进气系统气动性能与声学特性研究

摘 要：随着人们生活水平的提高，汽车已进入了各家各户。进气系统在过滤杂质前提下要尽量减少进气系统的压力损失，较大的空气压降会降低发动机功率，同时进气系统应该具有良好的NVH性能。气动性能方面，根据进气系统流场分析结果，对进气系统进行了局部结构优化，经过试验验证，仿真和实验结果有很好的一致性，说明局部优化效果良好。确认准确的侵入路径，同时该车型采用了前置式进气口有利于吸入冷空气，但同时会导致雪花侵入，对防雪结构的设计提出了很高的要求。鉴于此，本文主要分析进气系统气动性能与声学特性研究开发。

关键词：进气系统;气动性能;声学特性

1 进气系统气动特性研究现状

进气系统过滤吸入发动机的空气，提供足够的进气，以满足发动机工作需求。进气温度与进气系统阻力是影响发动机性能的两项重要参数。对进气系统各项性能的研究目前主要有试验验证方法和仿真分析方法。试验方法时间周期长，成本较高，准确度较高，但要获取内部气流流动状态，则须在系统内安装传感器，一定程度上会对流场产生干扰，造成流场失真，在试验领域如何降低传感器的影响是一项重要工作。相对于试验方法计算流体力学（CFD）是利用计算机通过求解一组偏微分方程描述真实流体流动的数值模拟技术。发动机进气系统中的气体流动是一种复杂的气体流动，本质上属于可压缩粘性气体的三维不定常非等熵流动。

2 进气系统流场分析与防雪性能

2.1 进气系统流场分析与试验验证

进气系统压力损失过大，会导致发动机功率损失，减小进气系统的功率损失与降低进气口噪声对进气管道截面积的要求是相互矛盾的，在设计中必须平衡这对矛盾。一般来说，在达到进气阻力要求的前提下，可以采用较低的进气管路截面积，AF进气系统根据发动机性能参数设定，进气系统目标压力损失要求≤3kPa，开发过程中原进气系统阻力偏大，故将进气管波纹处直径，由原来的φ45mm增加到φ50mm，波纹管后端直到空滤器管壁直径加大1mm，分别采用仿真分析与流阻试验判断更改前后的压力损失变化，并验证仿真的准确性。

2.1.1 滤芯阻力特性的获取

在仿真分析中将滤芯视为多孔介质材料，要模拟滤芯的流阻特性，就必须计算得到多孔介质的粘性阻力因子和惯性阻力因子，可以通过对滤芯流阻特性的测量。再对空滤滤芯进行阻力测试，测试工装，将试验用滤芯装配到试验管道中，保证滤芯与管道间的密封，滤芯上下各布置一测点，测量滤芯前后的压力，从而得出压力损失，

2.1.2 进气系统内流场分析

首先利用CATIA软件建立了进气系统CATIA模型。进气管总成管径影响着进气压力损失，同时对系统传递损失也有影響，一般来说，将系统压力损失作为首要因素，在压力损失满足的前提下，可考虑降低管径。因此，根据设计经验将进气管管径分别设定为φ45mm与φ50mm，波纹管后端直到空滤器管壁相差1mm。并对优化前后的两种方案系统内部流场进行分析。

2.2 进气系统防雪结构仿真与试验

扬雪试验是验证车辆在积雪路面或雪天行驶时时整车的防雪性能，头车在前面高速行驶，以扬起积雪，后侧车辆跟随，模拟车辆在恶劣积雪或降雪天气下，长时间驾驶工况，整车各系统是否能正常工作，各零部件密封性能是否良好，有无进雪导致失效风险。

2.2.1 原进气系统防雪性能试验

扬雪试验在专用雪地环形跑道上进行，试验所用进气系统为经进气阻力优化后的进气系统样件，试验前记录雪深、温度、风速，新雪应处于未结晶或微结晶状态，以保证雪能被扬起。轮胎更换为雪地胎，试验前对车辆状态进行确认，保证整车清洁，格栅处无杂物，试验过程中观察发动机工作有无异常，试验后对整个系统防雪性能进行确认。针对该情况需设计一种防雪性能优良的进气结构.进气防雪开发难点在于由于雪花的流动特性与空气不同，也与雨水不同，同时粒径差异较大，既随空气流动，又受自重与惯性力作用影响，很难完全模拟雪花的流动路径其雪量的分布情况，该车型采用了前置式进气口有利于吸入冷空气，但前置式进气口同时也是雪花侵入的通道，对防雪结构的设计提出了很高的要求。在做好防雪性能的同时，需要兼顾进气温度、进气阻力、滤清效率与各参数的平衡。通过对现有防雪技术的研究发现，部分车型空滤采用双腔结构，正常行驶条件下。空气通过主腔进入发动机，当主通道堵塞后，由于压差的作用，备用通道打开，吸入前舱的热空气，融化积雪，主通道重新打开，但双腔结构需要增加布置空间，需要从前舱中引入热空气，但从扬雪试验的条件来说，整车前舱都布满积雪，备用通道仍然可能被堵塞。基于以上现状，通过自主设计，仿真与试验相结合，最终产品取得了良好的防雪效果。

2.2.2 扬雪试验验证

基于挡板式与双腔室方案仿真结果，分别制作了快速样件进行实车扬雪试验验证进行对比验证。挡板方案置于进气口前侧，结构简单。挡板方案试验结果，滤芯表面有大量积雪堆积，下壳体中也有大量雪堆积，效果很差，与仿真结果相吻合。试验结果与仿真结果相吻合，最终通过采用CFD模拟计算与试验相结合的手段，最终有效地改善了进气防雪性能，平衡了压力损失与防雪性能的要求。

3 结语

通过分析进气系统流场，优化进气系统结构，同时根据气流流动情况，合理设计进气口防雪结构，最终实现了进气系统防雪功能和进气低压损要求的平衡。对空气滤清器中采用不同消声器方案开展数值模拟，分析各方案声学效果差异。结果显示在空气管上的谐振腔对进气噪声有很大改善，但对车内噪声贡献不大，仿真与试验结果有很好的一致性。

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