发动机进气系统作业指导

发动机进气系统设计作业指导书 发动机进气系统设计作业指导书 编制 日期 审核 日期 批准 日期 发布日期 年 月 日 实施日期 年 月 日 发布日期 年 月 日 实施日期 年 月 日 前前 言言 为使本中心进气系统设计设计规范化 参考国内外汽车设计的技术规范 结 合公司标准和已开发车型的经验 编制本作业指导书 意在对本公司设计人员在 设计过程中起到一种指导操作的作用 让一些相关设计经验不够丰富的员工有所 依据 提高设计的效率和成效 本作业指导书将在本中心所有车型开发设计中贯 彻 并在实践中进一步提高完善 本标准于 201X 年 XX 月 XX 日起实施 本标准由 研究院第五中心提出 本标准由 技术标准分院负责归口管理 本标准主要起草人 目 录 目 录 一 进气系概述 4一 进气系概述 4 1 1 进气系功能概述 4 1 2 进气系构成 4 1 3 主要零部件介绍 5 二 进气系的设计流程 8二 进气系的设计流程 8 2 1 进气系的设计主要流程及输出内容 8 2 2 进气系统的设计要求 10 2 3 进气系统数模的构建 15 2 4 设计参考文件及标准 15 三 进气系统的设计过程 15三 进气系统的设计过程 15 3 1 设计输入及标杆对比 16 3 2 系统设计方案 18 3 3 厂家分析 19 3 4 参数设计计算 21 3 5 技术文件的编制 21 3 6 输出内容检查项目 错误 未定义书签 错误 未定义书签 四 试制装车及生产中经常出现的问题 22四 试制装车及生产中经常出现的问题 22 五 参考文献 23五 参考文献 23 一 进气系概述 1 1 进气系功能概述 一 进气系概述 1 1 进气系功能概述 进气系统主要作用是降低噪声 为发动机提供充足新鲜的空气 对于增压 型发动机 需要增加中冷系统 其作用对发动机涡轮增压后的热空气进行强制冷 却 1 2 进气系构成 1 2 进气系构成 进气系统包括引气管 谐振腔 空气滤清器 进气软管 曲轴箱通风管以 及发动机总成所附带的进气歧管 进气门机构等 对于增压型发动机 进气系统 除包括传统意义上的进气系统组件 还包括中冷器 中冷器进出气管以及压力温 度传感器等组件 下面以 JZ08 和 JZ16 车型为例 分别以自然吸气式发动机和增 压型发动机进气系构成 图 1 自然吸气式发动机 JZ08 进气系统 引气管 空气滤清器 曲轴箱通风管 进气软管 空滤安装支架 谐振腔 图 2 增压型发动机 JZ16 进气系统 1 3 主要零部件介绍 1 3 1 空气滤清器 1 3 主要零部件介绍 1 3 1 空气滤清器 空气滤清器总成的作用 保护发动机 滤除空气中的硬质灰尘颗粒 向发动 机提供清洁空气 防止灰尘造成发动机磨损 对发动机的可靠性和耐久性起关键 作用 空气滤清器一般由空气滤清器下壳体 空气滤清器滤芯 空气滤清器上壳体 组成 空滤壳体的主要作用是 支撑 安装与连接 由于注塑加工的种种便利 空 滤器的壳体越来越多的采用了注塑件 为满足空滤器产品的使用需要 要求壳 体具有良好的强度 刚性 柔韧性 用于加工塑料壳体的原材料主要是改性聚 丙烯 空滤芯是空滤器的核心部件 空滤器的过滤功能主要由它来完成 因此 过 滤材料的选用是关键 目前 常用有两类 空滤纸和无纺布 中冷器总成 中冷器进气硬管 中冷器出气管 压力温度传感器 旁通阀 空滤的常见外形 见图 3 图 3 空滤的常见外形 1 3 2 引气管总成 1 3 2 引气管总成 引气管作用 空滤的引气端 降低气体由于负压引起的进气波动 为了消除噪声的需要 引气管引气端可以设计成异形 结构见图 4 但必 须保证引气管截面积不能突变 否则会增加进气阻力 图 4 异型结构引气管 1 3 3 谐振腔 1 3 3 谐振腔 谐振腔的作用 加快进气流速 降低进气噪声 谐振腔一般布置在引气管端 见图 5 当前段无法布置时 部分可以布置 在空滤后段 谐振腔的形状 布置位置及容积大小的设计需经数字模拟计算和噪声的频 谱分析 一般在设计时谐振腔的外形 布置位置及结构可参考标杆车设计 异型 图 5 谐振腔 布置于引气管端 1 3 4 中冷器 1 3 4 中冷器 中冷器的工作原理 见图 6 图 6 中冷器工作原理示意图 中冷器的作用 利用冷却空气或冷却水把经过涡轮增压后的高温增压空气 冷却下来 从而达到降低发动机的燃油消耗 提高发动机的比功率 提高发 动机动力性的目的 中冷器应能在温度和压力循环变化的环境中保持其强度并提供足够耐久 性 一般使用铸铝气室 中冷器与散热器不能互相遮挡芯部 见图 7 图 7 中冷器与散热器芯部的布置关系 中冷器一般由左气室 右气室 芯子等组成 见图 8 图 8 中冷器的内部结构 中冷器的常见外形 见图 9 图 图 9 中冷器常见外形 二 进气系的设计流程 2 1 进气系的设计主要流程及输出内容 二 进气系的设计流程 2 1 进气系的设计主要流程及输出内容 部门 阶段 设计工作流程 说明 底 盘 分 院 项目启动通知 书 发 动 机 附 件 研 究所 项 目 负 责人 项 目 设 计人 概概 念念 设设 计计 阶阶 段段 根据设计任务 书要求 充分 考虑样车的结 构特点和进气 系统的差异 确定沿用件和 新设计件 项 目 经 理 设计员 项 目 中 心 用户 项 目 负 责人 各 设 计 员 工工 程程 设设 计计 阶阶 段段 检查结构的合 理性 无干涉 与相关零部件 配合正确性 零件结构的可 加工性 A 项目启动 调研准备 分析设计任务书 的具体要求 收集同类车型空滤等参 数 获 得 样 车 的 结 构 参 数 分析和拍摄样车进气系 统的结构和走向 初定沿用件 改制 件 新设计件明细表 拆车 测量 点云图校核 计算报告 方案报告 建立进气系统布置数模 确定设计硬点 绘制总成明细表 结构详细设计 检查数模质量 硬点 法规符合性 结构工艺检查及 CAE 分析 N Y 初步进行噪声 阻力分析 2 2 进气系统的设计要求 2 2 1 对空滤器的性能及布置要求 2 2 进气系统的设计要求 2 2 1 对空滤器的性能及布置要求 1 空滤器的额定流量应不小于发动机在额定功率时的燃油消耗率对应 的进气量 工工 程程 设设 计计 阶阶 段段 B 完善设计数模 内审 外审 生产数模 绘制二维图 二维图审查 资料入库 Y Y Y N N 试制技术支持 试制问题反馈 道路试验 修改设计 2 在额定流量下 空滤器的原始阻力应不大于 2 9 kPa 3 空滤器的原始滤清效率应不低于 99 5 4 在发动机的标定工况下 增压器压气机进口的最大负压应小于 4kPa 5 应进行空滤器容量的匹配计算 以满足设计要求 6 空滤器原则上要求布置在靠近发动机节流阀体的一侧 7 空滤在整车上必须固定在车身或通过车身上支架进行固定 一般要有 三个定位点 不少于两紧固点 8 因空滤芯要定期更换 所以在布置和装在车上后的 空滤上壳体与下 壳体间要易于拆卸 便于更换滤芯 9 空滤下壳体要有排水道和排水口 2 2 2 引气管及进气口的布置要求 2 2 2 引气管及进气口的布置要求 为了提高整车通过性和涉水深度 进气口的布置不仅要满足发动机自身进 气要求还要满足整车涉水要求 尽可能提高车辆的涉水深度 来保护发动机和 提高车辆销售竞争力 根据克莱斯勒公司的涉水试验要求是 轿车车辆以16Km h 车速通过 27 9cm 的水深 空滤不能积水 SUV 车辆以 16Km h 车速通过 48 3cm 的水深 空滤不能积水 故对空滤的引起管进气口布置要满足以下要求 1 引气管的进气口位置要求尽可能高 要高于车辆安全涉水深度 车 轮轮毂轴承上端 以上 如果因为整车布置困难无法提高进气口高度 可以通过增加挡板或通过其他件来阻止水的侵入 且要满足涉水试验 要求 如下图 CRV 进气口 通过大灯安装支架来防止进水 如下图 KZ08 车型进气口 通过外加挡板来防止进水 2 进气口之前不应有其它零部件阻挡 降低进气阻力和噪音 3 进气口不能设在车辆行驶时产生的负压区 如风扇的后面 4 进气口应避免将机舱内热空气 散热器排出的热风的直接吸入 以提高 发动机的动力性和燃油经济性 进气口的温度一般不应高于环境温度 15 5 空滤前的引气管要低于空滤的进气端且尽可能的加长引起管 如因机舱 布置无法实现此机构 需在引气管走向中增加低点和排水结构 2 2 3 对中冷器的性能及布置要求 2 2 3 对中冷器的性能及布置要求 1 中冷器的额定流量应采用厂家的台架标定实验数据 2 中冷器的散热面积根据 发动机中冷系统设计计算报告 中 3 2 中 冷器散热面积计算 来求取 3 在发动机的标定工况下 中冷器的压力降应不超过 8kPa 4 在发动机的标定工况下 中冷器的出口空气相对于周围环境的温升应 不大于 25 5 中冷器的出口空气相对于周围环境的温升 应通过整车的热平衡试验 确认 6 应进行中冷器工作能力的匹配计算 以满足设计要求 7 中冷器在整车上的两种典型布置 按照中冷器与水散热器相对位置的不同 主要可以分成两种 第一种 中冷器与散热器成串连布置 见图 10 一般中冷器布置在冷 却空气的上风侧 水散热器布置在下风侧 两者成前后布置 第二种 中冷器与散热成并联布置 见图 11 中冷器与水散热器成左右 并联布置 后面用风扇进行冷却 中冷器与水散热器也可成上下并联布置 图 10 串联布置 图 11 并联布置 2 2 4 进气系统管路的布置要求 2 2 4 进气系统管路的布置要求 1 进气管路的安装应考虑在适当的位置增加固定支架 以免因其自重或相 应的运动使进气岐管或增压器承受各种应力 2 在空滤器到发动机之间必须使用波纹胶管 以抵消发动机和底盘之间的 相对位移 该软管应有足够的刚度 以防止负压造成吸扁 破损和局部狭小 或 由于振动而变形 该软管还应能在 40 120 下长期使用 有足够的耐老化能 力 3 波纹橡胶管与硬管接头应为过盈配合连接 插入橡胶管的长度确保在 50 mm 左右 并使用平板带式卡箍紧固胶管 此段管路的固定方式要十分可靠 不得因振动而导致各管接头松脱 使未经过滤的空气直接进入增压器和发动机 引起增压器的损坏和发动机的非正常磨损 4 中冷器的管路布置应简洁 固定牢靠 并尽量减少方向的改变 中冷系 统管路安装应不会因其自重或相应的运动使进气岐管和增压器承受各种应力 管 口之间的联接必须采用耐热耐压橡胶管 应能耐高温 250 和高压 400 kPa 以 上 推荐采用夹布硅胶或硅胶编织管 刚性管口之间的间隙推荐 20 mm 1 2 管径 金属管插入橡胶管的长度确保在 50 mm 以上 并使用平板带式卡箍紧固胶管 绝 对不允许管路中存在任何漏气现象 5 中冷器和联接管路的清洁度对柴油机至关重要 整个中冷系统所有零部 件所含杂质的总和不得超过 90 mg 且杂质颗粒最大不得超过 1 6 m 6 增压器压气机出口连接管建议设计成一直的管件 圆锥形扩压角为 7 max 以得到最好的性能 长度取决于装配位置 或者直到联接管出口处直径相 当于压气机出口面积的 2 倍 2 2 5 进气系统的机 车匹配检查 2 2 5 进气系统的机 车匹配检查 1 检查空滤器原始阻力 满足设计要求 2 检查进气口位置的合理性 3 检查增压器压气机进口的最大负压 满足设计要求 4 检查空气质量流量计的安装是否正确 5 检查中冷器的压力降 满足设计要求 6 通过整车的热平衡试验 确认中冷器的出口温度 满足设计要求 7 检查进气管路的密封性 管件固定和管口紧固的可靠性 2 3 进气系统数模的构建 2 3 进气系统数模的构建 根据总布置确定的空间位置 及在车身上的固定点 1 确定空滤的粗略外形 确定空滤进出气口相对于空滤本体的位置角度 2 确定空滤引气口位置及固定点整车坐标 3 确定空滤固定点的整车坐标 4 根据粗模型 对壳体进行上下壳体分型 按塑料件的结构和工艺特性 进行上下壳体的详细设计 这过程中要保证空滤的装配性及装配点的正确 5 根据引气口位置和空滤位置 进行引气管建模 6 进行谐振腔建模 7 确定中冷器的位置及固定形式 构建中冷器的粗略外形 8 中冷器的进气管路 出气管路数模走向的构建 因进气管温度的关系 需保证进气管与周边件的最小间隙不小于 20mm 9 将设计完的空滤 引气管 中冷器及相关管路交总布置进行设计布置 验证 进一步完善和冻结数模 2 4 设计参考文件及标准 2 4 设计参考文件及标准 QTJI DP 03 142 2010 发动机进气系统设计标准 JB T9755 1999 内燃机纸质滤芯空气滤清器总成技术条件 JB T9756 1999 内燃机空气滤清器纸质滤芯技术条件 JB T9747 1999 内燃机空气滤清器试验方法 三 进气系统的设计过程 三 进气系统的设计过程 自然吸气式发动机进气系统的设计过程以 JZ08 车型为例 增压型发动 机进气系统的设计过程以 JZ16 车型为例 3 1 设计输入及标杆对比 3 1 1 设计输入 3 1 设计输入及标杆对比 3 1 1 设计输入 根据 新车设计开发项目协议书 JZ08 JZ16 车型设计开发 按照双方 确认的设计依据和要求 标杆车选用本田思域 R18A1 汽油机 JZ08 车型发动 机选用 GW4G15 汽油机 JZ16 车型发动机选用 GW4G15T 汽油机其参数对比如 下 车型 JZ08 JZ16 本田 CIVIC 发动机型号 GW4G15 GW4G15T R18A1 总排量 ml 1497 1497 1799 最大功率 kW r min 77 6000 93 5600 103 6300 最大扭矩 Nm r min 138 4200 180 1600 4500 174 4300 气缸数 4 4 4 冲程数 4 4 4 3 1 2 标杆对比分析 3 1 2 标杆对比分析 3 1 2 1 标杆车性能试验 标杆车进气系统噪声摸底试验 进气口风噪声 系统共鸣噪声 对样件 进行噪声摸底测试 主要测进气口的风噪声 同时驾驶原车进行主观感受评价 了解原系统的噪声水平 为以后产品开发提供主观评价接受标准 原件台架性能试验 阻力 效率 寿命 储灰能力 选择有试验能力的供 应商 在供应商处与供应商一起对产品结构和工艺分析 并对原件的阻力 原始 滤清效率 台架寿命 储灰能力 密封性等进行测试 为后期产品是设计提供输 入依据 发动机在最大功率和最大扭矩时发动机进气量测量 进气系统的一个重要 指标是发动机的最大空气消耗量 有些外购发动机在说明中给出 所以在开发 初期要对系统所匹配的发动机进行最大功率和最大扭矩时发动机所消耗的空气 这是空滤设计时确定额定流量的重要依据 3 1 2 2 NVH 分析 进气系统噪声控制 进气门周期性开闭引起进气管道内压力起伏变化而形成的空气动力性噪 声 标杆车进气系统通过谐振腔 空滤器来减小进气系统的空气噪声 谐振腔 空滤器 3 1 2 3 关键零部件的对比分析 设计车型的空滤外形 谐振腔的外形及数量 引气管的走向与标杆车的对比 分析 考虑是否可以采用标杆车的结构 主要从前舱空间位置及设计车型搭载不 同的动力总成着手 3 1 2 4 新结构 新工艺 新材料分析 标杆车采用顶置干式空气滤清器 纸质滤芯 采用三点固定 3 2 系统设计方案 3 2 系统设计方案 以CHB011车型为例介绍 CHB011 1 5L进气系统整体布置在机舱内后侧 且 上部有通风盖板安装板 对空滤系统设计开发影响较大 3 2 1 空滤器总成的布置 3 2 1 空滤器总成的布置 空滤器布置在机舱后侧 在布置时需要考虑到空滤的拆卸方便性 3 2 1 1 空滤器的型式 空滤器采用塑料壳体 采用下壳体和上盖壳体上下分开型式 气口在下壳 体 向车体前侧 出气口在上盖 3 2 1 2 滤芯的结构型式 滤芯采用折叠的无纺布通过注塑框架固定平板式结构 橡胶密封圈保证与 空滤器壳体密封面密封 3 2 1 3 空滤器总成的安装方式 空滤器总成采用三点固定方式 两点为插接点 安装在固定金属支架上 另一点采用螺栓连接 3 2 23 2 2 引气管的构成和布置 引气管的构成和布置 3 2 2 1 引气管的结构 引气管一端采用插接方式 另一端采用螺栓固定 管子本体有两段波纹段 3 2 2 2 引气管布置位置 引气管固定在风扇与发动机之间 3 2 2 3 引气管的基本尺寸 引气管除波纹段外均等径 管口内径为 60mm 要特别注意的是引气管截面 积不能突变 3 2 2 4 引气管的安装方式 引气管一端与空滤下壳体插接 另一端通过螺栓固定在风扇固定横梁上 3 2 33 2 3 中冷器总成的布置 中冷器总成的布置 3 2 3 1 中冷器的结构 中冷器采用管带式 3 2 3 2 中冷器的布置 中冷器布置在散热器前端 冷凝器后端 采用串联布置 3 3 厂家分析 3 3 1 性能试验 3 3 厂家分析 3 3 1 性能试验 进气系统装置在额定空气流量 4 3m 3 min 下 各项性能参数实验 性能 单位 性能参数值 原始阻力 kPa 2 9 原始滤清效率 97 5 全寿命滤清效率 98 5 金属材料中性盐雾试验 h 72 储灰能力 g 90 上升了 2kpa 后 3 3 2 空气滤清器耐久试验 3 3 2 空气滤清器耐久试验 3 3 2 1 高低温振动试验 将空气滤清器安装在三综合试验箱内的振动台上 先将温度从室温用 1h降到 30 后 开始施加振动 同时用3h把温度升到90 保持3h 然后把 温度用3 75h降到 30 保持1h 完成一个循环 共进行3个循环 在上述温 度条件下施加振动 振动施加方式为每振动4h休息0 5h 直到振动次数达到 107次 累计振动时间26 5h 试验结束 共累计试验时间33 25h 3 3 2 2 耐热实验 将空气滤清器放入高温试验箱内 先从室温用0 5h升到120 保持96h 后 将温度从120 用0 5h降到室温 试验结束 累计试验时间97h 3 3 2 3 低温试验 将空气滤清器放入超低温交变湿热试验箱内 先从室温用0 5h降到 40 保持24h后 将温度用0 5h升到室温 试验结束 累计试验时间25 3 3 2 4 真空塌陷试验 将橡胶波纹管放入高温试验箱中 升温至110 保持1h 抽取管内真 空并保持1分钟 要求波纹管截面积变化不得超过10 真空度要求为系统压 力损失值PL 5kPa 耐久性能实验后 零件无破损 松动 脱落 锈等现象发生 并且滤 芯下部粘贴的无纺布也无脱落 粘接不良现象 3 3 3 CFD实验 3 3 3 中冷器耐久试验 3 3 3 中冷器耐久试验 3 3 3 1 热侧密封性试验 中冷器热侧应密封 经不低于350KPa的气压试验 历时1min不得出现泄 漏 3 3 3 2 耐振性能试验 中冷器内部充满工作介质 按工作时的安装方式固定在振动试验台上 以 40 m s 2 的加速度 在20Hz 30Hz 40Hz 50Hz频率下各振