淺談海馬系列發(fā)動機進排氣系統(tǒng)的演變

1、淺談海馬系列發(fā)動機進排氣系統(tǒng)的演變設計開發(fā)部 董國強 摘要：進/排氣系統(tǒng)對于發(fā)動機的動力性能、經濟性能和排放來說是十分重要的。良好進/排氣系統(tǒng)的設計可以使發(fā)動機總體性能有很大提高，排放也會有所改善，而不合適的進/排氣系統(tǒng)往往會帶來相反的效果。通過觀察進/排氣系統(tǒng)結構，對現有發(fā)動機技術將有更好的了解；通過研究發(fā)動機進/排氣系統(tǒng)的演變，可以學習到設計工作者的設計思路，以及可以更好的理解進/排氣系統(tǒng)對發(fā)動機性能和排放的影響方式，這對以后以HM470Q為工作對象的工作內容來說，會有很大的幫助。關鍵詞：進/排氣系統(tǒng)Abstract：Intake and exhaust system to the eng

2、ine power ,economy and emission is very important .A appropriate design can significantly improve the overall performance of the engine ,emission would be improved too ,while the inappropriate intake and exhaust systems are often brings the opposite effect.By observing the inject and exhaust system

3、structure , have a better understanding of the technology on the existing engine ;by comparing the different intake and exhaust system design ,to learn the design ideas ,as well as better understanding into how the intake and exhaust system affect the overall performance of the engine ,which for wor

4、k on subsequent work of HM470Q as the contents of the work object ,there will be great help.Key Word： Intake and exhaust system第一章發(fā)動機進氣系統(tǒng)演變一、 HM483Q系列發(fā)動機進氣系統(tǒng)簡介進氣系統(tǒng)由節(jié)氣門、進氣歧管等零件組成。該系統(tǒng)是發(fā)動機合理組織進氣的通道。1、 采用了可變進氣慣量進氣系統(tǒng)。通過開啟或關閉進氣歧管內的蝶閥來改變進氣系統(tǒng)的等效慣量（低轉速時小的慣量，高轉速時大的慣量），以使發(fā)動機在整個轉速范圍內都獲得盡可能多的進氣（充量），從而提升發(fā)動機在整個運轉范

5、圍內的性能。進氣慣量的轉變通過可變進氣充量電磁閥實現：根據ECU傳來的信號，控制執(zhí)行閥動作，實現發(fā)動機高、低轉速時進氣歧管大、小慣量的切換。2、483Q進氣歧管上還集成有、真空助力管、進氣壓力傳感器、機械式節(jié)氣門、曲軸箱通風管、燃油導軌等裝置。機械式節(jié)氣門上有節(jié)氣門位置傳感器和怠速控制閥等機構。483Q進氣歧管為鋁制件?？紤]到制造工藝，將進氣歧管分上下兩部分，中間用密封墊密封，用螺栓固定。二、 HM479Q系列發(fā)動機進氣系統(tǒng)演變1、基本結構的重大變化1.1采用進氣VVT（可變氣門正時）技術。479Q發(fā)動機使用進氣VVT，同樣可以提升發(fā)動機性能，原因在于：進氣VVT可以改變氣門重疊角，在發(fā)動機運

6、轉過程中，低速時采用小的氣門重疊角，防止新鮮空氣倒流，以便增加低速轉矩，提高燃油經濟性，高速時氣門重疊角，以便進入更多的混合氣，以滿足高速時動力性要求，從而提高發(fā)動機性能。進氣VVT相對于可變進氣慣量系統(tǒng)的優(yōu)點在于：可變進氣充量系統(tǒng)的工作節(jié)點在4700r/min，而進氣VVT可以在全轉速范圍調節(jié)進氣充量，最大程度提高發(fā)動機性能，并減少排放。可變進氣慣量進氣結構重量較大，采用VVT系統(tǒng)可以減重。1.2采用塑料進氣歧管不同材料的進氣歧管的優(yōu)缺點，如表1所示： 483Q進氣歧管479Q進氣歧管材料TAC2B（鋁合金）PA6+GF30（尼龍6+玻纖30%）工藝砂芯鑄造，機加工注塑-焊接-冷插

7、-熱插優(yōu)點剛度、強度好，振動小氣道光滑、進氣阻力小，重量輕（2.1Kg），制作工藝簡單，成本低缺點氣道粗糙、進氣阻力大，重量大（6.5Kg），成本較高剛度較差，模態(tài)差，本體試驗要求苛刻表1 483Q、479Q進氣歧管對照表2、重新設計進氣歧管的必要性。2.1 HM483Q采用的是可變進氣慣量進氣系統(tǒng)，如果采用VVT進氣技術需要設置獨立的進氣道形式。2.2 進氣系統(tǒng)采用塑料進氣歧管。應考慮強度和剛度的限制，需要重新設計進氣歧管。2.3 伴隨著進氣系統(tǒng)采用塑料進氣歧管，原節(jié)氣門的支撐固定方式已經難以滿足強度和剛度要求，需要對該部分的支撐固定方式重新討論。三、HM484Q系列發(fā)動機進氣系統(tǒng)演變1、基

8、本結構的重大變化1.1 采用進排氣雙VVT設計冷啟動時HC、CO的排放可以達到整個工況排放的70%，NOx排放的50%。三元催化器開始起作用的溫度是200攝氏度左右，最佳工作溫度在400攝氏度至800攝氏度, 所以在發(fā)動機冷啟動時，催化器的快速起燃對排放性能至關重要。排氣VVT可以控制排氣正時，使排氣門提前打開，發(fā)動機后燃，一部分燃氣在排氣道中燃燒，可以使排氣管溫度迅速升高，催化器更早的開始工作，從而達到減排目的。1.2 取消傳統(tǒng)機械式節(jié)氣門一些裝置，采用電子節(jié)氣門體電子節(jié)氣門體與電子油門踏板、ECU構成ETC系統(tǒng)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械式節(jié)氣門體，由系統(tǒng)來精確控制發(fā)動機的進氣量。取消了油門拉線和怠速控

9、制器。 機械式節(jié)氣門體比不上電子控制的快速與精準，造成反應不夠迅速與直接；除此之外，鋼纜式的控制機構還會有機械磨耗的問題，使用時間愈久，控制就會愈不精準、反應也就愈慢。1.3 取消進氣壓力傳感器，采用進氣流量傳感器在壓力變化比較大時，進氣壓力傳感器數據不夠準確。使用進氣流量傳感器可以精確控制進氣量，同時使VVT控制更精確，可以更好的發(fā)揮發(fā)動機性能。2、重新設計進氣歧管的必要性同HM479Q3、在設計中還應注意的事項原HM479Q系列發(fā)動機上采用的是電子節(jié)氣門，在HM484Q系列發(fā)動機上采用的是電子節(jié)氣門，電子節(jié)氣門在結構上取消了傳統(tǒng)機械式節(jié)氣門的鋼纜拉動裝置，使進氣歧管受到的外力減少，在綜合考

10、慮結構強度和振動噪聲的前提下，對進氣歧管的彈性支撐的重新設計。四、HM474Q系列發(fā)動機進氣系統(tǒng)演變1、基本結構的重大變化1.1采用對進氣系的布置有利的向后方傾斜布置（15°）方式受發(fā)動機艙空間狹窄的限制，進氣系布置于車輛前方,發(fā)動機搭載時向后方傾斜15°， 2、重新設計進氣歧管的必要性同HM479Q五、進氣歧管的設計開發(fā)1、開發(fā)方針1.1性能目的：低中速扭矩型，高速性能型1.2材質：HM483Q發(fā)動機選用鋁合金進氣歧管，其余發(fā)動機機型選用塑料進氣歧管。1.3基本結構：基本結構HM483QHM479QHM4843QHM474Q可變進氣/固定進氣可變進氣 固定進氣固定進氣固定

11、進氣有無彈性支撐有彈性支撐有彈性支撐有彈性支撐有彈性支撐一體型/組合型組合型一體型一體型一體型噴油嘴的安裝進氣歧管進氣歧管進氣歧管缸蓋有/無EGR 閥無無無無2、進氣歧管設計開發(fā)流程2.1 給定輸入條件及空間2.2 方案設計及確認針對上述條件，一般要設計幾個方案，結合性能、出模、安裝等方面對方案進行評估、最終選定設計方案。2.3 氣道設計穩(wěn)壓腔容積主要影響發(fā)動機的響應速度。穩(wěn)壓腔容積越小，發(fā)動機產生功率的時間短，響應速度就越快；穩(wěn)壓腔容積越大，發(fā)動機產生功率的時間長，響應時間就越慢。一般來說，進氣歧管穩(wěn)壓腔容積的大小為發(fā)動機排量的70%80%左右。 長度的試驗，結合設計經驗進行設計。一般來說，

12、為達到發(fā)動機動力性及經濟性，要求發(fā)動機在高轉速、大負荷時裝備粗短的進氣歧管；而在中、低轉速和中、小負荷是配用細長的進氣歧管。因此，為兼顧發(fā)動機各轉速及負荷都能達到要求的動力性、經濟性，進氣歧管長度及氣道形狀設計顯得尤為重要。 氣道設計其次要確定合適的氣道入口等效直徑。一般來說，在缸蓋確定的前提下，進氣歧管出口是固定不變的。因此，入口大小成為主要研究對象發(fā)動機在中低轉速和中、小負荷下，入口小的進氣歧管發(fā)動機性能明顯好于入口大的進氣歧管；發(fā)動機在高轉速、大負荷時，發(fā)動機高速段，進氣歧管入口加大，進氣量增加，發(fā)動機性能大幅提高。 干涉，為了避讓螺栓裝配等，局部可以小于11。盡可能的減小進氣阻力和各缸

13、壓力將，并且盡量做到各缸進氣平衡。這些設計都依賴于CFD分析。 2.4 CFD分析CFD分析主要是針對氣道設計，對進氣性能進行模擬，對各缸進氣量、進氣壓力降、各缸進氣均衡性進行評估，找出對進氣阻礙較大的部位，從而對氣道進行優(yōu)化。內腔設計要盡可能的減少進出口壓力降，不影響進氣流速，并且盡量不要在進氣過程中產生進氣渦流，從而增加進氣量。一般來說，進氣均衡性必須保證在±1%以內。 2.5 快速成型結構設計弱處加加強筋，如能鏤空處盡量做出鏤空以減輕產品的重量和減小產品縮水。2.6 整車數模搭載確認快速成型結構設計完成后，需要提供給整車數模進行搭載，主要確認進氣歧管外部接口位置是否合理，與周邊

14、零部件是否產生干涉等。2.7 快速成型件制作的快速成型件可用于臺架耐久及道路試驗，但存在一定的風險。2.8 裝配驗證及性能確認2.9 詳細設計布置討論布置計劃：與周邊零部件的間隙，安裝和拆卸是否方便。搭載計劃：發(fā)動機搭載時通過間隙，搭載后靜態(tài)和動態(tài)間隙，搭載后周邊零部件是否方便維修保養(yǎng)2.10 CAE分析詳細設計是否合理都依賴于CAE分析結果，對強度、模態(tài)進行模擬分析、計算，尤其焊接部位的強度分析。按以下項目實施CAE分析: 強度分析； 振動分析； 頻率響應分析； 性能預測模擬。2.11 結構評審各項設計完成后，需對結構作全面、詳細的評審，設計方對結構作詳細的解釋，并提供CFD、CAE分析結果

15、；HMPC針對性能結果、搭載情況等給出相關意見。2.12 2D設計/修改針對評審結論，對數模修改確認后出2D圖，原則上要求有詳細設計參數。2.13 模具及相關工裝制作測臺、爆破壓力試驗臺等。2.14 工裝樣件性能確認工裝樣件制作后，對發(fā)動機性能要再次確認，理論上應該比快速成型件性能更好。2.15 進氣歧管本體試驗涉及到安全等方面的考慮，需要對進氣歧管本體進行高溫放置性、低溫放置性、壓力沖擊耐久、復合耐久性、耐臭氧性、耐水性、耐腐蝕性、耐藥品性、耐沖擊性、耐濕性等11項的耐久試驗。第二章發(fā)動機排氣系統(tǒng)演變一、 HM483Q系列發(fā)動機排氣系統(tǒng)簡介排氣系統(tǒng)由排氣歧管、排氣歧管隔熱罩等零件組成。該系統(tǒng)

16、是發(fā)動機合理組織排氣的通道。相對于原型機，HM483Q改進項目：1、取消EGR系統(tǒng)，減少發(fā)動機零部件，增強維修方便性。2、采用鑄鐵排氣歧管，剛度和強度都較好，成本較低。二、 HM479Q系列發(fā)動機排氣系統(tǒng)演變1、設計方針的重要變化1.1采用不銹鋼焊接進氣歧管為了對應越來越嚴格的排放法規(guī)，要求排氣歧管的低熱容量化，另外，為了降低油耗，要求提高排氣溫度，因此采用不銹鋼焊接件排氣歧管。由于不銹鋼焊接材料的剛度和強度都比鑄鐵好，在滿足使用要求的前提下，排氣管管壁可以有一定的減少。1.2 HM483Q、HM479Q進氣歧管對照如表2所示：483Q排氣歧管479Q排氣歧管材料FC（鑄鐵）不銹鋼工藝砂芯鑄造

17、，機加工沖壓+焊接優(yōu)點剛度、強度好，成本低比熱小，有利于催化，排氣道光滑、排氣阻力小、重量輕，壁厚2mm缺點比熱大，不利于催化，排氣道不光滑、排氣阻力大、重量重，壁厚4-6mm剛度、強度較差，成本較高表2 483Q、479Q進氣歧管對照表2、排氣歧管重新設計原因。2.1 由于排量變化，排氣歧管可能需要重新設計。氣道形狀和長度應重新設計，但需要對應排量變化的要求，并且由于發(fā)動機輪廓尺寸也發(fā)生變化，可能會產生車體側搭載的限制變化的問題，因此可能需要對設計形狀進行變更。2.2 另外，伴隨著排氣系統(tǒng)采用不銹鋼焊接排氣歧管。強度和剛度有很大提高，應減少壁厚，需要重新設計排氣歧管。2.3 在設計形狀的時候

18、，需要考慮到平滑的形狀變化。3、設計上注意事項排氣歧管的通路直徑、形狀等是對發(fā)動機輸出和排放性能都有很大的影響，但在設計過程中還要考慮其他的注意事項。3.1緊耦型催化轉化器隨著排氣法規(guī)的強化，為了讓催化劑在短時間內能達到起燃溫度，需要在盡量靠近發(fā)動機排氣岐管的位置設置緊耦型催化轉化器3.2設計上要考慮發(fā)動機整體的熱害問題如果在排氣歧管上覆蓋隔熱罩，熱量散發(fā)不出去，排氣歧管的表面溫度會上升，排氣歧管需要采用高成本的材料，高溫氣體會從隔熱材的間隙中散發(fā)出去（在該部位的零部件發(fā)生熱損害）。4、排氣歧管型式選定HM479Q排氣歧管在實際設計中，認為原HM483Q排氣形式可以沿用，可以盡量減少對原型機的

19、變動，但斷面形狀、氣道長等因素根據實驗確定。HM479Q、HM479Q-V2發(fā)動機采用不銹鋼焊接排氣歧管。HM479Q-B發(fā)動機是HM479Q系列發(fā)動機的經濟型，為減少成本考慮，仍然采用鑄鐵進氣歧管。三、 HM484Q系列發(fā)動機排氣系統(tǒng)演變1、HM484系列發(fā)動機排氣歧管形式和規(guī)格HM484Q發(fā)動機排氣歧管和HM479Q發(fā)動機排氣歧管通用。1.1 HM484Q發(fā)動機與HM479Q發(fā)動機都是以HM483Q發(fā)動機為平臺研發(fā)的，HM484Q發(fā)動機與HM479Q發(fā)動機有著相同的缸心距、排氣門傘徑以及相同的排氣角等因素，并且缸蓋接口設計相同，這為采用通用的排氣歧管提供了依據。1.2 HM484Q和HM479Q發(fā)動機在車身布局上有較大的空間，搭載的限制因素較小，為采用通用排氣歧管提供了可能性。1.3 為節(jié)約成本和零部件通用性考慮，在HM484Q設計過程中，盡量保證排氣歧管與HM479Q發(fā)動機排氣歧管通用。1.4經性能試驗、耐久試驗、NV試驗、實車搭載試驗驗證，使用479排氣歧管完全可以滿足對排氣性能的要求。四、 HM474Q系列發(fā)動機排氣系統(tǒng)演變1、進/排氣配置：1.1 對于后方排氣的場合，由支管不等長的短排氣歧管變更為各支管等長的長管排氣歧管。發(fā)動機后方排氣方式，將提高觸媒和排氣歧管的設計自由度，將能夠開發(fā)出高性能的排氣系統(tǒng)，近年來在新型發(fā)動機上得到了廣泛的應用。1.2 后方排氣方式，