人需要呼吸，汽车也一样。今天就和小编一起来看看发动机进气与排气系统的设计与开发。

　　一、 进气系统的构成

　　发动机是整车得以行驶的心脏，而进气系统则是保证发动机运行的动脉，进气系统在整车中的布置直接影响到发动机功能的发挥、可靠性、环保性，甚至大大影响着发动机的寿命。

　　自然吸气发动机进气系统

　　涡轮增压发动机进气系统

　　发动机进气系统构成如下：

　　二、 进气系统设计要求

　　1设计参数

　　以某款车型为一款发动机中置的微车车型为例，该车型所搭载的发动机主要参数如下表：

　　2 空气滤清器总成计算

　　1)空气滤清器总成体积计算

　　空气滤清器体积通常计算采用经验性的算法，对于一般的四缸机来说，有如下的经验公式：

　　W≈(V/N)X(15~20)

　　其中：

　　V为发动机总排量，单位为升(L);

　　N为缸数。

　　2)发动机定格进气流量计算

　　基本公式(最大吸气法)

　　其中：

　　N功率为发动机最大功率点转速，单位为转每分(r/min);

　　V为发动机总排量，单位为升(L);

　　τ为冲程数，四冲程为2，二冲程为1;

　　η1为吸气系数0.7;

　　η2为汽缸数效率，四缸取1.1。

　　3)滤芯基本特性计算

　　空气在进气管道中的流动因其稳定性，相应的参数不随时间而变化，遵循连续性方程。单位时间内管道通过的气流流量等于流速与相应截面积的乘积，

　　即Q=VA

　　其中：

　　Q为管路中的空气流量，单位为立方米/秒(m3/s);

　　A为管路的截面积，单位为平方米(m2);

　　V为管路中的气体流速，单位为米/秒(m/s);

　　4)进气系统音频特性计算

　　低音极限频率fne

　　其中：

　　fne为低音极限频率，单位为赫兹(Hz);

　　C为声速，单位为米/秒(m/s);

　　S3为进气导管截面积，单位为平方米(m^2);

　　L3为进气导管长度，单位为米(m);

　　y为空气滤清器壳体容积，单位为升(L)。

　　管路共鸣频率fn

　　分别计算进气导管和进气软管处共鸣频率如下式：

　　其中：

　　co为声速，单位为米/秒(m/s);

　　t为设定进气温度，单位为摄氏度;

　　l1，l3为管路修正长度，单位为米(m)。

　　5)进气导管最小截面积及管径

　　其中：

　　D0为进气导管直径，单位为毫米(mm);

　　n为发动机额定功率下的转速，单位为转每分(r/min);

　　Vk为发动机总排量，单位为升(L);

　　Vc为进气管路的空气流动速度，单位为米/秒(m/s)。

　　进气导管最小截面积Φ=0.25×2πD0

　　三、进气系统的布置要求

　　据统计数据表明，发动机的缸体早期磨损、排放烟大、油耗过高、加速无力等故障，绝大多数情况都与进气系统设计布置不合理有着密切关系，迸气系统布置因素在这些问题中的比例约在85%以上。

　　一般情况下，进气连接管路截面积越大，弯曲半径越少，管壁内侧面越光滑，空气滤清器的额定容积越大，则整个进气系统性能就能越好，进而促使发动机的性能也更好。

　　进气系统在整车布置中的主要从空气滤清器进气口位置、空气滤清器位置、进气系统管路布置走向等主要因素来衡量。一套良好的进气系统在整车中一般满足以下要求：

　　1. 为避免灰尘和杂质通过进气系统进入发动机，造成发动机过早磨损，空气滤清器进气口的布置要尽可能的保证水和雪不能顺着管路进入进气系统，倘若有雨水进入进气系统，在空气滤清器内部应设计排水装置;

　　2. 进气系统的安装及管路布置应保证发动机迸气温度不高于环境温度15℃，否则空气密度下降，影响发动机的功率发挥，并使排放恶化;

　　3. 进气管路走向尽量避免出现小于直角的折弯，折弯的地方应根据布置空问尽量选大一点的折弯半径，同时进气系统各零部件与周边系统零部件的距离应满足标准的最小间隙要求;

　　4. 当发动机运转工况和环境条件变化时，进气效率和空气过滤效率仍能保证发动机可靠地工作和维持最佳的进气量和进气效率，进气系统还要具备满足降低噪声与减小功率损失的平衡的要求;

　　5. 制造成本低，使用可靠，寿命长，便于拆装、维修。

　　1空气滤清器及管路的布置、装配

　　发动机中置车型一般的驱动方式为后轮驱动，某些超跑鉴于驱动力等原因更是采用四轮驱动方式。根据发动机位置进行空气滤清器及管路的布置，同时设计联接及装配方式，需要满足以下要求：

　　1)在安装空间允许的前提下，适当采用大容量和大流量的空气滤清器是必须的，这有助于减小空气滤清器的阻力，增大储尘能力和延长保养周期，同时空气滤清器本身的消声效果更明显;

　　2)空气滤清器与消声器布置太近时，应在空气滤清器与消声器之间加装隔热挡板，否则会造成进气温度高，空气滤清器、进气管路与周边系统零部件的距离应满足标准的最小间隙要求，并且当进气管路较长时需要设计固定支撑;

　　同时，空气滤清器滤芯属于易耗零部件，定期需要清理或更换，所以空气滤清器及进气管路周围空间应满足便于拆装、维修的要求;

　　3)空气滤清器与发动机节气门(化油器)之间因存在相对运动，因此需要采用足够长度的波纹软管连接，以免在行车过程中进气管损坏、漏气、甚至脱落;

　　4)因空气滤清器本身类似于一个扩张型的消声器，起作用时相对固定点会产生大量振动，因此空气滤清器固定点要采用软连接以消除振动;

　　5)进气管路为空气流通的通道，在管路布置时，应将管路走向设计的尽量光顺，特别是要根据实际空间尽可能设计较大的折弯半径尺寸，以便减少进气阻力。

　　2空气滤清器进气管口布置

　　进气管口位置应布置在少尘、少雨水，以及吸不到热空气的地方，进气管应设计的没有急剧的面积改变。

　　空气滤清器进气管口位置的选择要考虑以下因素：

　　1)从噪声源的角度考虑，进气系统产生的摩擦噪声和发动机的燃烧噪声，由进气管口辐射至外部，因此进气系统的噪声源头就是空气滤清器进气管口，所以进气管口要远离驾驶车厢，使车厢乘员与噪声源尽可能远离，这样隔声才能最好;

　　2)避免水、雪、灰尘和杂质进入进气系统，需要注意的是进气管口位置在整车布置应尽量高一些，以防在积水路上面行驶时，通过进气管口直接吸入水;

　　3)原始进气口不能设在车辆行驶时产生的负压区，气体在进气系统中运行通畅，进入的气体温度要低，应避免将发动机舱内的、散热器排出的热空气和发动机排出的废气吸入进气系统;

　　4)进气口与进气控制阀之间的空间。

　　综合以上四个因素，空气滤清器进气管口安放的位置通常有以下几种：

　　四、进气系统性能要求

　　进气系统的性能严重影响着发动机及整车的的性能，进气系统一方面要供给发动机足量的、清洁的空气，保证空气滤清器及发动机的正常工作及正常使用寿命之外，另一方面还要确保整个进气系统在运行过程中有满足法规要求、甚至更低的进气噪声，以提高整车的舒适性。

　　而针对进气系统的这些性能，必须将性能细化至系统内各个零部件的技术要求，在设计零部件时才能更好的、针对性的具体实施。

　　1空气滤清器总成

　　空气滤清器除了过滤掉空气中的灰尘和杂质等成分，向发动机提供满足使用要求的的清洁空气，以达到减少气缸、活塞和活塞环之间异常磨损的目的，延长发动机的使用寿命。

　　同时由于空气滤清器自身的容积可作为膨胀型消声器的膨胀腔，其中的滤芯材质又是阻性消声器良好的吸声材料，因此空气滤清器本身也是一种进气消声器，具有一定降低进气噪声的功能。

　　随着汽车汽车各项法规的越加严厉与健全，对空气滤清器所具备的各项性能要求也越来越高，尤其是空气滤清器的过滤效率、进气阻力和容尘量等关键性能参数直接影响发动机的动力性、燃油经济性、使用可靠性和耐久性等。

　　1)密封性

　　空气滤清器上、下壳体及滤芯装配成总成后，上、下壳体与滤芯密封条之间的密封应密封可靠，在空气滤清器总成效率性能试验或试验室寿命试验结束后，立即拆开空气滤清器总成进行检查，各处密封部位目测应无漏灰痕迹。这项性能是空气滤清器的首要性能要求，只有密封性能没有问题的情况下，后续进行的空气滤清器容尘量、过滤效率、寿命等性能才有意义。

　　2)容尘量

　　空气滤清器总成的首要作用是过滤掉空气中的悬浮颗粒，以降低气缸体、活塞及活塞环的磨损量。如果空气滤清器总成无法有效地过滤空气中的悬浮颗粒，一般情况下会加速气缸体、活塞及活塞环的磨损，严重的则会造成气缸拉伤，缩短整个发动机的使用寿命。

　　若1g灰尘进入气缸内，可使气缸上部磨损0.01mm，使活塞磨去0.75g的质量，使活塞环磨去0.009mm。

　　空气滤清器布置、安装于整车动力设备的进气系统中，会增大进气阻力，降低动力设备的进气系数，同时空气滤清器在使用了一段时间后，空气滤清器滤芯过滤掉的灰尘质量会逐渐增加，空气滤清器的进气阻力也随之显著增大，其阻力的大小直接关系到整车动力设备运行的经济性。

　　所以，在设计、开发空气滤清器总成前必须提前检测空气滤清器总成的原始进气阻力值和不同容尘量下的阻力值，空气滤清器的进气阻力随着空气滤清器滤芯容尘量的增加到了规定要求的阻力时，空气滤清器所能够容纳的灰尘总质量即为空气滤清器的容尘量或储灰能力。

　　对于同一型号的空气滤清器来说，其储灰能力越强，说明在相同的工况环境中进气阻力达到设计阻力过程中作用的时间也就越长，空气滤清器的使用寿命越久，反之，使用寿命就越短。

　　3)进气阻力

　　空滤器的进气阻力直接影响发动机的功率和经济性，同时还关系到空滤器的寿命。发动机迸气系统的阻力多由空气滤清器、进气管道和气缸盖上的进气门组成。因此在设计空气滤清器总成前期，要根据发动机的性能参数以及国家、行业标准确定空气滤清器的初始进气阻力。

　　空气滤清器总成的阻力严重影响着发动机的动力性和经济性是否满足要求，发动机燃烧用的空气经过进气系统时产生的压力差用来克服增加气体的动能以及进气系统的阻力。实验证明，如果由于进气阻力使进气压力降低0.1kg/cm2，则发动机功率将减少1/8。

　　国家机械行业标准JB/T9755.1-2011《内燃机空气滤清器第1部分：干式空气滤清器总成技术条件》中规定空气滤清器总成在额定空气体积流量下，总成的原始阻力应符合下表：

　　某些情况下，需要空气滤请总成的进气阻力进行分解测试，因为从理论角度分析，空气滤清器总成的阻力等于滤芯的阻力与空气滤清器壳体阻力之和，因此在设计空气滤清器总成时，应对总体指标进行分解，明确分解后的指标，如空气滤清器滤芯的进气阻力，而国家机械行业标准JB/T9756—2004中规定了滤芯的空气滤清器总成在额定空气体积流量下，滤芯的原始阻力应不大于0.30kPa，因此结合标准要求，空滤器总成壳体的阻力值在设计时要不大于0.9kPa。

　　4)滤清效率

　　滤清效率代表了滤芯的除尘能力，滤清效率越高，发动机受到的异常磨损量就越小。实践证明，当空气滤清器总成保养不当，滤清效率低下时，会使发动机气缸体磨损量增大几倍，大大缩短了发动机的使用寿命。

　　尺寸≥10um的颗粒物会对金属壁面产生磨蚀，而尺寸<10um的颗粒物会在金属壁面产生积垢，不论是磨蚀还是积垢，都将改变动力设备进气通道或叶片的几何形状，进而减少压缩比和降低空气供给量，最终降低动力设备的运行效率，有时效率降幅超过10%。

　　滤清效率的能力判定方法分为绝对滤清器法和直接称量法，计算方法如下式：

　　绝对滤清器法：

　　η=(1-ΔMj/Mf)×100%

　　直接称量法：

　　η=(ΔMg+ΔMc)/Mf×100%

　　其中：

　　η为滤清效率(%);

　　△Mg为试验件质量的增量(g);

　　△Mc为粗滤器滤出的灰量，或粗滤集灰器质量的增量(g);

　　△Mj为绝对滤清器质量的增量(g);

　　△Mf为加灰量(g)。

　　5)消声作用

　　由于空气滤清器总成本身就相当于发动机的一个有效进气消声器，其壳体、滤芯材料分别起着进气消声器膨胀腔及吸声材料的作用。空气滤清器和进气消声器合为一体的复合型消声器，设计安装在一些小排量发动机、增压发动机及其它发动机上，某些发动机的进气噪声值甚至降低了13dB。

　　21/4波长管

　　1/4波长管作为旁支消声器的一种，如下图所示为在主管上增加安装的一段封闭的管子。其工作原理，当声波从主管道进入旁支管后，声波被封闭端反射到主管道，某些频率的声波与主管道中同样频率的声波由于相位相反而相互抵消，从而达到消声的目的。

　　1/4波长管的传递损失为：

　　其中：

　　L为1/4波长管的长度;

　　m为主管截面积与波长管截面积之比。

　　四分之一波长管共振的频率为：

　　从上式可以看出，这种旁支管的频率只取决于管道的长度，管道越长，频率越低。1/4波长管对于削弱高频、窄频带噪声方面具有针对性强、效果明显的优点，是进气系统降噪常用部件。1/4波长管的安装受周围环境布置的影响，连接管都可以采用直管、弯管或组合的方式。

　　另外，进气系统中的连接管管路应具备通用的关键技术条件，即：

　　1) 管路应能承受足够的负压条件而不被吸扁，负压9.8KPa下保压3min，外形尺寸变化率不大于5%;

　　2) 该软管还应能在-35℃~120℃下长期使用，有足够的耐老化能力。

　　五、排气系统构成

　　汽车排气系统是汽车发动机动力总成的主要部件，它的主要作用是使发动机排出的废气顺畅的通过排气系统，低噪声、低排放的排入大气，它的性能好坏直接影响废气排放指标、整车的舒适性及可操控性，是影响整车的加速性能、排放、NVH等主要因素。

　　排气系统构成如下：

　　六、汽车排气系统的设计要求

　　排气系统的设计需求信息如下：

　　1. 汽车发动机排量、规格参数

　　用于排气管管径及消声器溶剂的设计计算。

　　2. 车身、底盘、油箱等数模

　　用于确定排气系统管路走向、消声器的布置及吊挂位置的初步设置。

　　3. 发动机原始废气排放值

　　用于初步确定三元催化转化器的贵金属的含量及配方比例。

　　4.发动机噪声频谱及发动机GT主模型

　　用于排气系统消声器的结构设计计算。

　　七、排气系统主要部件解析

　　排气系统由多个零件组成，主要零部件组成如下：

　　1发动机排气歧管

　　排气歧管的功能作用是把发动机多个发动机出气口排出的高温废气，使其气体流动均匀的汇集到同一管中。

　　设计需根据发动机各主要参数及模型，采用一维热力学计算选取合适的排气歧管管径、各个支管管长、总管的管径、各个气缸的歧管如何连接等。由于发动机舱空间较为紧凑，需根据发动机布置的空间合理布置歧管的走向及后法兰位置、角度等。

　　满足各缸之间的排气顺畅及均匀性、排气背压小、避免各缸排气相互干扰，无明显的回流及涡流现象等，为减少各缸排气干扰，如4缸发动机通常点火次序1、3、4、2，可设计成1-4和2-3支管交汇后入总管或采用相同等长度支管交汇后入总管等，这样的歧管比较复杂，基本不存在各缸相互影响的问题。

　　由于其紧靠发动机出口，工作温度在900度以上，为确保其在汽车长期行驶的各种恶劣情况下，排气歧管不出现漏气、断裂的情况。须选用耐高温性能强的金属材料，歧管与发动机之间需要设计支架支撑连接，降低歧管的震动避免发生断裂。考虑到发动机仓及歧管周围的温度场要求，可在排气歧管的上下两侧设计隔热罩，采用镀铝薄板或成型铝薄板。

　　主要工艺采用：整体毛坯铸造工艺，机械精加工两端法兰平面。铸铁的歧管结构简单，成本较低，性能一般。

　　2三元催化转化器

　　催化器本体是三元催化转化器的核心部件，根据壳体封装形式主要分为：蚌壳式、旋压式、扣盖式等。

　　三元催化转化器是汽车重要的环保法规件，其作用是载体触媒对发动机排出的废气二次燃烧，促使碳氢化合物(NC)、一氧化碳(CO)及氮氧化合物(NOX)三种主要有害气体与载体涂覆的贵金属铂、铑、钯(Pt、Pd、Rh)进行氧化、还原反应，转化生成H2O水(蒸汽)及二氧化碳CO2等物质。其性能指标主要有：转化效率、起燃温度等。

　　催化器载体触媒需要根据执行的法规排放标准值、发动机的排量及初始排放值(CO、NC、NOX)等信息设计载体规格及容积、触媒贵金属涂敷比例、涂敷量等，并通过发动机台架及实车路试等方法对触媒新鲜、老化状态做相关的排放实验。

　　催化器端锥的锥度(≤45°)及形状对气体流动均匀性、排气背压及催化器反应效果有着至关重要的影响。

　　现阶段的国IV、国V，阶段，催化器的位置紧邻排气歧管，多采用双级催化器，触媒为600、400目陶瓷载体，壳体材料主要为：前级SUS441及后级SUH409L，衬垫采用3M：1101型(非膨胀型)、1443+100型(包边型)及100型。

　　3排气系统冷端

　　1)排气系统冷端

　　排气系统冷端主要由排气连接管总成、消声器总成组成。是汽车主要降低排气系统排放噪音的功能及法规件，需要根据汽车底盘空间位置、发动机排量及发动机频谱等输入信息，初步设计排气连接管、消声器的布置、数量、容积及仿真设计主要结构性形式。

　　2)消声器的主要结构工艺形式

　　为了降低排气系统振动噪声及与行驶中的整车的产生共振，通常会在消声器筒体及隔板强度较弱部位增加加强筋。

　　为降低消声器辐射噪声，可在消声器筒体外包裹吸音棉及隔热罩。须通过采用消声室结合发动机台架及实车路试等方法对排气系统冷端做相关的实验验证及权威机构的实验检测。

　　排气系统冷端较长，通过车底盘、横梁、油箱、传动轴等部件。

　　为了避免汽车运行过程中排气系统与之发生干涉及碰撞。通常设计布置排气系统与这些部件的位置间距不小于50mm，且汽车满载时排气系统最低位置处距地面高度需大于整车的最小通过高度，为了减少震动传递及制造误差避免后端处发生干涉。

　　设计时通常会在冷端排气前法兰采用球面垫圈弹簧紧固链接或靠近前端法兰处加挠性节链接的方式。

　　3) 排气系统的主要材料

　　八、结语

　　随着催化器净化效率的提升，汽车使用过程中生成的酸性溶液不断增多，且容易积存于消声器中，不易排出，通常在设计之中会考虑采用出气管口位置尽可能地布置在靠近低位或采用一小段虹吸管的方式以及在消声器筒体或端盖最低处设计直径较小的放水孔等方法将减少积水。

　　进气与排气系统需要根据整车发动机及汽车底盘等信息，采用合理的结构及布置设计，选用适合的耐腐蚀好的材料，从而达到整车排放及使用寿命的要求。