進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)I-宋紹超.ppt

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進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 乘用車工程研究一院底盤部動力總成科宋紹超2007 6 14第一版資料保密 進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 一 進(jìn)氣系統(tǒng)簡介二 進(jìn)氣系統(tǒng)主要零部件設(shè)計(jì)三 進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)初步四 進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)詳解五 進(jìn)氣系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)及要點(diǎn) 一 進(jìn)氣系統(tǒng)簡介 進(jìn)氣系統(tǒng)包含了空氣濾清器 空氣流量傳感器 進(jìn)氣軟管 消音裝置 節(jié)流閥體 進(jìn)氣歧管 進(jìn)氣門機(jī)構(gòu)等 是發(fā)動機(jī)的一個重要組成部份 其作用就像人的呼吸系統(tǒng)一樣 給發(fā)動機(jī)提供燃燒所必須的氧氣 一 進(jìn)氣系統(tǒng)簡介 進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖一般的進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如上圖所示 空氣經(jīng)引氣管流入空氣濾清器過濾掉雜質(zhì)后 流過空氣流量傳感器 經(jīng)由進(jìn)氣軟管進(jìn)入進(jìn)氣歧管 與噴油嘴噴出的汽油混合后形成適當(dāng)比例的燃油混合氣 由進(jìn)氣門送入汽缸內(nèi)點(diǎn)火燃燒 產(chǎn)生動力 一 進(jìn)氣系統(tǒng)簡介 進(jìn)氣系統(tǒng)我們目前主要涉及的是節(jié)流閥體前相關(guān)零件的設(shè)計(jì) 其中最重要的為空氣濾清器的設(shè)計(jì) 二 進(jìn)氣系統(tǒng)主要零部件設(shè)計(jì) 空氣濾清器是進(jìn)氣系統(tǒng)中最重要的零件 空濾設(shè)計(jì)的好壞決定了進(jìn)氣系統(tǒng)的整體性能表現(xiàn) 空濾的作用是在滿足空氣吸入量的情況下過濾掉最微小的雜質(zhì)顆粒 保護(hù)發(fā)動機(jī) 不同的地區(qū)因土壤 氣候及道路的情況不同 空氣中含有的塵土等雜質(zhì)成分和含量也有所不同 就其化學(xué)成分來說 多數(shù)是二氧化硅 當(dāng)它們進(jìn)入發(fā)動機(jī)氣缸的摩擦表面時 就會刺破潤滑油膜 加劇發(fā)動機(jī)氣缸的磨損 縮短發(fā)動機(jī)的使用壽命 安裝空氣濾清器能減少氣缸 活塞和活塞環(huán)等零件的磨損 據(jù)有關(guān)資料報道 轎車如不安裝空氣濾清器 氣缸磨損將增加7倍 活塞磨損增加3倍 活塞環(huán)磨損增加8倍 因此 現(xiàn)代汽車發(fā)動機(jī)都在化油器或電噴發(fā)動機(jī)的節(jié)流閥體前部裝有空氣濾清器 另外 優(yōu)質(zhì)空氣濾清器能有效降低發(fā)動機(jī)吸入空氣時的噪音 二 進(jìn)氣系統(tǒng)主要零部件設(shè)計(jì) 1 空濾的布置選擇1 1根據(jù)發(fā)動機(jī)排量估算空濾體積大小美國克萊斯勒公司推薦空濾器為發(fā)動機(jī)排量的2 5倍 日本推薦3 6倍 我們公司設(shè)計(jì)指南上要求空濾體積為發(fā)動機(jī)排量的4 5倍 在可能的情況應(yīng)當(dāng)取上限 加大空濾器的容積 一般取5倍計(jì)算 1 2空濾布置的時候要考慮各種因素 引氣口的布置尤其重要 引氣口處的溫度不應(yīng)過高 不應(yīng)超出環(huán)境溫度15 遠(yuǎn)離排氣高溫區(qū) 引氣口應(yīng)避免水 雪 灰塵和雜質(zhì) 遠(yuǎn)離負(fù)壓區(qū) 集灰區(qū) 甩泥區(qū) 引氣口應(yīng)迎風(fēng) 借助車輛行使速度提高充氣量 引氣口應(yīng)保證氣體在進(jìn)氣系統(tǒng)中運(yùn)行通暢 減小進(jìn)氣阻力 引氣口應(yīng)盡量遠(yuǎn)離車廂 使噪聲源與司機(jī)和乘客間的距離越遠(yuǎn)越好 同時要使進(jìn)氣口聲源與隔聲結(jié)構(gòu)的距離最遠(yuǎn) 這樣隔聲效果會更好 二 進(jìn)氣系統(tǒng)主要零部件設(shè)計(jì) 引氣口常見布置方案1 3預(yù)留空間進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲在開發(fā)初期無法準(zhǔn)確確定 因此諧振腔的設(shè)計(jì)無法確定 一般在布置階段預(yù)留位置 或者布置一兩個在一定范圍內(nèi)可調(diào)頻率的諧振腔或諧振管 用于后期噪聲優(yōu)化 二 進(jìn)氣系統(tǒng)主要零部件設(shè)計(jì) 2 主要性能參數(shù)的選擇與設(shè)計(jì)2 1額定流量的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式Q 0 03nVst c s式中Vst 發(fā)動機(jī)的排量 L n 發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速 r min 通常取常用轉(zhuǎn)速 c 沖氣系數(shù) 四沖程柴油機(jī)在0 75 0 85 增壓機(jī)0 90 1 05 s 掃氣系數(shù) 四沖程增壓柴油機(jī)為1 10 1 30計(jì)算結(jié)果對照公司發(fā)動機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 綜合考慮選定空濾的額定流量2 2原始阻力及壽命選擇新的空氣濾清器的阻力稱為原始阻力 使用過的 達(dá)到保養(yǎng)狀態(tài)時的阻力稱為終了阻力 二 進(jìn)氣系統(tǒng)主要零部件設(shè)計(jì) 原始阻力小于等于1 8KPa 圖紙有規(guī)定按圖紙要求總成試驗(yàn)室壽命 符合下述條件之一者 以先到者為準(zhǔn) 在額定空氣流量下總成原始阻力增加2KPa時 儲灰量一般不得小于額定流量數(shù)值 圖紙有要求的按圖紙執(zhí)行 在額定空氣流量下阻力增加2KPa或?yàn)V清效率下降到90 時 總成壽命應(yīng)不小于4h 一般行駛壽命壽命要求 卡車12000Km 轎車6000 8000Km2 3過濾面積A Q KA為濾紙的面積K為表面流量系數(shù) 通常在0 01 0 035之間 通常國產(chǎn)紙走上限 進(jìn)口紙走下限 在我國的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB T51024中選擇K 0 03 二 進(jìn)氣系統(tǒng)主要零部件設(shè)計(jì) 2 4估算濾芯折數(shù)折高空濾濾芯板可知其長寬規(guī)格 定為a b 濾紙厚度為0 3 1 0之間 節(jié)距大于等于3倍濾紙厚度 節(jié)距是指濾紙折間的距離 選定一值定為t 則最大折數(shù)可算出 定為nn a t考慮到濾紙挺度 一般折高小于等于55mm 定為h 可計(jì)算h A 100 n b 2折數(shù) 折高根據(jù)情況選取 然后演算過濾面積 合適則符合設(shè)計(jì)要求 注意濾紙不可與殼體過近 二 進(jìn)氣系統(tǒng)主要零部件設(shè)計(jì) 2 5容塵量選擇容塵量是指壓力降達(dá)到指定值時 濾清器截獲的粉塵量 JB T51024中規(guī)定合格品 0 6Q一等品 0 8Q公司標(biāo)準(zhǔn) 額定空氣流量下阻力增加2KPa時 儲灰量一般不得小于額定流量的1倍 圖紙有要求的按圖紙執(zhí)行 2 6原始濾清效率選擇在額定空氣體積流量下 總成的原始濾清效率應(yīng)符合表1的規(guī)定 A B A 濾清效率A進(jìn)入濾清器的灰塵B通過濾清器的灰塵 二 進(jìn)氣系統(tǒng)主要零部件設(shè)計(jì) 表1總成原始濾清效率 二 進(jìn)氣系統(tǒng)主要零部件設(shè)計(jì) 2 7進(jìn)氣阻力復(fù)原率總成試驗(yàn)室壽命試驗(yàn)結(jié)束 對濾芯進(jìn)行復(fù)原性處理后 總成的進(jìn)氣阻力復(fù)原率應(yīng)大于85 2 8密封性總成各密封部位應(yīng)密封可靠 在濾清效率試驗(yàn)或總成試驗(yàn)室壽命試驗(yàn)結(jié)束后 立即拆開檢查 總成各密封部位不允許有漏灰痕跡 二 進(jìn)氣系統(tǒng)主要零部件設(shè)計(jì) 3 材料及外觀3 1材料 空氣濾清器材料主要有PP6或PP10 3 2外觀總成外表面應(yīng)無明顯的傷痕 磕碰 拉毛和毛剌等缺陷 涂 鍍層應(yīng)無裂紋 脫落 流掛 露底等缺陷 三 進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)初步 1 聲學(xué)設(shè)計(jì)概述進(jìn)氣系統(tǒng)的噪聲是汽車最主要的噪聲源之一 其噪聲主要是指進(jìn)氣口處的噪聲 這個噪聲源離車廂的距離很近 所以對車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)非常大 同時 進(jìn)氣口噪聲也是汽車最主要的通過噪聲源 另外 如果空氣濾清器和消音元件的剛度不足 就會引起很大的輻射噪聲 因此從整車的NVH性能角度考慮 進(jìn)氣系統(tǒng)的聲學(xué)設(shè)計(jì)意義重大 進(jìn)氣系統(tǒng)消聲元件包括擴(kuò)張消音器和旁支消音器 空氣濾清器除了過濾空氣外 還起到擴(kuò)張消音器的功能 旁支消音器包括赫爾姆茲消音器和四分之一波長管 三 進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)初步 2 空氣濾清器 擴(kuò)張消音器 的聲學(xué)分析空氣濾清器相當(dāng)于一個擴(kuò)張消音器 其容積大小和尺寸決定了傳遞損失和中心頻率 2 1空濾容積濾清器的容積達(dá)到發(fā)動機(jī)容積的五倍以上 就能達(dá)到良好的消音效果 一般來說 容積越大消音效果就越好 但受前倉空間的限制 空濾不可能做的非常大 因此消音效果受到限制 2 2空濾插入管空氣濾清器相當(dāng)于一個擴(kuò)張消音器 影響其傳遞損失的因素有兩個 擴(kuò)張比m和濾清器的長度L 擴(kuò)張比越大越好 有兩種辦法提高擴(kuò)張比 一是減小管道的尺寸 二是增加濾清器的截面積 減小管道尺寸會使得功率損失增加 而增加濾清器的截面積又受到安裝空間的限制 將進(jìn)入管和輸出管插入到濾清器中也可以提高濾清器的傳遞損失 三 進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)初步 傳遞損失可以用以下公式來表達(dá) 三 進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)初步 假設(shè)只考慮進(jìn)入管插入即這時的傳遞損失簡化為 管道插入后 傳遞損失增加 而且在某個頻率處出現(xiàn)了一個峰值 當(dāng)時傳遞損失達(dá)到最大值 對應(yīng)的頻率為即插入長度正好是波長的四分之一 也就是說進(jìn)入管 三 進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)初步 插入到濾清器中后 就相當(dāng)于在系統(tǒng)中加入了一個四分之一波長管 利用這個插入管 就可以調(diào)節(jié)某些頻率下的傳遞損失 插入管大大地提高了插入損失 但是濾清器內(nèi)有過濾網(wǎng) 這樣插入長度往往受到限制 另一方面 插入管會帶來較大的功率損失 其損失值比減小管道直徑帶來的損失還要大 所以是否采用這種插入管 要權(quán)衡傳遞損失和功率損失 三 進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)初步 3 旁支消音器聲學(xué)分析進(jìn)氣系統(tǒng)的共振消音器有赫爾姆茲消音器和四分之一波長管 這兩種消音器的目的都是消除窄頻帶的噪聲 但是赫爾姆茲消音器的消音頻帶比四分之一波長管要寬 所以赫爾姆茲消音器比四分之一波長管顯得更重要 赫爾姆茲消音器一般是用來消除低頻噪聲 而四分之一波長管用來消除高頻噪聲 如果要用四分之一波長管來消除低頻噪聲 那么波長管必須做得很長 但是太長的管道很難安裝 3 1進(jìn)氣系統(tǒng)中 低頻噪聲成分往往非常大 而控制低頻要采用赫爾姆茲消音器 所以在汽車設(shè)計(jì)初期 要盡可能地給進(jìn)氣系統(tǒng)留出較大空間 以便安裝赫爾姆茲消音器 一般來講赫爾姆茲消音器不能安裝在空氣濾清器上 三 進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)初步 諧振腔式消聲器諧振頻率計(jì)算公式 如下圖 其中 C 為空氣中的音速L 接管長度S 接管平均斷面積V 諧振腔的容積f 諧振頻率有上面公式 即可以確定諧振腔的方案 關(guān)于諧振腔計(jì)算有表 諧振腔計(jì)算公式 f C 2 S L V 1 2 三 進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)初步 3 2四分之一波長管是安裝在主管道上的一個封閉的管子 如下面圖所示 聲波從主管道進(jìn)入旁支管后 聲波被封閉端反射回到主管 某些頻率的聲波與主管中同樣頻率的聲波由于相位相反而相互抵消 從而達(dá)到消音目的 三 進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)初步 這個旁支管的傳遞損失為 式中L是四分之一波長管的長度 而m是主管截面積與波長管截面積的比值當(dāng) n 1 2 3 時 傳遞損失達(dá)到最大 旁支管長為 四分之一波長管共振的頻率為 三 進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)初步 旁支管的頻率只取決于管道的長度 管道越長 頻率越低 從上式知道 影響四分之一波長管傳遞損失的參數(shù)有兩個 一個是旁支管的截面積與主管截面積的比值m 另一個是波長管的長度 四分之一波長管的一端是開口的 一端是封閉的 在開口處的聲波會象活塞一樣運(yùn)動 存在輻射聲阻抗 因此管道的實(shí)際工作長度增加 需要對開口端進(jìn)行修正 對四分之一波長管來說 主管的管壁相當(dāng)于法蘭 於是四分之一波長管的實(shí)際長度應(yīng)該為 式中和分別是實(shí)際長度和計(jì)算長度 修正頻率為