浅谈海马系列发动机进排气系统的演变

浅谈海马系列发动机进排气系统的演变 设计开发部 董国强 摘要:进/排气系统对于发动机的动力性能、经济性能和排放来说是十分重要的。良好进/ 排气系统的设计可以使发动机总体性能有很大提高，排放也会有所改善，而不合适的进/排 气系统往往会带来相反的效果。 通过观察进/排气系统结构，对现有发动机技术将有更好的了解;通过研究发动机进/ 排气系统的演变，可以学习到设计工作者的设计思路，以及可以更好的理解进/排气系统对 发动机性能和排放的影响方式，这对以后以HM470Q为工作对象的工作内容来说，会有很大 的帮助。 关键词:进/排气系统 Abstract:Intake and exhaust system to the engine power ,economy and emission is .A appropriate design can significantly improve the overall very important 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 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 work on subsequent work of HM470Q as the contents of the work object ,there will be great help. Key Word: Intake and exhaust system 第一章发动机进气系统演变 一、 HM483Q系列发动机进气系统简介 进气系统由节气门、进气歧管等零件组成。该系统是发动机合理组织进气的通道。 1、采用了可变进气惯量进气系统。通过开启或关闭进气歧管内的蝶阀来改变进气系统 的等效惯量(低转速时小的惯量，高转速时大的惯量)，以使发动机在整个转速范围内都获 得尽可能多的进气(充量)，从而提升发动机在整个运转范围内的性能。 进气惯量的转变通过可变进气充量电磁阀实现:根据ECU传来的信号，控制执行阀动作，实现发动机高、低转速时进气歧管大、小惯量的切换。 2、483Q进气歧管上还集成有、真空助力管、进气压力传感器、机械式节气门、曲轴箱通风管、燃油导轨等装置。机械式节气门上有节气门位置传感器和怠速控制阀等机构。 483Q进气歧管为铝制件。考虑到制造工艺，将进气歧管分上下两部分，中间用密封垫密封，用螺栓固定。 二、 HM479Q系列发动机进气系统演变 1、基本结构的重大变化 1.1采用进气VVT(可变气门正时)技术。 479Q发动机使用进气VVT，同样可以提升发动机性能，原因在于:进气VVT可以改变气门重叠角，在发动机运转过程中，低速时采用小的气门重叠角，防止新鲜空气倒流，以便增加低速转矩，提高燃油经济性，高速时气门重叠角，以便进入更多的混合气，以满足高速时动力性要求，从而提高发动机性能。 进气VVT相对于可变进气惯量系统的优点在于: ?可变进气充量系统的工作节点在4700r/min，而进气VVT可以在全转速范围调节进气充量，最大程度提高发动机性能，并减少排放。 ?可变进气惯量进气结构重量较大，采用VVT系统可以减重。 1.2采用塑料进气歧管 不同材料的进气歧管的优缺点，如表1所示: 483Q进气歧管 479Q进气歧管 材料 TAC2B(铝合金) PA6+GF30(尼龙6+玻纤30%) 工艺 砂芯铸造，机加工 注塑-焊接-冷插-热插 优点 刚度、强度好，振动小 气道光滑、进气阻力小，重量轻(2.1Kg)， 制作工艺简单，成本低 缺点 气道粗糙、进气阻力大，重量大刚度较差，模态差，本体试验要求苛刻 (6.5Kg)，成本较高 表1 483Q、479Q进气歧管对照表 2、重新设计进气歧管的必要性。 2.1 HM483Q采用的是可变进气惯量进气系统，如果采用VVT进气技术需要设置独立的 进气道形式。 2.1.1 HM483Q采用了可变进气惯量技术，采用的是可变进气充量电磁阀和不同长度进气道一体构造的结构形式。HM479Q进气歧管取消了上述构造，采用了进气VVT技术，所以必须采用VVT专用形状的构造。 2.1.2 对气道形状和长度进行重新设计，但需要对应排量变化的要求，且由于发动机轮廓尺寸也发生变化，可能会产生车体侧搭载的限制变化的问题，因此可能需要对设计形状进行变更。 2.2 进气系统采用塑料进气歧管。应考虑强度和刚度的限制，需要重新设计进气歧管。 2.3 伴随着进气系统采用塑料进气歧管，原节气门的支撑固定方式已经难以满足强度和刚度要求，需要对该部分的支撑固定方式重新讨论。 三、HM484Q系列发动机进气系统演变 1、基本结构的重大变化 1.1 采用进排气双VVT设计 冷启动时HC、CO的排放可以达到整个工况排放的70%，NOx排放的50%。三元催化器开始起作用的温度是200摄氏度左右，最佳工作温度在400摄氏度至800摄氏度, 所以在发动机冷启动时，催化器的快速起燃对排放性能至关重要。 排气VVT可以控制排气正时，使排气门提前打开，发动机后燃，一部分燃气在排气道中燃烧，可以使排气管温度迅速升高，催化器更早的开始工作，从而达到减排目的。 1.2 取消传统机械式节气门一些装置，采用电子节气门体 电子节气门体与电子油门踏板、ECU构成ETC系统，代替传统机械式节气门体，由系统来精确控制发动机的进气量。取消了油门拉线和怠速控制器。 机械式节气门体比不上电子控制的快速与精准，造成反应不够迅速与直接;除此之外，钢缆式的控制机构还会有机械磨耗的问题，使用时间愈久，控制就会愈不精准、反应也就愈慢。 1.3 取消进气压力传感器，采用进气流量传感器 在压力变化比较大时，进气压力传感器数据不够准确。使用进气流量传感器可以精确控制进气量，同时使VVT控制更精确，可以更好的发挥发动机性能。 2、重新设计进气歧管的必要性同HM479Q 3、在设计中还应注意的事项 原HM479Q系列发动机上采用的是电子节气门，在HM484Q系列发动机上采用的是电子节气门，电子节气门在结构上取消了传统机械式节气门的钢缆拉动装置，使进气歧管受到的外力减少，在综合考虑结构强度和振动噪声的前提下，对进气歧管的弹性支撑的重新设计。 四、HM474Q系列发动机进气系统演变 1、基本结构的重大变化 1.1采用对进气系的布置有利的向后方倾斜布置(15?)方式 受发动机舱空间狭窄的限制，进气系布置于车辆前方,发动机搭载时向后方倾斜15?， 2、重新设计进气歧管的必要性同HM479Q 五、进气歧管的设计开发 1、开发方针 1.1性能目的:低中速扭矩型，高速性能型 1.2材质: HM483Q发动机选用铝合金进气歧管，其余发动机机型选用塑料进气歧管。 1.3基本结构: 基本结构 HM483Q HM479Q HM4843Q HM474Q 可变进气/固定进气 可变进气 固定进气 固定进气 固定进气 有无弹性支撑 有弹性支撑 有弹性支撑 有弹性支撑 有弹性支撑 一体型/组合型 组合型 一体型 一体型 一体型 喷油嘴的安装 进气歧管 进气歧管 进气歧管 缸盖 有/无EGR 阀 无 无 无 无 2、进气歧管设计开发流程 2.1 给定输入条件及空间 2.1.1 发动机开发目标值 2.1.2 气道长度、稳压强容积、出入口等效直径等 2.1.3 喷油点位置、喷油角度 2.1.4 一些边界3D，如缸盖结合面、节气门体等 2.1.5 装配空间，与整车协调 2.2 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计及确认 针对上述条件，一般要设计几个方案，结合性能、出模、安装等方面对方案进行评估、最终选定设计方案。 2.3 气道设计 2.3.1 稳压腔的设计要综合考虑空滤以及各缸进气的谐振 (所以又名谐振腔)，而且形状要尽量做到圆滑，有利于气体流动性及产品的强度。 稳压腔容积主要影响发动机的响应速度。稳压腔容积越小，发动机产生功率的时间短，响应速度就越快;稳压腔容积越大，发动机产生功率的时间长，响应时间就越慢。一般来说，进气歧管稳压腔容积的大小为发动机排量的70%,80%左右。 2.3.2 气道设计首先要确定合适的气道长度，依据发动机的性能，做不同长度的试验，结合设计经验进行设计。 一般来说，为达到发动机动力性及经济性，要求发动机在高转速、大负荷时装备粗短的进气歧管;而在中、低转速和中、小负荷是配用细长的进气歧管。因此，为兼顾发动机各转速及负荷都能达到要求的动力性、经济性，进气歧管长度及气道形状设计显得尤为重要。 2.3.3 气道设计其次要确定合适的气道入口等效直径。 一般来说，在缸盖确定的前提下，进气歧管出口是固定不变的。因此，入口大小成为 主要研究对象 发动机在中低转速和中、小负荷下，入口小的进气歧管发动机性能明显好于入口大的进气歧管;发动机在高转速、大负荷时，发动机高速段，进气歧管入口加大，进气量增加，发动机性能大幅提高。 .4 气道设计还要考虑气道内径加上单边11?焊接翻边不与其他部位干涉，为了避2.3 让螺栓装配等，局部可以小于11?。 2.3.5 在满足上述条件后，气道设计总原则是:确定合理的截面变化规律，尽可能的减小进气阻力和各缸压力将，并且尽量做到各缸进气平衡。这些设计都依赖于CFD分析。 2.4 CFD分析 CFD分析主要是针对气道设计，对进气性能进行模拟，对各缸进气量、进气压力降、各缸进气均衡性进行评估，找出对进气阻碍较大的部位，从而对气道进行优化。 内腔设计要尽可能的减少进出口压力降，不影响进气流速，并且尽量不要在进气过程中产生进气涡流，从而增加进气量。一般来说，进气均衡性必须保证在?1%以内。 2.5 快速成型结构设计 2.5.1 快速成型件主要是做发动机性能确认。 2.5.2 快速成型设计是在进气歧管内壁偏置后基础上做的，偏置后必须在薄弱处加加强筋，如能镂空处尽量做出镂空以减轻产品的重量和减小产品缩水。 2.6 整车数模搭载确认 快速成型结构设计完成后，需要提供给整车数模进行搭载，主要确认进气歧管外部接口位置是否合理，与周边零部件是否产生干涉等。 2.7 快速成型件制作 2.7.1 快速成型件一般有激光烧结、硅胶模制作。 2.7.2 原则上快速成型件只用于性能试验，为了缩短开发周期，硅胶模制作的快速成型件可用于台架耐久及道路试验，但存在一定的风险。 2.8 装配验证及性能确认 2.8.1 发动机性能试验确认，是否能达到开发目标值。 2.8.2 实物整车搭载确认设计是否合理。 2.9 详细设计 2.9.1 对外部结构、出模方向、焊接部位等作全面的详细设计。 2.9.2 对薄弱部位需要合理的增加加强筋。 2.9.3 布置讨论 布置计划:与周边零部件的间隙，安装和拆卸是否方便。 搭载计划:发动机搭载时通过间隙，搭载后静态和动态间隙，搭载后周边零部件是否方便维修保养 2.10 CAE分析 详细设计是否合理都依赖于CAE分析结果，对强度、模态进行模拟分析、计算，尤其焊接部位的强度分析。按以下项目实施CAE分析: ?强度分析; ?振动分析; ?频率响应分析; ?性能预测模拟。 2.11 结构评审 各项设计完成后，需对结构作全面、详细的评审，设计方对结构作详细的解释，并提供CFD、CAE分析结果;HMPC针对性能结果、搭载情况等给出相关意见。 2.12 2D设计/修改 针对评审结论，对数模修改确认后出2D图，原则上要求有详细设计参数。 2.13 模具及相关工装制作 2.13.1 模具制作一般需要4个月左右的时间。 2.13.2 相关工装主要包括焊接夹具，冷、热插夹具，专用检具、气密性检测台、爆破压力试验台等。 2.14 工装样件性能确认 工装样件制作后，对发动机性能要再次确认，理论上应该比快速成型件性能更好。 2.15 进气歧管本体试验 涉及到安全等方面的考虑，需要对进气歧管本体进行高温放置性、低温放置性、压力冲击耐久、复合耐久性、耐臭氧性、耐水性、耐腐蚀性、耐药品性、耐冲击性、耐湿性等11项的耐久试验。 第二章发动机排气系统演变 一、 HM483Q系列发动机排气系统简介 排气系统由排气歧管、排气歧管隔热罩等零件组成。该系统是发动机合理组织排气的通道。 相对于原型机，HM483Q改进项目: 1、取消EGR系统，减少发动机零部件，增强维修方便性。 2、采用铸铁排气歧管，刚度和强度都较好，成本较低。 二、 HM479Q系列发动机排气系统演变 1、设计方针的重要变化 1.1采用不锈钢焊接进气歧管 为了对应越来越严格的排放法规，要求排气歧管的低热容量化，另外，为了降低油耗，要求提高排气温度，因此采用不锈钢焊接件排气歧管。 由于不锈钢焊接材料的刚度和强度都比铸铁好，在满足使用要求的前提下，排气管管壁可以有一定的减少。 1.2 HM483Q、HM479Q进气歧管对照如表2所示: 483Q排气歧管 479Q排气歧管 材料 FC(铸铁) 不锈钢 工艺 砂芯铸造，机加工 冲压+焊接 优点 刚度、强度好，成本低 比热小，有利于催化，排气道光滑、排气 阻力小、重量轻，壁厚2mm 缺点 比热大，不利于催化，排气道不光滑、刚度、强度较差，成本较高 排气阻力大、重量重，壁厚4-6mm 表2 483Q、479Q进气歧管对照表 2、排气歧管重新设计原因。 2.1 由于排量变化，排气歧管可能需要重新设计。 气道形状和长度应重新设计，但需要对应排量变化的要求，并且由于发动机轮廓尺寸也发生变化，可能会产生车体侧搭载的限制变化的问题，因此可能需要对设计形状进行变更。 2.2 另外，伴随着排气系统采用不锈钢焊接排气歧管。强度和刚度有很大提高，应减少壁厚，需要重新设计排气歧管。 2.3 在设计形状的时候，需要考虑到平滑的形状变化。 3、设计上注意事项 排气歧管的通路直径、形状等是对发动机输出和排放性能都有很大的影响，但在设计过程中还要考虑其他的注意事项。 3.1紧耦型催化转化器 随着排气法规的强化，为了让催化剂在短时间内能达到起燃温度，需要在尽量靠近发动机排气岐管的位置设置紧耦型催化转化器 3.2设计上要考虑发动机整体的热害问题 如果在排气歧管上覆盖隔热罩，热量散发不出去，排气歧管的表面温度会上升，排气歧管需要采用高成本的材料，高温气体会从隔热材的间隙中散发出去(在该部位的零部件发生热损害)。 4、排气歧管型式选定 HM479Q排气歧管在实际设计中，认为原HM483Q排气形式可以沿用，可以尽量减少对原型机的变动，但断面形状、气道长等因素根据实验确定。 HM479Q、HM479Q-V2发动机采用不锈钢焊接排气歧管。HM479Q-B发动机是HM479Q系列发动机的经济型，为减少成本考虑，仍然采用铸铁进气歧管。 三、 HM484Q系列发动机排气系统演变 1、HM484系列发动机排气歧管形式和规格 HM484Q发动机排气歧管和HM479Q发动机排气歧管通用。 1.1 HM484Q发动机与HM479Q发动机都是以HM483Q发动机为平台研发的，HM484Q发动机与HM479Q发动机有着相同的缸心距、排气门伞径以及相同的排气角等因素，并且缸盖接口设计相同，这为采用通用的排气歧管提供了依据。 1.2 HM484Q和HM479Q发动机在车身布局上有较大的空间，搭载的限制因素较小，为采用通用排气歧管提供了可能性。 1.3 为节约成本和零部件通用性考虑，在HM484Q设计过程中，尽量保证排气歧管与HM479Q发动机排气歧管通用。 1.4经性能试验、耐久试验、NV试验、实车搭载试验验证，使用479排气歧管完全可以满足对排气性能的要求。 四、 HM474Q系列发动机排气系统演变 1、进/排气配置: 1.1 对于后方排气的场合，由支管不等长的短排气歧管变更为各支管等长的长管排气歧管。发动机后方排气方式，将提高触媒和排气歧管的设计自由度，将能够开发出高性能的排气系统，近年来在新型发动机上得到了广泛的应用。 1.2 后方排气方式，在车辆搭载布置时必须为高温的排气歧管侧留出足够的空间并排除热害的影响。 1.3 非等长的支管气道将产生大的排气干涉。 因为排气干涉，不仅排气阻力增加，而且还产生了4.5 次，5.5 次等半阶次数的排气噪声，造成多数频率的排气噪声耦合，产生了排气噪声。 如上所述，采用后方排气方式将增大排气歧管的设计自由度，可以设计各支管等长的长管式排气歧管 2、入口法兰螺栓位置 入口法兰中最重要的功能就是密封，所以为了保证密封性，紧固螺栓的位置是很重要的。除全新设计缸盖的情况外，改变螺柱的位置事实上是不可能的。因此，在全新开发设计的时候需要特别慎重。 以前每个气道内多为3根螺信，4个缸共计9根。为降低成本及轻量化的要求，采用每 个气道2根、4个缸共5根螺信的方式。在要求有增压规格的时候，保证可增加安装位置的设计。每个气道内有2根紧固螺信的情况下，尽量让螺柱的连线靠近气道的中心。在保证螺柱间距的前提下，尽量做的小一点。 这条力线没什么作用 参考文献 (1)、《HM483Q系列发动机简介》 一汽海马动力有限公司设计开发部 编著 )、《HM479Q系列发动机简介》 一汽海马动力有限公司设计开发部 编著 (2 (3)、《HM484Q系列发动机简介》 一汽海马动力有限公司设计开发部 编著 (4)、《HM469Q概念设计报告》 尾上 和雄 主编 (5)、《HM469Q设计改良项目报告》 尾上 和雄 主编 (6)、《HM474Q概念设计报告》 尾上 和雄 主编 (7)、《HM479Q概念设计报告》 尾上 和雄 主编 (8)、《HM484Q概念设计报告》 尾上 和雄 主编 (9)、《进气歧管对发动机性能影响分析》 欧阳华 主编