卡车进气系统设计与计算

1、轻型汽车技术2014 （3） 卡 车 进 气 系 统 设 计 与 计 算 鲁会 （南京依维柯汽车有限公司产品工程部） 摘要 进气系统是整车不可或缺的一部分，为发动机的燃烧提供充足干净的空气， 为发动机正常使用保驾护航。 进气系统设计的好坏直接影响发动机功率的发挥和 使用寿命。 关键词： 进气系统设计计算 增压中冷进气流程如下：空气高位取气 管空气滤清器涡轮增压器管路中冷器 管路发动机进气总管经过歧管进入每个气 缸。 自然吸气进气流程如下：空气高位取气 管空气滤清器管路发动机进气总管经过 歧管进入每个气缸。 内燃机工作时， 凸轮轴由曲轴通过齿轮驱动， 随曲轴转动。 对四冲程内燃机而言， 凸轮轴的

2、转速 为曲轴转速的 1 / 2 ， 即曲轴转两转完成一个工作循 环， 而凸轮轴转一转， 使进、 排气门各开启一次。 进 气门开启时新鲜空气 （柴油机）或者可燃混合气 （汽油机）被吸入气缸。 （1 ）进气管总成 保证原始取气口的进气比较干净、温度 与环境温度接近，并且取气口的滤网能阻止一些 较大面积的异物进入滤清器； 能够分离雨水， 防止空滤滤芯浸水； 有些进气管中利用造型可以达到粗滤的 效果； 可以降低进气噪声，在进风管内部集成 谐振腔， 降低噪声或者改变频谱。 （2 ）进气管安装支架及软垫 为进气管总成提供可靠的安装和减振。 （3 ）波纹软管 针对可翻驾驶室连接进气管和空滤器进气口 （或者空

3、滤进气过渡硬管）， 可以消除部分装配误 差， 并保证管路连接的相对密封。 1进气系统工作原理 2进气系统主要零部件及功能 图1整车进气系统组成的零部件 技术纵横22 轻型汽车技术2014 （3） （4 ）空滤进气管路 连接空气滤清器进口， 并保证管路的密封性。 （5 ）空气滤清器总成 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。 （6 ）空滤器出气管路 这段管路连接空气滤清器出气口与发动机进 气口 （涡轮增压型发动机是连接涡轮增压器的进 气口）， 必须保证密封可靠， 不然会影响发动机正 常工作，并且能够消除发

4、动机和底盘之间的相对 位移。 （7 ）气泵进气软管 针对气制动车型，发动机带的空气压缩机 （气泵） 需要从空气滤器到增压器进气口之间管 路上取气。 （8 ）空气流量计 主要是针对国四及以上产品，用来测量发动 机的进气量，然后将信息转化成电信号反馈给电 控单元 E C U ，和节气门传感器一起控制发动机的 转速。 空气流量计一般作为发动机附件， 装在空气 滤器到增压器进气口之间管路上。 （9 ）闭式呼吸器连接软管 国四及以上排放的发动机， 为了环保需要， 曲 轴箱通风口不能直接与大气相通，需要用管路把 曲轴箱出气口与增压器进口前端的进气管路连接 （需要放在空气流量传感器的下游）。 （1 0 ）软

5、管卡箍 保证软管与硬管装配的密封性，同时能承受 软管随发动机或者底盘运动时产生的一些拉力。 整车进气系统主要零部件及功能见图 1所 示。 3.1空气滤清器总成 目前跃进卡车用的空气滤清器主要是干式滤 纸结构。 3 . 1 . 1 干式空气滤清器主要性能要求 空滤器总成的流量要满足发动机的使用 要求，总成在额定流量时的原始阻力可以参考 Q C / T 7 7 0 汽车用干式空气滤清器总成技术条件 中的要求，也可以根据总成实际与供方共同确定 一个合适的值； 空滤器总成的原始滤清效率要9 9 . 5 %、 双级粗滤效率要9 9 . 5 %； 总成试验室寿命要满足 Q C / T 7 7 0 汽车 用

6、干式空气滤清器总成技术条件 ; 密封性： 总成试验室寿命试验结束后， 立 刻拆开检查， 各密封部位不允许有漏灰情况； 总成振动试验： 以 5 H Z - 4 0 0 H Z 的振动频 率， 2 0 m / s 2的加速度和至少 1 0 m i n 的高低频率反 复寻找共振频率，确认不存在共振频率后，再以 6 7 H Z的振动频率、 9 0 m / s 2的加速度，上下振动 4 小时、 左右振动 2 小时、 前后振动 2 小时。振动完 成后， 拆解总成全面检查， 部件不允许开裂变形等 缺陷， 试验方法参见 Q C / T 3 2 汽车用空气滤清器 试验方法 。 3 . 1 . 2 空气滤清器总成

7、的设计要点（主要针 对干式滤纸的空气滤清器总成） 空气滤清器额定空气流量 q （单位 m 3 / h ）设 计计算如下： 对自然吸气的发动机 q = 0 . 0 6 n V hv （适合二冲程发动 机） q = 0 . 0 3 n V hv （适合四冲程发动 机） 式中n 发动机转速， 单位 r / m i n V h 发动机总排量， 单位 L 发动机脉冲系数， 对三缸及以上发动 机脉冲系数为 1 3进气系统主部件设计要点 技术纵横 23 轻型汽车技术2014 （3） v发动机的充气系数， 值推荐如下： 汽油机转速在 2 5 0 0 r / m i n 以下， v= 0 . 8 0 汽油机转速

8、在 2 5 0 0 - 3 5 0 0 r / m i n ， v= 0 . 7 5 汽油机转速在 3 5 0 0 r / m i n 以上， v= 0 . 7 0 柴油机，v= 0 . 8 5 对增压柴油机 q = P g eA0/ ( 1 0 0 0 ) 式中P 发动机额定功率， 单位 K W g e 发动机额定功率时的燃油消耗， 单位 g / k w . h ， 约 2 3 5 g / k w . h 额定功率时发动机过量空气系数 （增压机取 2 . 0 ， 增压中冷发动机取 2 . 1 ） A 0 燃烧 1 k g 燃油所需要的理论空气量， 单位 k g / k g（柴油为 1 4 .

9、 3 k g / k g ） 空气密度， 单位 k g / m 3 ， 标准状态下的 空气密度为 1 . 2 0 0 5 k g / m 3 滤清器流量的经验值：可以在发动机台 架试验额定功率时发动机实际燃烧的空气量基础 上放大 1 . 2 - 1 . 3倍 （主要是考虑进气管路的截 流）。 对气制发动机 如果是气制动发动机，在理论计算流量的基 础上， 还需要加入发动机气泵的进气量。 3 . 1 . 3 空气滤清器进出气管直径的确定 空气滤清器进气管 一般空气滤清器进气口的流速为 1 5m / s - 2 5 m / s ， 过高会增加进气阻力。 空滤进气管口截面积公式如下： S = Q/（3

10、 6 0 0 V ） 式中V管路最大流速， 商用车通常取 2 5 m / s Q空滤器额定流量 （m 3 / h ） 一般在空滤器的进气口半径为： R = s 姨 空气滤清器出气管 空气滤清器出气管的直径是进气管直径的 0 . 8 5 - 1 倍。 3 . 1 . 4 空滤器壳体形状 目前商用车的空气滤清器基本上是圆柱形， 根据经验， 空气滤清器总成的容积： 对 3 . 5 吨以下 的轻型车， 一般为发动机排量的 3 倍左右； 对中、 重型车， 一般为发动机排量的 5 - 6 倍左右。 如果是竖直空滤， 需要根据整车布置情况， 考 虑离地间隙以及滤芯维护的便利性，可以选用直 径稍大长度稍短的空

11、滤。 对横置空滤， 可能需要考 虑前后的布置空间，可以选用直径稍小长度稍长 的空滤。 3 . 1 . 5 空滤器总成容尘量的计算 根据 I V E C O标准， 容尘量 P ( 单位 g ) 可以按照 以下公式计算： P = K Q m a x/ 6 0 式中Q m a x 空气滤清器总成的额定流量， 单位 m 3 / h K 特定系统， 单位 g / m 3 / m i n 推荐值如下： 干式滤纸式 （包括单级和双级）， 车辆使用工 况较好的， K = 1 2 0 油浴式， 车辆使用工况较好的， K = 6 0 复合式， 车辆使用工况较脏或者非公路用车， K = 3 0 0 3 . 1 .

12、6 空气滤清器保养里程 S = P Q m a x 空气平均含尘量 V m a x 式中S 保养里程 P 储灰量 Q m a x 空滤器额定流量 V m a x 最高车速 空气平均含尘量的确定：参考汽车设计手册 （发动机 附件卷）提供的数据， 见表 1 。 技术纵横24 轻型汽车技术2014 （3） 3 . 1 . 7 最小滤纸面积的确定 主要有以下几种方式确定， 见表 2 。就第二种 计算方式经验值而言， 负荷越大， 单位空气流量所 需的滤芯面积就越大， 具体数值如表 3 所示。 另外， 由供应商提供滤纸承受最高流速： 纸制 过滤介质的最大临界流速 1 1 c m / s ；多层过滤介质 1

13、 7 c m / s ； 无纺布 3 3 c m / s 。 实际计算时， 可以综合考虑三种方式， 最终与 供应商共同确定一个最合适的值。 排尘口是空气滤清器的重要组成部分，排尘 口必须是在总成的最低点， 并且具有单向排尘、 排 水功用。 3.2进气管总成 3 . 2 . 1 性能要求 流阻要求：根据发动机总成对进气系统 的流量要求， 以及对进气系统总的阻力要求， 在额 定流量下，进气管的阻力不能超过整个进气系统 阻力要求的 1 5 %； 进气管总成耐振性要求： 在频率为 2 3 H z , 加速度峰值为3 0 m / s 2 , 振幅为1 . 5 的垂直振动 下， 经过 5 1 0 5 /

14、次振动， 不能出现裂纹， 金属材料 不能出现开焊。试验方法按照 Q C / T 1 5 汽车塑料 制品通用试验方法 ； 耐高温老化试验 （塑料）： 将外观检测合 格的样件置于 9 0 2 的环境下 1 6 8 个小时， 无 明显变形， 裂缝。试验方法按照 Q C / T1 5 汽车塑 料制品通用试验方法 ； 耐寒冲击性 （塑料）： 试样在 - 4 0 * 1 6 h 试验后， 以 3 0 J 能量冲击任何部位， 无破损、 开裂 等异常现象。试验方法按照 Q C / T 1 5 汽车塑料制 品通用试验方法 ； 耐候性 （塑料）： 无外力作用下, 在 - 4 0 - 1 0 0 温度下使用，无明显

15、变形，试验方法按照 Q C / T 1 7 。 3 . 2 . 2 设计要点 进气管最小截面积 （包括原始取气口） 一般是空气滤清器进气管口的 1 . 2 5 倍； 进气管总成不能有明显的缩口，要保持 截面积尽量不变； 原始取气口设计要避开真空区，不能使 雨水直接进入。 3.3空气滤清器总成进出口连接管路 这部分管路，目前使用较广的有以下几种主 要结构： 塑料 P P成型管； 模压成型橡胶管； 表1空气含尘量数据 道路条件空气灰尘浓度 清洁沥青路0.001g/m3 土路0.013g/m3 多灰路、工地0.5g/m3 表2滤纸最小面积确定方式 计算方式公式公式来源 #1Qmax/0.03 微孔滤

16、纸允许的空气流量为 0.03m3/cm2h （汽车设计手册-发动机附 件篇） #2 Qmax单位流量所 需面积 经验值 #3Qmax/vmax供应提供 表3滤芯面积与整车负荷状况的关系 单位空气流量所需滤芯面积负荷状况 2535轻负荷 3545中等负荷 5565重负荷 8090越野型 150以上特别严重 技术纵横 25 轻型汽车技术2014 （3） 图6橡胶钢丝管图7成型橡胶管+金属管 挤压成型橡胶管； 橡胶钢丝管； 成型橡胶管 + 金属管， 参见图 2 图 7 。表 4 是对各种管路优 缺点的比较。 橡胶软管的设计要点： 图2塑料成型管图3塑料成型管 图4模压成型橡胶管图5挤压成型橡胶管 技

17、术纵横26 轻型汽车技术2014 （3） 软管材料基本选用 E P D M三元乙丙材料， 软管壁厚 6 m m左右； 管路耐 1 2 k P a 负压， 连接处不能有泄露； 软管最高使用温度 1 2 0 ，橡胶邵氏硬度 7 0 - 8 0 ； 软管扯断强度不小于 8 N / m m 2 ，扯断延伸 率不小于 3 0 0 %； 径向收缩：在 1 0 0 ， 0 . 1 b a r 负压下， 1 0 %； 软管耐热性： 1 2 0 ， 4 8 h 后， 抗拉强度变化 率2 0 %、延伸变化率4 0 %之内、 硬度变化 1 0 ； 耐寒性： 在 - 4 0 温度下 1 5 分钟无龟裂。 进气系统设计

18、是否合理，可以从静态和动态 两个方面进行评估验证。 4.1静态评估 （1 ）进气系统的所有金属管路、 橡胶管路、 卡 箍不得与车架、 车身及其它的地方干涉， 一般装车 间隙应当大于 2 0 m m ( 经验值) 以上； （2 ）进气口的位置必须可以避免吸入发动机 机舱的高温气体、避免直接吸入雨水及道路飞溅 液体、 避免吸入排气气体； （3 ）空气滤清器的滤芯取出方便， 便于保养； （4 ）保证管路的密封， 软管卡箍的选择必须 合理； （5 ）进气系统的橡胶管与排气管的间隙应当 大于 1 5 0 m m ； （6 ）过渡钢管图纸上应当在内壁焊缝处有除 去焊渣及毛刺的技术要求。 4.2动态验证 用

19、负荷拖车或者在整车转毂上，测量发动机 在最大功率点和最大扭矩点 （两种工况下， 发动机 的水温要达到平衡点）进气系统的一些参数， 具体 要求如下： （1 ）负荷拖车时， 负荷拖车必须要满载， 并且 拖车和试验车之间必须为硬连接。要把试验车的 最大功率点和最大扭矩点拖出，控制试验样车的 车速不超过 3 0 k m / h ， 试验样车要在油门踩到全开 状态下，发动机转速要保证是最大功率点和最大 扭矩点下的转速，并且要把发动机水温拖到平衡 点。 （2 ）试验时， 天气不能下雨， 并且气温要在 表4管路优缺点比较 项目优点缺点使用推荐 塑料PP成型管硬度高，耐负压效果好，外形美观 不能弥补误差，对其

20、他零件精度要求高。 模具 费用高，两端连接部分需要用橡胶软管过渡 车型定位高，并且品种少的成熟 车型上 模压成型橡胶管耐负压效果较好，成本比塑料低 管路较为厚重，外径大，对布置空间要 求高。 模具费用较高 车型定位较高，并且品种少的成 熟车型上。 挤压成型橡胶管模具成本低，改型容易。 装配方便耐负压效果差些，壁厚偏厚 这两种结构目前在跃进卡车上 使用较广泛。 当软管较长时，建 议用钢管过渡 成型橡胶管+金属管钢管可以提高耐负压能力增加装配工艺，并且管路重量会增加 橡胶钢丝管 成本较低，耐负压的能力比纯橡胶软 管好 只能做直管子，外观较差比较适用空间要求简单的车型 4系统验证规范 技术纵横27 轻型汽车技术2014 （3） 图12摩擦片选型及开发流程 本文通过对制动抖动现象、发生机理及影响 因素的概述， 得出由 B T V产生的制动抖动主要是 因 D T V和 L R O导致；同时结合摩擦片匹配对制 动抖动的对比分析，建立了摩擦片的正向对比开 发流程， 如图 1 2 所示。 参考文献 1Jacobsson H. Aspects of Disc Brake Judder. Instn Mech. Engrs