大中型客车进气系统设计规范.doc

精品文档大中型客车发动机进气系统设计规范（试行稿）编号C/SJGF119008编制审核标准批准日期欧辉客车事业部前 言为实现大中型客车发动机进气系统设计的规范化、通用化，根据国家有关客车方面的法规、政策、技术要求，结合我公司产品开发流程，参考高等院校汽车专业教材中有关章节的规定，编制本设计规范。本设计规范对生产、检验具有参考作用。本规范由欧辉客车事业部技术中心提出；本规范由欧辉客车事业部技术中心归口；本规范起草单位：欧辉客车事业部技术中心底盘部；本规范主要起草人：覃军伦、范国柱、蔡斌本规范为首次发布版本。1 范围本文件规定了发动机进气系统的设计准则、布置要求、结构设计要求、材料选用要求、性能设计要求、设计计算、评审要求、输出图样明细及制图要求等。本文件适用于大中型客车发动机增压前进气系统设计及发动机中冷系统的匹配设计。2 规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的更改单）适用于本文件。QC/T 770 汽车用干式空气滤清器总成技术条件QC/T 32 汽车用空气滤清器试验方法GB/T 23338 内燃机增压空气冷却器技术条件GB 4458.4 机械制图 尺寸注法GB 4458.5 机械制图 尺寸公差与配合注法Q/FT B209 大中型客车产品零部件及其图样编号规则3 术语及定义3.1 发动机进气系统进气系统是指将空气或者混合气导人发动机气缸内的零部件集合体。其功能是向发动机提供清洁、干躁、温度适当的空气进行燃烧，以最大限度地降低发动机磨损并保持最佳的发动机性能，在用户接受的合理保养间隔内有效地过滤灰尘，并保持进气阻力在规定的限值内。进气系统主要由原始进气管道（进气转接箱）、空气滤清器、连接管路、增压器及中冷器等部件组成。3.2 空气滤清器 QC/T 770和QC/T 32中用以去除悬浮于被发动机吸入的空气中颗粒杂质并达到一定寿命的装置，简称空滤器。3.3 空滤器额定流量（额定空气体积流量） QC/T 770中用户或制造商规定的标准大气状况下，流过空气滤清器出气口的空气体积流量。3.4 进气阻力报警器 通过反应空气滤清器进气阻力来提示空气滤清器滤芯灰尘附着程度的报警元件。3.5 进气管路 向发动机输送清洁空气的管道。3.6 进气阻力（压力损失） 因发动机进气系统在额定流量下流动时所引起的能量损失，以压力降（被测进气系统的上游和下游规定测压点所测得静压差）表示，并按两个测量点的动压头之差加以修正。3.7 空滤器的去尘能力 QC/T 32中空气滤清器在进气阻力达到限值时所能除去的灰尘总量定义为空滤的去尘能力。3.8 原始进气阻力 新的试验件的进气阻力（压力损失）。3.9 环境温度汽车行驶时周围环境阴影下的空气温度。3.10 迎风面积表示冷却介质为空气的中冷器芯子迎风侧的面积，单位为 m2 。3.11 压力损失表示试验条件下介质通过中冷器因克服流动阻力而产生的压力降，用介质进口与出口处的静压差表示，单位为KPa。4 设计准则4.1 应满足的安全、环保和其它法规要求及国际惯例4.1.1 在确保整车安全性的前提条件下，要保证各零部件、结构的可靠性、所有部件、构件都不应有任何可能使人致伤的尖锐凸起物（如尖角、锐边等）。4.1.2 出口车辆装配的发动机进气系统及中冷系统应满足出口国（地区）当地的相关法规要求。4.2 应满足的功能要求及应达到的性能要求4.2.1 进气系统应能为发动机提供足够的清洁空气进行燃烧。4.2.2 保证发动机正常的进气温度，满足公司的评价标准（即中冷后温度相对于环境温度的温升30）。4.2.3 进气系统保证发动机排放达到环保要求。5 部件及总成结构、性能及布置要求5.1 空气滤清器取气口的布置和取气管路的设计要求5.1.1 空气滤清器取气口应避免将机舱内热空气、散热器排出的热风和发动机排出的废气吸入进气系统，从大气到增压器进气口处进气温升应不大于10。5.1.2 空气滤清器取气口，不应设在车辆行驶时产生的负压区域和易扬尘、溅水的区域。5.1.3 有车身进气系统时，取气管路内径截面积不能小于空气滤清器进气口截面积，设计时要平滑过渡，避免急弯产生进气阻力；侧围取气口的净面积尽可能的大，不能小于空气滤清器进气口截面积的1.2倍；侧围取气口下沿距地面高度不小于1.6m（针对后置发动机车型而言）。5.1.4 无车身进气系统时，空气滤清器取气口位置要求尽可能高，高出车身裙边的高度不小于0.3m，同时要设置雨、雪及杂物等异物过滤装置（进气转接箱）。5.2 空气滤清器的选用和布置要求5.2.1 空气滤清器的选用空气滤清器的选用取决于发动机的排量、使用环境、更换周期及进气阻力等因素；考虑到进气系统的维护保养周期，空滤器的额定流量按发动机在标定工况下要求流量（由发动机制造商提供）的1.21.5 倍(一般地公路或城市客车取值1.5)来选取的)，空气滤清器应具有足够的容灰及去尘能力,以提供合理的滤芯更换周期.5.2.2 空气滤清器的分类从壳体结构上分为铁壳空气滤清器和塑壳空气滤清器；条件允许的情况下优先使用塑壳空气滤清器；从滤芯性质上分为干式（常用的属于此类）和湿式（又称油浴式，目前主要在工程车上使用），无特殊要求的情况下优先使用干式滤芯结构的空气滤清器。5.2.3 空气滤清器主要技术参数要求5.2.3.1 必须在空气滤清器图中规定额定空气体积流量，原始过滤效率要求不小于99.5%。5.2.3.2 空气滤清器采用带安全滤芯并具有叶片环的双级过滤结构形式，该结构要求原始进气阻力不大于2.9KPa；5.2.3.3 空气滤清器选用要考虑系列车型的系列化，通用化，使底盘具有一定的继承性和可拓展性。5.2.4 空气滤清器的布置和固定5.2.4.1 便于拆装、固定牢固。5.2.4.2 不影响车辆接近角和离去角。5.2.4.3 远离高温部件，如不能远离需采取隔热措施。5.2.4.4 正常路面上，确保不需要拆除其它部件的情况下方便滤芯装拆和清理维护。5.2.4.5 排尘口位置处于空滤器的最低点，应尽可能远离发动机表面、传动皮带、冷却散热系统和其迎风面等。5.3 进气阻力报警器5.3.1 进气阻力报警器的作用在空滤器被阻塞到进气阻力达到发动机规定的最大限值时发出警告，以便及时更换滤芯；指示报警值的设置应为发动机技术参数表中滤芯充满灰尘时的最大进气阻力。5.3.2 进气阻力报警器取气口位置一般情况下应位于空气滤清器出口气管上适当位置，特殊情况下也可以布置在空滤后的进气管上，位置为靠近空气滤清器出口附近。5.3.3 进气阻力报警器的分类进气阻力报警器分为机械式和电子式两种结构，优先推荐使用电子式结构。5.3.4 机械式进气阻力报警器前的接头处应装一个滤片，防止报警器及软管损坏后灰尘进入进气系统。5.3.5 进气阻力报警器布置和软管固定机械式报警器进气阻力报警布置位置应是在不需要拆除其它部件情况下方便观察，报警器和软管（线束）布置固定位置要远离排气管及发动机排气支管等高温区，以防止外界因素对部件使用寿命的影响。5.3.6 为防止由于振动造成错误显示，应注意将指示器安装在振动较小的位置，指示器一般是竖向安装。5.4 进气管路进气管路由过渡软管（橡胶管），硬管（不锈钢管）和卡箍组成。5.4.1 进气管的选用5.4.1.1 过渡软管（橡胶管）；在增压器前的进气管路因承受压力较小、温度较低、过渡软管一般选用能在-40-120的温度环境下正常工作、耐高压不低于200KPa、抗负压能力不小于15KPa、具有耐腐蚀、耐氧化、抗老化性能的橡胶管、三元乙丙胶管，在增压器后到发动机进气口之间的胶管必须使用硅橡胶胶管。5.4.1.2 硬管一般选用壁厚为1.0mm的不锈钢圆管，钢管直径确定以不小于下一级进气管或部件接口直径为原则。5.4.1.3 卡箍在空滤器出气口（包含出气口）到发动机进气口这一段的管路必须采用T型卡箍固定。5.4.1.4 进气管路的结构要求5.4.1.4.1 进气管径必须大于增压器进气口内径；5.4.1.4.2 从空滤器出口管径到发动机进口管径要逐渐过渡,并尽量避免方向的急剧改变.5.4.1.4.3 在空滤器（中冷器）到发动机之间必须使用过渡软管,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。管路与排气系统等高温部件距离较近时，应考虑增加隔热措施。管路布置时要充分考虑管路本身以及其它需保养维护件的维修便利性。5.4.1.4.4 进气管路布置应简洁，尽量减少方向的改变；金属管口应有凸缘，钢管插入橡胶管的长度确保在40mm以上，卡箍紧固密封有效；对于悬空较长的钢管，要在钢管适当位置增加支撑。5.5 中冷器的选用和布置要求5.5.1 中冷器的作用空气进入涡轮增压后其温度会大幅升高，密度也相应变小。中冷器的作用就是降低发动机的进气温度，提高发动机的充气效率。5.5.2 中冷器的分类 GB/T 23338中按照冷却介质的不同，常见的中冷器可以分为风冷式和水冷式两种，客车使用风冷式结构。5.5.3 中冷器的技术参数要求 GB/T 23338中中冷器的散热面积和空气流过中冷器后引起的压力降是评价中冷器性能两个重要参数，必须在图纸注明。5.5.4 中冷器的总体布置要求5.5.4.1 根据发动机进气冷却性能要求，对中冷器及其管路进行匹配设计。5.5.4.2 应有良好的密封、隔声、隔热及防振动等性能。5.5.4.3 中冷器布置要考虑维修便利性，尤其考虑周围相关易损件的维修方便性。5.5.4.4 充分考虑系列车型的系列化、通用化，使中冷器具有一定的继承性和可拓展性，中冷器尽可能考虑结构、部件规格等通用化、模块化。5.5.4.5 中冷器的布置应尽量避免与散热器的相互影响，并保证中冷后的进气温度符合发动机要求的温度。5.5.4.6 中冷器应有足够的散热面积和迎风面积，中冷器的总散热面积推荐为（0.07-0.09）m2/kw,中后置发动机选取稍大系数。5.5.4.7 中冷器的固定必须牢固，以免行车时晃动导致管路松动或松脱。5.5.4.8 中冷器的固定必须有减振措施，以免行车时晃动导致中冷器损坏破裂。6 设计计算6.1 发动机进气系统设计计算6.1.1 发动机进气流量设计计算可用下列公式近似的计算发动机额定功率时的最大进气流量， Qmax=14.3cPebe/1000a+Q空压机 （1）式中：Qmax最大空气体积流量，m3/h；c过量空气系数，增压发动机额定工况下取c =2.1；Pe发动机的额定功率，KW；a空气密度，25取a=1.185kg/m3；30取a=1.166kg/m3；Q空压机空气压缩机需要的进气量，一般最大进气量范围是30 m3/h80 m3/h，增压比大，功率大，取上限，增压比小，功率小，取下限。 6.1.2 进气管阻力计算通常情况下，管路的阻力损失分为沿程损失和局部损失两部分。对于客车来讲，如果进气口侧置，沿程管路较短，这部分损失可以忽略，只计算由于管件形状变化或截面变化造成的局部阻力损失，但是对于进气口顶置的，沿程损失要计算，总阻力为没程损失与局部损失两部分之和。6.1.2.1 沿程损失计算a) 在横断面不变的管道内流动时，沿程压力损失按下列公式计算Pm=*(1/4Rh)*2/2*L （2）式中：Pm管道沿程压力损失；摩擦阻力系数；空气密度；L管道的长度；Rh管道的水力半径，计算公式为Rh=A/P, ，Dh= 4A/P (3)其中A为截面面积，P为湿周。b) 客车进气管道材料目前均为薄钢板件，在表面粗糙度k=0.15 mm，直径D=(0.052.0) m, 空气流速=(530) m/s时，沿程压力损失可以按照下面的公式估算：Pm= L*1.05*10-2D-1.211.925 （4）c) 对于材料为塑料件的进气管道，在表面粗糙度k=0.05mm，直径D=(0.052.0)m, 空气流速=(330) m/s时, 沿程压力损失可以按照下面的公式估算：Pm= L*1.13*10-2D-1.193.833 （5）6.1.2.2 局部损失计算局部损失是指克服边界急剧改变的区域造成的局部阻力而引起的能量损失。其一般的计算公式为：Pj=*2/2, （6）式中：Pj单位为Pa 其中为局部阻力系数；客车进气管常见的接头有圆管弯头，多节90圆管弯头，圆管斜接弯头，Z型圆管弯头，圆管道扩散管及原管道渐缩管等，对于非圆管结构的接头，应按照公式（3）计算当量直径。6.1.2.2.1 圆管弯头a) 圆管弯头是进气管路的主要接头形式，图1为其结构参数。图1 圆管弯头的结构参数示意图弯头的局部损失计算公式： Pj=*2/2 （7）b) 90弯头的局部阻力系数见表3，对于其它角度的损失系数需乘上角度修正系数，角度修正系数见表4.表3 90弯头的局部阻力系数R/D0.50.751.01.52.02.50.710.330.220.150.130.12c) 对于其它R/D下的局部阻力系数根据公式（8）的拟合公式估算：=1.791-3.0*R/D+1.74(R/D)2-0.323(R/D)3 (8)表4 圆管弯头的局部损失角度修正系数 /020304560759011013015018000.310.450.600.780.911.131.201.281.4=-0.0238+0.01724-8.2583*10-52+1.66591*10-73 （9）6.1.2.2.2 多节90圆管弯头图2所示的是3节，4节，5节圆管弯头示意图。公式（10）为局部损失系数公式，0=0.55*（D/R）0.5-0.04 P (10) 图2 多节90圆管弯头表5 不同节数及R/D的圆管弯头局部损失系数表0节数R/D0.50.7511.525-0.460.330.240.194-0.50.370.270.2430.980.540.420.340.336.1.2.2.3 圆管斜接弯头图3为圆管道斜接弯头示意图。当雷诺数Re 14x104时，特定角度下的局部损失系数按照表6选用，若表中未列出的角度，可按照公式（11）估算。图3 圆管道斜接弯头表6 特定角度的圆管斜接弯头的局部损失系数表/203045607590100.080.160.340.550.811.210=0.00041.77 （11）当雷诺数Re 14x104时，需乘上雷诺数的修正系数，局部损失系数的计算公式变为公式（12） 0=Re10 (12)其中Re为雷诺数的修正系数，其值如表7所示。Re=1.58085-0.21947Re+0.03737 Re2-0.0029 Re3+8.1238*10-5 Re4表7 雷诺数修正系数表Re*1041234681014Re1.41.261.191.141.091.061.041.06.1.2.2.4 30Z型圆管道弯头 30Z型圆管道弯头是顶置进气的常用的管接形式，其示意图如图4所示。其局部损失系数见表8.图4 30Z型圆管道弯头表8 不同L/D的30Z型圆管道弯头的局部损失系数L/D00.51.01.52.02.53.01000.150.150.160.160.160.1610=0.184 L/D-1.68056 (L/D)2+1.68833 *(L/D)3-0.87222(L/D)4+0.22267(L/D)5-0.02222(L/D)6 当雷诺数Re 14x104时，需乘上雷诺数的修正系数，局部损失系数的计算公式变为公式（13）0=Re10 （13）6.1.2.2.5 圆管道锥形扩散管图5所示是圆管道锥形扩散管示意图，其局部阻力系数如表9所示。图5 圆管道锥形扩散管示意图表9 圆管道锥形扩散管局部损失系数0ReA1/A0/1620304560901201800.5X10520.140.190.320.330.330.320.310.3040.230.300.460.610.680.640.630.6260.270.330.480.660.770.740.730.72100.290.380.590.760.800.830.840.83160.310.380.600.840.880.880.880.882X10520.070.120.230.280.270.270.270.2640.150.180.360.550.590.590.570.5760.190.280.440.90.700.710.710.69100.200.240.430.760.800.810.810.81160.210.280.520.760.870.870.870.896 X10520.050.070.120.270.270.270.270.2740.170.240.380.510.560.580.580.5760.160.290.460.600.690.710.700.70100.210.330.520.60.760.830.840.83160.210.340.560.720.790.850.870.89对于上表中非特定角的情况，用下列公式计算（雷诺数的判别：小于2 X105按Re=0.5 X105的计算公式计算，2 105Re6 105按2 X105的公式计算）:(1) Re=0.5 105当2A1/A03时，0=0.31955-0.19473/1+(/21.53363)9.64953当3A1/A05时0=-0.10407+0.0252-2.477x10-42+7.231x10-73当5A1/A08时0=-0.09888+0.02652-2.5043x10-42+7.1362 x10-73当8A1/A012时0=-0.30688+0.04737-7.17314 x10-42+4.62269 x10-73-1.05826x10-84当A1/A016时0=0.88454-0.5836/1+(/29.4366)5.4372(2) Re=2 X105当2A1/A03时，0=0.2701-0.26487/1+(（-21.38）/4.82)当3A1/A05时0=0.58087-0.43381/1+(/30.11741)6.51508当5A1/A08时0=-0.70996+0.07041-0.001162+7.79263 x10-63-1.181774x10-84当8A1/A012时0=0.84723x2.60445/(2843.75+2.60445)当A1/A016时0=0.8993x2.88718/(11778.37+2.88718)(3)Re6 X105时当2A1/A03时，0=0.27883x3.71771/(251773.3+3.71771)当3A1/A05时0=0.5885x2.69386/(4641.077+2.69386)当5A1/A08时0=0.71033-0.61265/1+(/26.70606)3.43959当8A1/A012时0=0.87615-0.27827/1+(/25.72983)1.95673当A1/A016时0=0.89734-1.02027/1+(/21.79864)2.186466.1.2.2.6 圆管道锥形渐缩管图6所示是圆管道锥形渐缩管示意图，其特定角下的局部阻力系数查表10，对于50，A0/A1=26时，其他角度下的局部损失系数可用下表的拟合公式计算；0=0.00141.15（1- （A0/ A1）图6 圆管道锥形渐缩管示意图表10 圆管道锥形渐缩管局部损失系数0A0/ A1/1015-4050-609012015018020.050.050.060.120.180.240.2640.050.040.070.170.270.350.1160.050.040.070.180.280.360.42100.050.050.080.190.290.370.136.2 中冷器设计计算按发动机要求的中冷器散热量或散热面积，以及中冷器最大压降选取合适的中冷器。6.2.1 计算用基本参数准备发动机相关参数： （1）发动机额定功率Pe,单位Kw/rpm；（2）额定功率点水套散热量QPe，单位Kw；（3）额定功率点冷却液流量GW, 单位L/min；（4）额定扭矩点冷却液流量GT, 单位L/min；（5）额定功率点平均有效压力Pme, 单位MPa；（6）环境温度To, 单位；（7）发动机仓温度Th, 单位；（8）海拔高度h, 单位m；6.2.2 中冷器散热能力。6.2.2.1 涡轮增压器出口温度（中冷器进口温度）Tb设计中以最大的静态冷却能力为设计基准，以发动机标定工况下的发动机状况为中冷器的设计计算工况点。涡轮增压器出口温度（中冷器进口温度）Tb的计算公式为：Tb=T11+（bk-1/k-1/b） (13)式中：T1增压器进气口空气温度（k），大气经空滤器后温度为T1、= T1+8，与海拔有关K空气绝热指数，K=1.4；b压气机效率，取b =0.850.92；b增压器的增压比；6.2.2.1.1 柴油机气缸进气压力PdPd=aPemTSb/877.2c （14）式中：a燃烧过量空气系数，取a =1.62.2%，与海拔有关，a1=a（1-7%h*10-3）Pem平均有效压力（MPa），与海拔有关，Pem1= Pem（1-2%h*10-3）TS气缸进气温度（k）,设定初始值TS =323K,海拔对增压机TS影响不大；b燃油消耗率kg/（KW.h）,与海拔有关，b1= b (1+2%h*10-3）c气缸充量系数，取c =0.90.95，海拔对增压发动机的c影响不大；h海拔高度，m；6.2.2.1.2 涡轮增压器出口处的进气压力Pb由于进气管道和中冷器的压降Ptub,所以涡轮增压器出口处进气压力PbPb=Pd+Ptub6.2.2.1.3 增压器的增压比bb= Pb/ P1式中：P1增压器压气机进口空气压力（MPa），一般为环境压力P1=0.10325 MPa6.2.2.2 中冷器的散热量发动机标定功率时增压空气温度为Tb（密度为0.833kg/m3）,增压空气流量为Gb=（14.3 Pe bas）/3600 （15）式中：Pe柴油机功率，KW;s气缸扫气系数，取=11.26.2.2.2.1 中冷器的散热量Qpp=GbCpp(Tb-Ts) （16）Qpp1=Qpp*56.869 （17）6.2.2.2.2 环境温度修正的散热量Qap1= Qpp1(1+( Ta1-100)*10-3)- Qpp1 式中：Qap1增压空气环境温度修正的散热量，Btu/min;Ta1散热器环境温度（发动机仓温度），F6.2.2.2.3 进气温度修正的散热量Qairin1= Qpp1(1+1.5( Tin1-100)*10-3)- Qpp1式中：Qairin1进气温度修正的散热量，Btu/min;Tin1增压中冷后的进气温度（进气管进气温度，设计计算取50），FQin1= Qpe1*( Tin1-100)10-36.2.2.2.4 增压进气的散热量 因为增压空气属于降温过程，因此增压进气的散热量为Qp1= Qpp1- Qap1- Qin16.2.2.3 中冷器的散热能力在发动机标定功率时，计算此时中冷器100。 F的散热量Qmh=c0amh2+ c1amh+ c2Qs1=56.869* Qmh气-气温差是指增压空气进出口的平均温度（中冷器芯子中部的气体温度）与进入中冷器的空气平均温度之间的差值。每1。F的气-气温差为：TFP= Qs1/(100。F)6.2.3 中冷器的出口温度6.2.3.1 中冷器的气-气温差增压空气的温度开始持续下降过程中，中冷器的高温增压空气散发给大气的热量小于中冷器的散热量，即支出大于收入，增压空气温度下降，当增压空气散发给大气的热量与中冷器散热量相等时，即出现收支平衡，增压空气温度停止上升，因此气-气温差也叫增压空气平衡温度。Taw