某重型卡車進(jìn)氣系統(tǒng)匹配分析

劉林，楊華松

（1.安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司重型商用車工藝研究所，安徽 合肥 230022；2.安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司商務(wù)車公司研究所，安徽 合肥 230022）

前言

根據(jù)某公司市場反饋，其一款6×4牽引車存在油耗過高情況。理論油耗為 43L/100km（車速 80km/h，下同），而實際油耗為53L/100km，實際油耗比理論油耗高約10L/100km，油耗過高。通過復(fù)核整車匹配情況，判定故障原因為進(jìn)氣系統(tǒng)匹配不合理，導(dǎo)致進(jìn)氣系統(tǒng)流阻過高，進(jìn)氣流量不足，燃油燃燒不充分，出現(xiàn)油耗高故障。為充分解決該問題，對該款重型卡車進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行分析，確認(rèn)具體故障點，然后有針對性地提出解決方案。

對于進(jìn)氣系統(tǒng)，一般主要側(cè)重于研究空氣濾清器的額定流量是否能滿足發(fā)動機(jī)推薦的流量要求，一般解決方法也集中在增大空氣濾清器或者濾紙革新，但本文研究對象所匹配的空氣濾清器額定流量能滿足發(fā)動機(jī)所推薦的流量，但故障依然存在。故需針對具體問題進(jìn)行具體分析。不能以增大空氣濾清器和革新濾紙的方式來解決問題，這種方式成本高，且受整車布置空間影響，不能實現(xiàn)。故需對該車進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行CAE仿真分析，查找問題的根本原因。

本文所研究課題是基于實際車輛故障而提出的，最終目的也是為了有效、準(zhǔn)確地解決實際市場問題。故最終方案必須根據(jù)實車情況，制定能夠應(yīng)用于實車的方案。

1 原因分析

1.1 發(fā)動機(jī)理論進(jìn)氣流量

根據(jù)發(fā)動機(jī)排量及馬力，運用經(jīng)驗公式（1），計算發(fā)動機(jī)所需的進(jìn)氣：

式中：Q—理論進(jìn)氣量（m3/h），A—經(jīng)驗參數(shù)（6.2～6.8），Ne—發(fā)動機(jī)功率（kW）。

本文經(jīng)驗參數(shù)選6.5，研究對象所匹配的發(fā)動機(jī)最大功率為480馬力，即353kW，通過經(jīng)驗公式（1）計算得研究對象匹配的發(fā)動機(jī)所需理論最大進(jìn)氣量Qmax=1775m3/h。

1.2 發(fā)動機(jī)標(biāo)定流量

查詢發(fā)動機(jī)匹配參數(shù)，發(fā)動機(jī)標(biāo)定流量為1830kg/h，即1577m3/h，且要求在此流量下，空氣濾清器壓力損失≤2.5kPa，整個進(jìn)氣系統(tǒng)壓力損失≤4.0kPa。

1.3 空氣濾清器的匹配

通過臺架試驗，測得研究對象所匹配的空氣濾清器額定進(jìn)氣流量為2200m3/h，且相應(yīng)的壓力損失為1.6kPa。對比上述計算所得的理論進(jìn)氣流量及測定的標(biāo)定流量可知，所匹配的空氣濾清器規(guī)格能滿足發(fā)動機(jī)所需匹配要求，故空氣濾清器匹配無問題。

1.4 進(jìn)氣系統(tǒng)流場分析

通過上述分析可知，研究對象進(jìn)氣系統(tǒng)所用的空氣濾清器匹配無問題，則需進(jìn)一步對整個進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行分析，以查找問題原因。

本文研究所選對象的進(jìn)氣系統(tǒng)主要由高位進(jìn)氣管、空氣濾清器及空濾器出氣口與發(fā)動機(jī)增壓器之間的管路組成（后文所分析的進(jìn)氣系統(tǒng)均指由上述零部件所組成的，后文不再重復(fù)說明）。建立分析模型，如圖1所示，運用FLUENT進(jìn)行流場分析，確認(rèn)各零部件的內(nèi)壓力分布情況，如圖2所示：

圖1 進(jìn)氣系統(tǒng)組成

圖2 壓力云圖

該重型卡車進(jìn)氣系統(tǒng)各零部件壓力損失（流阻）分布如圖3所示。

圖3 各零部件壓力損失

從圖 3分析結(jié)果可以看出，空氣濾清器壓力損失為1.379kPa，符合發(fā)動機(jī)匹配要求，但整個進(jìn)氣系統(tǒng)的總壓力損失達(dá)到7.768kPa，超過匹配要求上限的94.2%，顯然不滿足匹配要求。因此，導(dǎo)致整車實際油耗過高的原因是進(jìn)氣系統(tǒng)壓力損失過大，實際進(jìn)氣流量不足，氣缸內(nèi)燃油燃燒不充分。

對于單個零部件，圖4顯示，整個進(jìn)氣系統(tǒng)中，管A處壓力損失最大，占總阻值的 48.6%，因此判定其為結(jié)構(gòu)缺陷零部件，需進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及驗證

2.1 管路壓力損失

由于空氣具有黏性，在通道內(nèi)流動時，空氣內(nèi)部流層之間及空氣與管路內(nèi)表面之間存在相對運動和流動阻力，產(chǎn)生水頭損失。管路的水頭損失由沿程阻力和局部損失組成，其計算公式（2）如下所示：

式中：hw—水頭損失，hf—沿程阻力，hj—局部損失，λ—沿程阻力系數(shù)，ξ—局部損失系數(shù)，l—管長，d—管徑，v—管內(nèi)截面平均流速，g—重力加速度

又由于通過管路某截面的空氣流量Q與流速v及管路截面積S關(guān)系如下式（3）所示：

結(jié)合式（2）和式（3）可得式（4）：

從式（4）可知，管路水頭損失與進(jìn)氣流量Q、管路長度l及管徑 d有關(guān)。針對本文所研究的問題，由于管路總長度受實車布置及發(fā)動機(jī)匹配需求的影響，發(fā)動機(jī)所需進(jìn)氣流量Q及管路長度l為定值，沒有優(yōu)化空間，故考慮從管徑d方面進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 優(yōu)化方案

對管A結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，包括內(nèi)腔結(jié)構(gòu)及出口內(nèi)徑，其他管路管徑相應(yīng)變化。將管A出口內(nèi)徑增大30%，管B和管C管徑相應(yīng)變化。建立優(yōu)化后方案的分析模型，進(jìn)行壓力損失分析，結(jié)果如圖4：

圖4 優(yōu)化后分析結(jié)果

從圖5分析結(jié)果可知，優(yōu)化管A結(jié)構(gòu)（管B、管C管徑相應(yīng)變化）后，管A段壓力損失下降67.4%，整車進(jìn)氣系統(tǒng)總壓力損失下降53%至3.651kPa，＜4kPa，滿足發(fā)動機(jī)匹配要求。將優(yōu)化后方案進(jìn)行實車驗證，百公里油耗下降 8L/百公里，為正常狀態(tài)，故障得以解決。

3 結(jié)論

該案例中油耗異常為進(jìn)氣系統(tǒng)匹配不合理導(dǎo)致，根本原因是管A結(jié)構(gòu)缺陷，最終體現(xiàn)為進(jìn)氣流阻過大，油耗高?；贔LUENT軟件的應(yīng)用，進(jìn)行流場分析，確認(rèn)問題的根本原因，提出解決方案，再通過FLUENT進(jìn)行分析驗證，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行實物驗證，完成設(shè)計優(yōu)化。

在常規(guī)分析中，往往將空氣濾清器作為主要分析對象，但本文著力于分析管路在進(jìn)氣系統(tǒng)中的影響，為類似故障分析提供了一個新的思考方向。

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