羅宏錦　胡德勇　李銳

摘 要：本文介紹乘用車(chē)進(jìn)氣系統(tǒng)常用的布置方式及進(jìn)氣系統(tǒng)理論模型的計(jì)算，為進(jìn)氣系統(tǒng)前期設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：進(jìn)氣系統(tǒng) 計(jì)算 布置設(shè)計(jì) 聲學(xué)設(shè)計(jì) 消音容積 壓力損失 噪聲

The Prophase Design of Air Intake System for Passenger Car

Luo Hongjin Hu Deyong Li Rui

Abstract：The normal lay-out of air intake system in passenger vehicles and the calculate model air intake system are introduced in this paper， providing theoretical basis for prophase design of air intake system.

Key words：air intake system， calculation， lay-out and design， acoustic design， sound volume， pressure loss， noise

1 前言

進(jìn)氣系統(tǒng)作為發(fā)動(dòng)機(jī)空氣管理系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)考慮以下因素：首先，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中燃料需要同適當(dāng)比例空氣混合才能完全燃燒，通常1kg的汽油所需空氣約為1418kg。發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量受多種因素制約， 如果進(jìn)氣管路阻力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量不足，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放指標(biāo);其次，進(jìn)氣系統(tǒng)應(yīng)盡量避免水、雪、灰塵和雜質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)，否則容易加大發(fā)動(dòng)機(jī)磨損，影響發(fā)動(dòng)機(jī)壽命;再次，進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲是整車(chē)噪聲主要貢獻(xiàn)之一，還需保證進(jìn)氣口與節(jié)流閥體之間具備足夠的空間消聲元件從而達(dá)到控制噪聲作用。

因此進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需從整車(chē)布置綜合考慮，找出一種比較理想的方案，使進(jìn)氣系統(tǒng)能為發(fā)動(dòng)機(jī)提供潔凈且充足的空氣，確保發(fā)動(dòng)機(jī)性能的正常發(fā)揮以及可靠性，同時(shí)能達(dá)到消音降噪的作用，提升整車(chē)噪聲水平及舒適性。

2 計(jì)算模型

2.1 按吸氣量計(jì)算

以寶駿車(chē)型為例，其匹配的是四沖程四缸1.5L汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，該機(jī)型基本參數(shù)如下：

缸徑D=74.7mm;行程H=84.7mm;額定功率Pe=82KW（ne=5800r/min）;汽缸數(shù)i=4。

忽略充氣效率和進(jìn)氣阻力的影響，該發(fā)動(dòng)機(jī)理論進(jìn)氣量可按以下方式求出：

根據(jù)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)作功原理，曲軸每轉(zhuǎn)兩周，發(fā)動(dòng)機(jī)每缸各做功一次，吸氣一次，則在額定功率下，發(fā)動(dòng)機(jī)各缸做功次數(shù)j= ne/2：

單個(gè)汽缸的理論進(jìn)氣量 Vi=jπ（D/2）2H

設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出功率為額定功率，則單位時(shí)間里發(fā)動(dòng)機(jī)理論充氣量V =iVi=ijπ（D/2）2H=4×5800/2×π×（74.7/2）2×84.7×10-9=4.304（m3/min）

由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒時(shí)實(shí)際所需空氣要遠(yuǎn)大于理論空氣量，因此，該發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際消耗空氣量要遠(yuǎn)大于4.303m3/min。

2.2 按照燃燒化學(xué)特性計(jì)算

汽油的主要成分是碳（C）、氫（H）元素，假設(shè)其他雜質(zhì)忽略不計(jì)，設(shè)1kg的汽油中含C、H、O的重量成分各為gc、gh（kg），則： gc+gh=1kg

假定汽油油中C、H完全燃燒，其化學(xué)方程式分別是：C+O2=CO2;H2+1/2O2= H2O。

碳（C）、氫（H）和氧（O）的原子量分別為C=12，H=1，O=16，根據(jù)上式可知，1mol碳完全燃燒需要1mol氧氣，即12g碳原子完全燃燒需要16×2=32g氧原子;1mol氫完全燃燒需要1/2mol氧氣，即1×2g氫原子完全燃燒需要1/2×16×2=16g氧原子。

因此燃燒1kg汽油，理論上所需的氧氣量為：

O2min=32/12gc+16/2gh（kg）

即O2min=8/3gc+8gh（kg）

而在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1.101×105Pa，汽油中碳元素的質(zhì)量成分為84.2%，氫元素的質(zhì)量成分為15.8%，空氣中氧的相對(duì)質(zhì)量成分為23.2%，因此理論上完全燃燒1kg汽油所需空氣量為：

La=1/0.232×（8/3gc+8gh）

=1/0.232×（8×0.842/3+8×0.158）

=15.12kg

2.3 進(jìn)氣量確定

通過(guò)上述理論計(jì)算，我們對(duì)該機(jī)型進(jìn)氣消耗量就有了一個(gè)設(shè)計(jì)參照依據(jù)，可先將上面所得到的兩種種數(shù)據(jù)流量取平均值（取單位時(shí)間里的空氣需求量）。

根據(jù)以上分析計(jì)算，兩種結(jié)果分別為：

V=4.304m3/min

La=15.12kg

通過(guò)單位換算，可以計(jì)算出該車(chē)型匹配的空濾器流量（平均值）：

Q=1/2（V+La）

根據(jù)該機(jī)型的萬(wàn)有特性曲線，并考慮整車(chē)功率儲(chǔ)備情況，發(fā)動(dòng)機(jī)在額定功率下燃油消耗量為14.45kg/h，即在該條件下需要60/min的時(shí)間燃燒掉1kg 的汽油，所以

Lb′=15.12/（60/14.45）

=3.654（m3/min）

所以Q=1/2（4.304+3.654）=3.979（m3/min）

2.4 管徑確定

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)， 空氣從管口流經(jīng)進(jìn)氣管道并進(jìn)入空濾，由于管壁存在摩擦及管路變化形成阻礙作用， 進(jìn)氣壓力和氣體流速也在不斷變化，因此需要對(duì)進(jìn)氣截面進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算分析。

假定該寶駿車(chē)型在額定功率下行駛，可以粗略算出其進(jìn)氣管道的最小截面積。最高檔傳動(dòng)比io=0.742，后橋速比ig=3.37

根據(jù)額定功率時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以求出此時(shí)的速度Va=130.8km/h。

在環(huán)境中風(fēng)速不大于2級(jí)情況下， 假設(shè)進(jìn)氣溫升為0，忽略外界風(fēng)速和整車(chē)造型的影響，按照相對(duì)性原理，車(chē)輛在額定功率下行駛，其進(jìn)氣口處的空氣流速可以達(dá)到130.8km/h ，在空氣進(jìn)入進(jìn)氣管道內(nèi)部后，由于進(jìn)氣截面變小以及管壁阻力作用，當(dāng)?shù)竭_(dá)空濾器入口處時(shí)流速降低約25%。

設(shè)進(jìn)氣管道最小截面積為A ，要保證空濾器當(dāng)前空氣流量，需滿足條件為：A ×Vb×60≥Q。式中

A——進(jìn)氣管道最小截面積，m2;

Vb——空濾器入口處空氣流速，m/s;

Q——空濾器的額定流量，m3/min。

取Vb=（1-25%）Va，按上式可得出A ≥23.9×10-4m2。

同樣地，按照上述公式，也可計(jì)算出進(jìn)氣入口最小面積B為B×Va×60≥Q，即B≥17.9×10-4m2。

以上計(jì)算結(jié)果是忽略了空氣進(jìn)氣內(nèi)部的流動(dòng)損失以及進(jìn)氣溫度和壓力變化較小的情況下得出的。在實(shí)際工程應(yīng)用中，進(jìn)氣系統(tǒng)的壓降與進(jìn)氣系統(tǒng)布置的結(jié)構(gòu)和形式有很大的關(guān)聯(lián)，除了參考理論計(jì)算值外，還需根據(jù)不同車(chē)型的布置情況以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以適應(yīng)性分析，從而得出比較合理的管道進(jìn)氣截面積。

3 進(jìn)氣口布置

進(jìn)氣系統(tǒng)是由臟空氣管總成、空氣濾清器總成和干凈空氣管總成等組件組成。進(jìn)氣系統(tǒng)的主要功用是為發(fā)動(dòng)機(jī)輸送充足而穩(wěn)定的潔凈冷空氣。如何將外部潔凈冷空氣導(dǎo)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，是保證發(fā)動(dòng)機(jī)性能正常發(fā)揮的一個(gè)先決條件。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，車(chē)輛行駛過(guò)程中空氣是貼著車(chē)子表面向后流動(dòng)的。受整車(chē)前端零件的影響，空氣在車(chē)輛兩側(cè)的分布是不均勻的，進(jìn)氣口應(yīng)盡量布置在空氣流量大、流速高、壓力大而阻力小的區(qū)域。該區(qū)域跟整車(chē)造型密切關(guān)聯(lián)，一般來(lái)說(shuō)造型不同，空氣量也不同，空濾阻力系數(shù)也不同。在前期設(shè)計(jì)時(shí)，該區(qū)域可以通過(guò)對(duì)整車(chē)做流體仿真分析得出，用于指導(dǎo)進(jìn)氣口位置的布置。

目前乘用車(chē)上比較常用的三種進(jìn)氣口布置方式如下：

第一種，進(jìn)氣口布置在車(chē)輛正前方，位于進(jìn)氣格柵之后散熱器之前的上方，且進(jìn)氣口朝前，如圖1。該布置形式有利于吸收足量的冷空氣到進(jìn)氣系統(tǒng)，提升進(jìn)氣效率及發(fā)動(dòng)機(jī)性能。進(jìn)氣口遠(yuǎn)離駕乘艙，進(jìn)氣噪聲向車(chē)外傳播，利于改善整車(chē)噪聲水平。其缺點(diǎn)是容易將空氣中的灰塵雜質(zhì)、水和雪吸入進(jìn)氣系統(tǒng)，影響子系統(tǒng)及發(fā)動(dòng)機(jī)性能發(fā)揮。

第二種，進(jìn)氣口布置在發(fā)動(dòng)機(jī)前方，位于散熱器之后，如圖2。該布置形式進(jìn)氣口，由于前端有許多零件阻擋和保護(hù)作用，有利于防止空氣中的灰塵雜質(zhì)、水和雪吸入進(jìn)氣系統(tǒng)。缺點(diǎn)是其較第一種離駕乘艙較近，噪聲傳到駕駛艙的量較大，車(chē)內(nèi)噪聲相對(duì)較差。進(jìn)氣口位于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的散熱器之后，容易吸收經(jīng)散熱器之后的熱空氣以及低速工況下的艙內(nèi)熱回流空氣，造成進(jìn)氣溫度偏高，使進(jìn)氣效率降低，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率。

第三種，進(jìn)氣口布置在機(jī)艙兩側(cè)大燈之后的側(cè)板里面，如圖3。其優(yōu)點(diǎn)是由于有側(cè)板將進(jìn)氣口和外界及機(jī)艙隔開(kāi)，有效防止空氣中雜質(zhì)灰塵、雨雪和熱空氣進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng);缺點(diǎn)是進(jìn)氣口離駕乘艙距離更近，所以噪聲更容易傳到駕乘艙使車(chē)內(nèi)噪聲變大，另外，進(jìn)氣口與側(cè)圍零件容易形成共鳴腔而發(fā)出共鳴聲，導(dǎo)致車(chē)內(nèi)噪聲更大，影響整車(chē)NVH性能。

4 進(jìn)氣系統(tǒng)NVH

進(jìn)氣系統(tǒng)管口噪聲是汽車(chē)最主要噪聲源之一，它不僅影響整車(chē)內(nèi)噪，還會(huì)影響整車(chē)通過(guò)噪聲，這些噪聲會(huì)對(duì)整車(chē)NVH品質(zhì)和舒適性產(chǎn)生重要影響。因此整車(chē)開(kāi)發(fā)前期很有必要對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)做聲學(xué)設(shè)計(jì)。

進(jìn)氣系統(tǒng)消音降噪功能主要通過(guò)設(shè)計(jì)擴(kuò)張消音器和旁支消音器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

消音容積是進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)首要考慮因素。消音容積是指空氣濾清器總成和赫爾姆茲消音器的容積之和。通常是消音容積越大，可調(diào)頻帶越寬，傳遞損失也越大，而赫爾姆茲消音器容積越大調(diào)頻越低。當(dāng)然也不是容積越大越好，容積大意味著重量大，占用空間大，成本越高。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于四缸和六缸發(fā)動(dòng)機(jī)，空濾容積要求達(dá)到4至5倍發(fā)動(dòng)機(jī)排量，而赫爾姆茲消音器容積要求達(dá)到1.5至2倍的發(fā)動(dòng)機(jī)排量即可。

旁支消音器包括赫爾姆茲消音器和1/4波長(zhǎng)管。兩個(gè)消音元件通常用于消除進(jìn)氣系統(tǒng)中窄頻帶噪聲，其中赫爾姆茲消音器用于消除低頻噪聲，而1/4波長(zhǎng)管用于消除中高頻噪聲。

值得注意的是，空氣濾清器總成通常是聲模態(tài)結(jié)點(diǎn)，而共振消音器應(yīng)設(shè)計(jì)在進(jìn)氣系統(tǒng)聲模態(tài)反結(jié)點(diǎn)上才能起作用，因此共振消音器設(shè)計(jì)時(shí)盡量避免 。

進(jìn)氣管道的截面積是聲學(xué)設(shè)計(jì)的第二要素。擴(kuò)張消音器管道的截面積越小，擴(kuò)張比越大，傳遞損失就越大，消音效果就越好，圖4為不同管徑下某進(jìn)氣系統(tǒng)的傳遞損失。同樣，進(jìn)氣管道截面積也并非越小越好，如果進(jìn)氣管道太小，氣流通過(guò)是流速就越高，氣體與管壁摩擦力就越大，產(chǎn)生的氣流噪聲也就越大，另外進(jìn)氣系統(tǒng)壓力損失也越大，進(jìn)氣系統(tǒng)綜合性能將受到影響，圖5為不同管徑下某進(jìn)氣系統(tǒng)的壓力損失。因此，為了平衡消音降噪和壓力損失性能，通常的方法是采用喉管改變擴(kuò)張比，進(jìn)氣管道流速控制在25m/s到30m/s之間。

隨著增壓發(fā)動(dòng)機(jī)越來(lái)越普及，發(fā)動(dòng)機(jī)聲學(xué)特性變得越來(lái)越復(fù)雜，主要表現(xiàn)在高頻噪聲。因此進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能設(shè)計(jì)也經(jīng)常用編織管和多孔管消音組件等結(jié)構(gòu)。編織管通常連接在進(jìn)氣管路上，而多孔消音器占用容積并不大。因此在前期設(shè)計(jì)時(shí)只需適當(dāng)預(yù)留消音容積即可。消音元件具體參數(shù)的設(shè)計(jì)，通常是根據(jù)實(shí)車(chē)調(diào)音設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的消音單元實(shí)現(xiàn)消音降噪功能。

5 結(jié)論

本文主要從主機(jī)廠設(shè)計(jì)人員角度出發(fā)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)前期設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，明確在整車(chē)應(yīng)用中如何對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)前期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，介紹了進(jìn)氣系統(tǒng)常用的布置形式以及進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)的基本要求，為設(shè)計(jì)人員在整車(chē)布置和開(kāi)發(fā)前期提供參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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