滤效率高了，进气阻力也相应会加大。所以在目前技术条件下，各企业的空气滤清器原始过滤效率均在99.5%左右。对于两级过滤空气滤清器，还需要对粗滤效率提出要求，一般粗滤效率在80%左右；但如果增加一些分离装置，粗滤效率可达90%。

4）确定容尘量。这一参数反映的是滤芯的使用寿命，容尘量大，寿命就长，滤芯更换周期就长，反之就短。所以在使用环境差的情况下，要使用容尘量大的空气滤清器。

5）确定空气滤清器的原始进气阻力。这一值越小，相应滤芯的更换周期就长。一般发动机厂家对这一参数的要求是2.5 kPa[2]。

5　进气系统进气管路的设计

进气系统进气管路设计要注意以下7点。

1）原始进气口到空气滤清器以及空气滤清器到增压器之间的进气管路刚度必须足够，否则进气管路会被吸扁，造成进气量不足。

2）进气接管使用T型卡箍连接，见图8。如果箍不紧，容易漏气，出现空气不流经空气滤清器的所谓短路的问题。

图8　T型卡箍

3）进气管路是保证发动机得到充足和清洁空气的通道，因此，管道走向要求比较顺，且长度应尽量短，弯度不能过大，否则进气阻力大。进气管路变径要逐渐过渡，不能突变。见图9，图10。

图9　进气管路变径突变

4）增压器的压气机出气口至中冷器、中冷器至发动机之间的连接胶管与金属管之间必须有足够的过盈量，否则会产生漏气。

5）中冷管太长时，中间必须增加支架，否则在车辆行驶过程中中冷管容易脱落，见图10。

图10　进气管连续变径，中冷管太长时必须增加支架

6）对于带增压器的发动机，进气系统的安装及管路布置应保证进入增压器的空气温度与环境温度的差值不高于15℃，否则空气密度下降，影响发动机功率的发挥，并使排放恶化[2]。

7）进气管路尽量贴近车身骨架内壁，预留出必要的管路拆卸空间和工艺误差空间，进气管连接处要完全密封[3]。

6　中冷器的选择

选择中冷器时，主要考虑冷却效率和压力损失。通常先确定发动机的环境温度、标定点和最大扭矩点的最大空气流量、最高增压后空气温度、最高中冷后空气温度、发动机允许的进气温升和允许的中冷器最大压力降等相关参数来进行设计。要考虑最恶劣的工况，特别是风扇转速较低的最大扭矩工况及标定工况时中冷器的状况。中冷器应有足够的散热和迎风面积。一般先用理论计算公式初步确定中冷器的总散热面积，并在此基础上增加10% ~15%的余量以保证发动机在标定工况下出口温度不高于规定值。

中冷器的选用计算步骤如下，分别计算对数平均温差驻Tma、中冷器散热量Qa、中冷器散热面积F、中冷器的正面迎风面积A和中冷效率浊：

式中，

Pe——发动机额定功率，kW：

GK——中冷器进口空气流量，kg/s；

Th1——热端进口（增压后）温度，℃；Th2——热端出口温度（中冷出口），℃；Tc1——冷端进口温度（中冷器前），℃；Tc2——冷端出口温度（中冷后），℃；ka——中冷器传热系数，按照中冷器制造厂商推荐，取29.05～31.32，w/m2；

C——空气比热，取1 004.8 J/(kgoK)；

Ka——储备系数，取1.1~1.15。

在最终选定风扇流量、冷风压降的情况下，车辆行驶全负荷工况时，中冷器的出口温度相对于环境温度的温升不应大于25℃，不同发动机要求可能会不同；中冷器的冷却效率不小于70%，设计完成后要经试验验证[4]。

7　结论

统计表明，发动机的早期磨损、烟大、油耗高、无力等故障，绝大多数情况与汽车进气系统设计不合理有关。为了使汽车进气系统设计布置得更合理，整车厂应在样车装配完成后进行实验测试，确保各项设计指标均能满足发动机制造商提出的要求，同时把存在的问题及时整改。

参考文献

[1]李春荣.浅谈整车进气系统的设计布置[C]. 2007，中国汽车工程学会年会论文集.

[2]刘义智，何健.客车发动机进气系统的设计[J].客车技术与研究，2012（4）.

[3]付本奇，张祥宇，梁荣朝.客车发动机进气系统车身进气部分设计[J].客车技术与研究，2011（3）.

[4]程小平.后置发动机大客车进气系统的设计[J].安徽科技，2011（10）.

Design of Engine Air Intake System for Bus Engine

Li Linlin

（Shanghai Diesel Engine Co., Ltd., Shanghai 200438, China）

Abstract:Selection of air cleaner type and design of initial air inlet of intake system, layout of air cleaner as well as intake pipes for bus engine are introduced, and common errors in intake system design and layout are put forward.

Key words:engine, air intake system design, initial air inlet, air cleaner, air duct, intercooler

作者简介：李林林（1980-），男，工程师，主要研究方向为客车用发动机配套设计。

doi:10.3969/j.issn.1671-0614.2015.01.004