某重型卡車進氣系統匹配分析

劉林，楊華松

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

前言

根據某公司市場反饋，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。通過復核整車匹配情況，判定故障原因為進氣系統匹配不合理，導致進氣系統流阻過高，進氣流量不足，燃油燃燒不充分，出現油耗高故障。為充分解決該問題，對該款重型卡車進氣系統進行分析，確認具體故障點，然后有針對性地提出解決方案。

對于進氣系統，一般主要側重于研究空氣濾清器的額定流量是否能滿足發動機推薦的流量要求，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動機所推薦的流量，但故障依然存在。故需針對具體問題進行具體分析。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。故需對該車進氣系統進行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、準確地解決實際市場問題。故最終方案必須根據實車情況，制定能夠應用于實車的方案。

1 原因分析

1.1 發動機理論進氣流量

根據發動機排量及馬力，運用經驗公式（1），計算發動機所需的進氣：

式中：Q—理論進氣量（m3/h），A—經驗參數（6.2～6.8），Ne—發動機功率（kW）。

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

1.2 發動機標定流量

查詢發動機匹配參數，發動機標定流量為1830kg/h，即1577m3/h，且要求在此流量下，空氣濾清器壓力損失≤2.5kPa，整個進氣系統壓力損失≤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氣流量為2200m3/h，且相應的壓力損失為1.6kPa。對比上述計算所得的理論進氣流量及測定的標定流量可知，所匹配的空氣濾清器規格能滿足發動機所需匹配要求，故空氣濾清器匹配無問題。

1.4 進氣系統流場分析

通過上述分析可知，研究對象進氣系統所用的空氣濾清器匹配無問題，則需進一步對整個進氣系統進行分析，以查找問題原因。

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

圖1 進氣系統組成

圖2 壓力云圖

該重型卡車進氣系統各零部件壓力損失（流阻）分布如圖3所示。

圖3 各零部件壓力損失

從圖 3分析結果可以看出，空氣濾清器壓力損失為1.379kPa，符合發動機匹配要求，但整個進氣系統的總壓力損失達到7.768kPa，超過匹配要求上限的94.2%，顯然不滿足匹配要求。因此，導致整車實際油耗過高的原因是進氣系統壓力損失過大，實際進氣流量不足，氣缸內燃油燃燒不充分。

對于單個零部件，圖4顯示，整個進氣系統中，管A處壓力損失最大，占總阻值的 48.6%，因此判定其為結構缺陷零部件，需進行結構優化。

2 結構優化及驗證

2.1 管路壓力損失

由于空氣具有黏性，在通道內流動時，空氣內部流層之間及空氣與管路內表面之間存在相對運動和流動阻力，產生水頭損失。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，ξ—局部損失系數，l—管長，d—管徑，v—管內截面平均流速，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關系如下式（3）所示：

結合式（2）和式（3）可得式（4）：

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

2.2 優化方案

對管A結構進行優化，包括內腔結構及出口內徑，其他管路管徑相應變化。將管A出口內徑增大30%，管B和管C管徑相應變化。建立優化后方案的分析模型，進行壓力損失分析，結果如圖4：

圖4 優化后分析結果

從圖5分析結果可知，優化管A結構（管B、管C管徑相應變化）后，管A段壓力損失下降67.4%，整車進氣系統總壓力損失下降53%至3.651kPa，＜4kPa，滿足發動機匹配要求。將優化后方案進行實車驗證，百公里油耗下降 8L/百公里，為正常狀態，故障得以解決。

3 結論

該案例中油耗異常為進氣系統匹配不合理導致，根本原因是管A結構缺陷，最終體現為進氣流阻過大，油耗高。基于FLUENT軟件的應用，進行流場分析，確認問題的根本原因，提出解決方案，再通過FLUENT進行分析驗證，在此基礎上再進行實物驗證，完成設計優化。

在常規分析中，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氣系統中的影響，為類似故障分析提供了一個新的思考方向。

[1] 朗道.理論物理學教程(第 6卷):流體動力學[M].北京:高等教育出版社,2013.

[2] 王望予.汽車設計[M].北京:機械工業出版社,2011.

[3] 段中喆.ANSYS FLUENT流體分析與工程實例[M].北京:電子工業出版社,2015.

[4] 朱紅鈞.FLUENT 15流場分析實戰指南[M].北京:人民郵電出版社,2015.

[5] 胡坤, 李振北.CAE分析大系:ANSYS ICEM CFD工程實例詳解[M].北京:人民郵電出版社,2014.

[6] 譚永南.空氣濾清器的仿真與試驗研究[J].浙江:浙江大學,2010.