淺談海馬系列發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的演變

1、淺談海馬系列發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的演變設(shè)計開發(fā)部 董國強(qiáng) 摘要：進(jìn)/排氣系統(tǒng)對于發(fā)動機(jī)的動力性能、經(jīng)濟(jì)性能和排放來說是十分重要的。良好進(jìn)/排氣系統(tǒng)的設(shè)計可以使發(fā)動機(jī)總體性能有很大提高，排放也會有所改善，而不合適的進(jìn)/排氣系統(tǒng)往往會帶來相反的效果。通過觀察進(jìn)/排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對現(xiàn)有發(fā)動機(jī)技術(shù)將有更好的了解；通過研究發(fā)動機(jī)進(jìn)/排氣系統(tǒng)的演變，可以學(xué)習(xí)到設(shè)計工作者的設(shè)計思路，以及可以更好的理解進(jìn)/排氣系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)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(nèi)容來說，會有很大的幫助。關(guān)鍵詞：進(jìn)/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(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)演變一、 HM483Q系列發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)簡介進(jìn)氣系統(tǒng)由節(jié)氣門、進(jìn)氣歧管等零件組成。該系統(tǒng)是發(fā)動機(jī)合理組織進(jìn)氣的通道。1、 采用了可變進(jìn)氣慣量進(jìn)氣系統(tǒng)。通過開啟或關(guān)閉進(jìn)氣歧管內(nèi)的蝶閥來改變進(jìn)氣系統(tǒng)的等效慣量（低轉(zhuǎn)速時小的慣量，高轉(zhuǎn)速時大的慣量），以使發(fā)動機(jī)在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都獲得盡可能多的進(jìn)氣（充量），從而提升發(fā)動機(jī)在整個運(yùn)轉(zhuǎn)范

5、圍內(nèi)的性能。進(jìn)氣慣量的轉(zhuǎn)變通過可變進(jìn)氣充量電磁閥實現(xiàn)：根據(jù)ECU傳來的信號，控制執(zhí)行閥動作，實現(xiàn)發(fā)動機(jī)高、低轉(zhuǎn)速時進(jìn)氣歧管大、小慣量的切換。2、483Q進(jìn)氣歧管上還集成有、真空助力管、進(jìn)氣壓力傳感器、機(jī)械式節(jié)氣門、曲軸箱通風(fēng)管、燃油導(dǎo)軌等裝置。機(jī)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(jī)構(gòu)。483Q進(jìn)氣歧管為鋁制件?？紤]到制造工藝，將進(jìn)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(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)演變1、基本結(jié)構(gòu)的重大變化1.1采用進(jìn)氣VVT（可變氣門正時）技術(shù)。479Q發(fā)動機(jī)使用進(jìn)氣VVT，同樣可以提升發(fā)動機(jī)性能，原因在于：進(jìn)氣VVT可以改變氣門重疊角，在發(fā)動機(jī)運(yùn)

6、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，高速時氣門重疊角，以便進(jìn)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(jī)性能。進(jìn)氣VVT相對于可變進(jìn)氣慣量系統(tǒng)的優(yōu)點在于：可變進(jìn)氣充量系統(tǒng)的工作節(jié)點在4700r/min，而進(jìn)氣VVT可以在全轉(zhuǎn)速范圍調(diào)節(jié)進(jìn)氣充量，最大程度提高發(fā)動機(jī)性能，并減少排放?？勺冞M(jìn)氣慣量進(jìn)氣結(jié)構(gòu)重量較大，采用VVT系統(tǒng)可以減重。1.2采用塑料進(jìn)氣歧管不同材料的進(jìn)氣歧管的優(yōu)缺點，如表1所示： 483Q進(jìn)氣歧管479Q進(jìn)氣歧管材料TAC2B（鋁合金）PA6+GF30（尼龍6+玻纖30%）工藝砂芯鑄造，機(jī)加工注塑-焊接-冷插

7、-熱插優(yōu)點剛度、強(qiáng)度好，振動小氣道光滑、進(jìn)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(jìn)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(jìn)氣歧管對照表2、重新設(shè)計進(jìn)氣歧管的必要性。2.1 HM483Q采用的是可變進(jìn)氣慣量進(jìn)氣系統(tǒng)，如果采用VVT進(jìn)氣技術(shù)需要設(shè)置獨(dú)立的進(jìn)氣道形式。2.2 進(jìn)氣系統(tǒng)采用塑料進(jìn)氣歧管。應(yīng)考慮強(qiáng)度和剛度的限制，需要重新設(shè)計進(jìn)氣歧管。2.3 伴隨著進(jìn)氣系統(tǒng)采用塑料進(jìn)氣歧管，原節(jié)氣門的支撐固定方式已經(jīng)難以滿足強(qiáng)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(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)演變1、基

8、本結(jié)構(gòu)的重大變化1.1 采用進(jìn)排氣雙VVT設(shè)計冷啟動時HC、CO的排放可以達(dá)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(jī)冷啟動時，催化器的快速起燃對排放性能至關(guān)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(jī)后燃，一部分燃?xì)庠谂艢獾乐腥紵?，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(dá)到減排目的。1.2 取消傳統(tǒng)機(jī)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(gòu)成ETC系統(tǒng)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械式節(jié)氣門體，由系統(tǒng)來精確控制發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量。取消了油門拉線和怠速控

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

10、慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和振動噪聲的前提下，對進(jìn)氣歧管的彈性支撐的重新設(shè)計。四、HM474Q系列發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)演變1、基本結(jié)構(gòu)的重大變化1.1采用對進(jìn)氣系的布置有利的向后方傾斜布置（15°）方式受發(fā)動機(jī)艙空間狹窄的限制，進(jìn)氣系布置于車輛前方,發(fā)動機(jī)搭載時向后方傾斜15°， 2、重新設(shè)計進(jìn)氣歧管的必要性同HM479Q五、進(jìn)氣歧管的設(shè)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(zhì)：HM483Q發(fā)動機(jī)選用鋁合金進(jìn)氣歧管，其余發(fā)動機(jī)機(jī)型選用塑料進(jìn)氣歧管。1.3基本結(jié)構(gòu)：基本結(jié)構(gòu)HM483QHM479QHM4843QHM474Q可變進(jìn)氣/固定進(jìn)氣可變進(jìn)氣 固定進(jìn)氣固定進(jìn)氣固定

11、進(jìn)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(jìn)氣歧管進(jìn)氣歧管進(jìn)氣歧管缸蓋有/無EGR 閥無無無無2、進(jìn)氣歧管設(shè)計開發(fā)流程2.1 給定輸入條件及空間2.2 方案設(shè)計及確認(rèn)針對上述條件，一般要設(shè)計幾個方案，結(jié)合性能、出模、安裝等方面對方案進(jìn)行評估、最終選定設(shè)計方案。2.3 氣道設(shè)計穩(wěn)壓腔容積主要影響發(fā)動機(jī)的響應(yīng)速度。穩(wěn)壓腔容積越小，發(fā)動機(jī)產(chǎn)生功率的時間短，響應(yīng)速度就越快；穩(wěn)壓腔容積越大，發(fā)動機(jī)產(chǎn)生功率的時間長，響應(yīng)時間就越慢。一般來說，進(jìn)氣歧管穩(wěn)壓腔容積的大小為發(fā)動機(jī)排量的70%80%左右。 長度的試驗，結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗進(jìn)行設(shè)計。一般來說，

12、為達(dá)到發(fā)動機(jī)動力性及經(jīng)濟(jì)性，要求發(fā)動機(jī)在高轉(zhuǎn)速、大負(fù)荷時裝備粗短的進(jìn)氣歧管；而在中、低轉(zhuǎn)速和中、小負(fù)荷是配用細(xì)長的進(jìn)氣歧管。因此，為兼顧發(fā)動機(jī)各轉(zhuǎn)速及負(fù)荷都能達(dá)到要求的動力性、經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)氣歧管長度及氣道形狀設(shè)計顯得尤為重要。 氣道設(shè)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(jìn)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(jī)在中低轉(zhuǎn)速和中、小負(fù)荷下，入口小的進(jìn)氣歧管發(fā)動機(jī)性能明顯好于入口大的進(jìn)氣歧管；發(fā)動機(jī)在高轉(zhuǎn)速、大負(fù)荷時，發(fā)動機(jī)高速段，進(jìn)氣歧管入口加大，進(jìn)氣量增加，發(fā)動機(jī)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(jìn)氣阻力和各缸

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

14、零部件是否產(chǎn)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(fēng)險。2.8 裝配驗證及性能確認(rèn)2.9 詳細(xì)設(shè)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(jī)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(xì)設(shè)計是否合理都依賴于CAE分析結(jié)果，對強(qiáng)度、模態(tài)進(jìn)行模擬分析、計算，尤其焊接部位的強(qiáng)度分析。按以下項目實施CAE分析: 強(qiáng)度分析； 振動分析； 頻率響應(yīng)分析； 性能預(yù)測模擬。2.11 結(jié)構(gòu)評審各項設(shè)計完成后，需對結(jié)構(gòu)作全面、詳細(xì)的評審，設(shè)計方對結(jié)構(gòu)作詳細(xì)的解釋，并提供CFD、CAE分析結(jié)果

15、；HMPC針對性能結(jié)果、搭載情況等給出相關(guān)意見。2.12 2D設(shè)計/修改針對評審結(jié)論，對數(shù)模修改確認(rèn)后出2D圖，原則上要求有詳細(xì)設(shè)計參數(shù)。2.13 模具及相關(guān)工裝制作測臺、爆破壓力試驗臺等。2.14 工裝樣件性能確認(rèn)工裝樣件制作后，對發(fā)動機(jī)性能要再次確認(rèn)，理論上應(yīng)該比快速成型件性能更好。2.15 進(jìn)氣歧管本體試驗涉及到安全等方面的考慮，需要對進(jìn)氣歧管本體進(jìn)行高溫放置性、低溫放置性、壓力沖擊耐久、復(fù)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(jī)排氣系統(tǒng)演變一、 HM483Q系列發(fā)動機(jī)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(jī)合理組織排氣的通道。相對于原型機(jī)，HM483Q改進(jìn)項目：1、取消EGR系統(tǒng)，減少發(fā)動機(jī)零部件，增強(qiáng)維修方便性。2、采用鑄鐵排氣歧管，剛度和強(qiáng)度都較好，成本較低。二、 HM479Q系列發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)演變1、設(shè)計方針的重要變化1.1采用不銹鋼焊接進(jìn)氣歧管為了對應(yīng)越來越嚴(yán)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(qiáng)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(jìn)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(jī)加工沖壓+焊接優(yōu)點剛度、強(qiáng)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(qiáng)度較差，成本較高表2 483Q、479Q進(jìn)氣歧管對照表2、排氣歧管重新設(shè)計原因。2.1 由于排量變化，排氣歧管可能需要重新設(shè)計。氣道形狀和長度應(yīng)重新設(shè)計，但需要對應(yīng)排量變化的要求，并且由于發(fā)動機(jī)輪廓尺寸也發(fā)生變化，可能會產(chǎn)生車體側(cè)搭載的限制變化的問題，因此可能需要對設(shè)計形狀進(jìn)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(qiáng)度和剛度有很大提高，應(yīng)減少壁厚，需要重新設(shè)計排氣歧管。2.3 在設(shè)計形狀的時候

18、，需要考慮到平滑的形狀變化。3、設(shè)計上注意事項排氣歧管的通路直徑、形狀等是對發(fā)動機(jī)輸出和排放性能都有很大的影響，但在設(shè)計過程中還要考慮其他的注意事項。3.1緊耦型催化轉(zhuǎn)化器隨著排氣法規(guī)的強(qiáng)化，為了讓催化劑在短時間內(nèi)能達(dá)到起燃溫度，需要在盡量靠近發(fā)動機(jī)排氣岐管的位置設(shè)置緊耦型催化轉(zhuǎn)化器3.2設(shè)計上要考慮發(fā)動機(jī)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(shè)計中，認(rèn)為原HM483Q排氣形式可以沿用，可以盡量減少對原型機(jī)的

19、變動，但斷面形狀、氣道長等因素根據(jù)實驗確定。HM479Q、HM479Q-V2發(fā)動機(jī)采用不銹鋼焊接排氣歧管。HM479Q-B發(fā)動機(jī)是HM479Q系列發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)型，為減少成本考慮，仍然采用鑄鐵進(jìn)氣歧管。三、 HM484Q系列發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)演變1、HM484系列發(fā)動機(jī)排氣歧管形式和規(guī)格HM484Q發(fā)動機(jī)排氣歧管和HM479Q發(fā)動機(jī)排氣歧管通用。1.1 HM484Q發(fā)動機(jī)與HM479Q發(fā)動機(jī)都是以HM483Q發(fā)動機(jī)為平臺研發(fā)的，HM484Q發(fā)動機(jī)與HM479Q發(fā)動機(jī)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(shè)計相同，這為采用通用的排氣歧管提供了依據(jù)。1.2 HM484Q和HM479Q發(fā)動機(jī)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(shè)計過程中，盡量保證排氣歧管與HM479Q發(fā)動機(jī)排氣歧管通用。1.4經(jīng)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(jī)排氣系統(tǒng)演變1、進(jìn)/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(jī)后方排氣方式，將提高觸媒和排氣歧管的設(shè)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(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用。1.2 后方排氣方式，