韓甜峰

客車進(jìn)氣口頂置式進(jìn)氣道設(shè)計(jì)

韓甜峰

廈門金龍旅行車有限公司

本文詳細(xì)闡述了XML6126J33車型進(jìn)氣口頂置式進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)及優(yōu)化過程。結(jié)合氣體動(dòng)力學(xué)原理，應(yīng)用UGS NX6.0軟件進(jìn)行曲面設(shè)計(jì)，最終達(dá)到了降低進(jìn)氣阻力的目的。

客車；頂進(jìn)氣；氣體動(dòng)力學(xué)；進(jìn)氣道設(shè)計(jì)；曲面設(shè)計(jì)

XML6126J33車型為廈門金龍旅行車有限公司生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)后置式12m級(jí)豪華客車，發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為F2CE0681B* B052，功率為380 kW。

后置發(fā)動(dòng)機(jī)客車的進(jìn)氣方式大致可以分為側(cè)面進(jìn)氣和頂上進(jìn)氣2種，頂上進(jìn)氣的優(yōu)點(diǎn)是保證了進(jìn)氣的純凈，最大程度地避免了道路污水和灰塵等的侵入，在一定程度上提高了車輛的通過性，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境。缺點(diǎn)是進(jìn)氣道過長，如果設(shè)計(jì)不合理，會(huì)增大進(jìn)氣阻力，嚴(yán)重時(shí)滿足不了發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量需求。

為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)在用戶手中以最經(jīng)濟(jì)、最優(yōu)性能、持久可靠地運(yùn)行，并為設(shè)計(jì)持續(xù)改進(jìn)提供依據(jù)，需要對(duì)新車型的發(fā)動(dòng)機(jī)搭載安裝進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)審。XML6126J33車型第一臺(tái)樣車的發(fā)動(dòng)機(jī)搭載試驗(yàn)在廈門至龍巖高速公路上進(jìn)行。試驗(yàn)依據(jù)為《上菲紅發(fā)動(dòng)機(jī)搭載技術(shù)協(xié)議》和廈門金龍旅行車有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《302-發(fā)動(dòng)機(jī)搭載試驗(yàn)方法和限值》。本次試驗(yàn)對(duì)進(jìn)氣阻力進(jìn)行了測試，實(shí)測結(jié)果如表1所示。

表1 第一次試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)結(jié)果表明發(fā)動(dòng)機(jī)在爬坡行駛和加速行駛2種工況下進(jìn)氣阻力過大，這會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，油耗增大。

1 分析過程

此發(fā)動(dòng)機(jī)為大馬力增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，各個(gè)工況所需的進(jìn)氣量很大，該車型的頂進(jìn)氣道沿用自其他車型，可能滿足不了要求。具體分析如下：

（1）進(jìn)氣道不流暢，阻力過大；

（2）進(jìn)氣口尺寸太小，進(jìn)氣量不夠；

（3）由于壓力傳感器安裝在空濾器之后，懷疑空濾器本身阻力大。

空濾器為外購件，同一批次差別不會(huì)很大，所以即使更換也不會(huì)有很大改善；而且此空濾器的容量已經(jīng)足夠滿足要求。因此需要重新設(shè)計(jì)進(jìn)氣道。

2 原理設(shè)計(jì)

原進(jìn)氣道折彎過多，存在截面突變。如圖1所示：

圖1 原有進(jìn)氣道

根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)可知，氣體在管道內(nèi)的流動(dòng)既有沿程損失又有局部損失[1]。沿程損失是不可避免的，管道越長，沿程損失就越大。而局部損失可以通過控制管道形狀來減小。引起局部損失的原因主要有：

（1）截面突然變化。氣體在管道突然擴(kuò)張?zhí)幉豢赡荞R上貼附于壁面，而是在拐角的尖點(diǎn)處離開壁面形成一系列旋渦，由于摩擦作用，一部分機(jī)械能不可逆轉(zhuǎn)地轉(zhuǎn)換成熱能；

（2）氣流方向急劇變化。氣體在彎曲管道內(nèi)流動(dòng)，由于流線發(fā)生彎曲，氣體在向心力的作用下形成壓強(qiáng)差，這樣氣體在管內(nèi)形成螺旋狀的交替流動(dòng)，從而消耗掉一部分機(jī)械能。

綜上所述，碰撞和旋渦是產(chǎn)生局部損失的主要原因，也是導(dǎo)致阻力增大的主要原因。

因此，為了進(jìn)氣流暢，應(yīng)盡量減少進(jìn)氣道截面突變，并用易成型材料（如玻璃鋼）做成流線型。

3 造型設(shè)計(jì)

在已有車身骨架模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用UG樣條曲線工具進(jìn)行管道走向布置，主要考慮如何在狹小的車身骨架間隙內(nèi)通過。如圖2所示：

圖2 邊界簡化模型

選取合適截面?？蛙囘M(jìn)氣道大部分為鐵制件，少數(shù)有簡易模具，很少采用精密模具加工，更不會(huì)像轎車進(jìn)氣道那樣復(fù)雜。因此，進(jìn)氣道截面形狀要盡量簡單，方便制造。由于現(xiàn)有進(jìn)氣道截面為直徑130 mm的圓形截面，面積為：

為了增大截面面積，將截面拉成近似橢圓形，實(shí)際上由2個(gè)半徑為65的半圓加一個(gè)長方形構(gòu)成，面積為：

改進(jìn)后比之前面積增大49%。受頂進(jìn)氣罩形狀所限，已接近極限尺寸。

應(yīng)用掃掠工具，在關(guān)鍵位置控制截面方向，結(jié)果如圖3、4所示。

圖3 管道截面扭轉(zhuǎn)

圖4 后視圖

一般進(jìn)氣道都有至少一個(gè)諧振腔，為了穩(wěn)定氣流，減小進(jìn)氣噪聲[2]。原進(jìn)氣道，也有一個(gè)封箱，起到諧振腔和除濕的作用。因此等截面掃描后的管道不能滿足要求，需要考慮變截面方案。

根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)可知，管道截面積變化對(duì)氣流參數(shù)是有影響的[1]。對(duì)于亞聲速氣流，在收縮形管道中，速度和馬赫數(shù)增大，壓強(qiáng)、密度和溫度減小；在擴(kuò)張形管道中，速度和馬赫數(shù)減小，壓強(qiáng)、密度和溫度增加。為了達(dá)到使氣流加速的效果，管道必然有收縮段；為了達(dá)到集氣的作用，管道必然有擴(kuò)張段，又由氣體動(dòng)力學(xué)可知，管道擴(kuò)張角為6°～12°時(shí)能量損失最小。考慮車身骨架空間的限制，決定采用兩級(jí)擴(kuò)張的方案，并控制管道中任意一處截面面積均大于進(jìn)口截面。應(yīng)用UG造型工具，根據(jù)車身骨架的約束，經(jīng)過多次調(diào)整后，結(jié)果如圖5所示：

圖5 盡可能充分利用有限空間

進(jìn)氣過程氣流狀態(tài)為：由大氣進(jìn)入進(jìn)氣道（加速、冷卻）——進(jìn)入擴(kuò)張段（減速、穩(wěn)定、增壓）——進(jìn)入收縮段（加速、冷卻）——進(jìn)入最后擴(kuò)張段（減速、增壓、水汽凝結(jié)）——進(jìn)入空濾器。

考慮安裝方便，管道分上下兩段，對(duì)接處用泡沫膠密封。最終方案如圖6所示：

圖6 采用自攻釘固定在車身骨架上

上文已經(jīng)提到，沿程損失是不可避免的，而且隨管道長度增加而增大?，F(xiàn)在管道比較長，似乎應(yīng)該計(jì)算一下具體值，以便優(yōu)化。但是，客車行業(yè)現(xiàn)有的技術(shù)與工藝不允許我們過多關(guān)注沿程損失的具體值，我們能做的只是盡量減小其損失，落實(shí)到制造上就是盡量降低管壁的摩擦系數(shù)[1]。

4 加工制造

由于客車進(jìn)氣道裝車后一般不拆卸，隱藏在車身內(nèi)部，因此對(duì)表面美觀度無要求，但是為了進(jìn)氣流暢，內(nèi)壁要光滑?？紤]到此進(jìn)氣道形狀復(fù)雜，決定采用玻璃鋼[3]制造，內(nèi)壁要求光滑。

玻璃鋼是由玻璃纖維增強(qiáng)的塑料基復(fù)合材料，其強(qiáng)度相當(dāng)于鋼材，擁有像玻璃那樣具有耐腐蝕、絕緣、隔熱和易成型等優(yōu)點(diǎn)。其成本也十分低廉。

委托廈門當(dāng)?shù)匾患也Ａт摷庸S開模，并加工出產(chǎn)品，然后拆卸原有進(jìn)氣道，換裝新開發(fā)的進(jìn)氣道。這是一個(gè)協(xié)同性要求很高的過程。

5 二次試驗(yàn)

更換進(jìn)氣道后，再次進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)搭載試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，據(jù)駕駛員反應(yīng)：可以明顯感覺到發(fā)動(dòng)機(jī)加速有力，反應(yīng)迅速。試驗(yàn)結(jié)果符合要求，如表2所示。

表2 第二次試驗(yàn)數(shù)據(jù)

采用重新設(shè)計(jì)的進(jìn)氣道之后，大大降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣阻力，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的功率得到自由釋放。相信改進(jìn)之后，發(fā)動(dòng)機(jī)的排放和油耗也會(huì)得到改善?？磥?，這次設(shè)計(jì)不僅僅是一項(xiàng)技術(shù)革新，更是對(duì)節(jié)能環(huán)保呼聲的一次響應(yīng)。

[1] 王新月.氣體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社,2006.

[2] 陳南.汽車振動(dòng)與噪聲控制[M].北京：人民交通出版社,2005.

[3] 鄒寧宇.玻璃鋼制品手工成型工藝[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

Design of Overhead Air Intake Type Inlet for Passenger Buses

Han Tianfeng

(Xiamen King Long Van Co., Ltd., Xiamen 361022, China)

The design and optimization process of overhead air intake type inlet of XML6126J33 bus were expounded. Combined with gas dynamics, the UGS NX6.0 software was employed to design the curved surface to achieve the goal of reducing intake resistance.

bus; overhead air intake; gas dynamics; inlet design; curved surface design