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发动机各主要附件系统设计规范

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2020年4月19日
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发动机各主要附件系统设计规范
一、 进气系统
1、 空气滤清器：
1.1 根据发动机排量、额定转速、增压度等严格按计算结果，确定空滤器额定空气流量（计算公式及方法见附件1）。
1.2 参照国际标准规定并结合我公司Q/FT A002《干式空气滤清器总成技术条件》的标准要求，确定空滤器的原始进气阻力、最大进气阻力、原始滤清效率、粗滤效率等技术参数。
1.3 牵引车等公路运输车辆，粗滤效率应不低于75%（卧式安装复合式空滤器）或87%（立式安装复合式空滤器），自卸车等经常在工地上，或在灰尘较多环境下运行的车辆，应配装粗滤效率不低于90%的双级带旋流管的沙漠空滤器。空滤器试验用灰尘应不低于JB/T9747标准要求。
1.4 根据国内道路状况，空滤器必须加装安全滤芯。而且应配装空滤器阻塞报警装置。
1.5 确保空滤内部清洁，各焊接或连接部位密封可靠。
1.6 空滤器出气口为了保证密封，应用圆形管，并要求接口处有一凸缘和止口，以保证密封和不会松动。
1.7 为了保养和清洁方便，在空滤器最底端部位要加装排尘袋，并保证排尘袋子不靠近污染大的地方。
1.8 空滤器进出管走向避免肘关节现象。
2、 中冷器：
2.1根据发动机的有关技术参数先用理论计算公式初步确定中冷器的总散热面积，并在此基础上增加10%~15%的余量（计算公式及方法见附件1）。
2.2根据水冷散热器的外形尺寸及整车空间尺寸，确定最合理的中冷器芯体尺寸，并尽可能加大迎风面积。
2.3 为了提高进气效率，减少增压后的空气压降，应尽量使中冷器进、出气口内表面光滑，并保证各连接和圆角处无死角、急弯。还应考虑气室大小、形状对效率的影响。
2.4 根据发动机增压后最大空气压力，确定中冷器密封试验的气压。欧Ⅱ发动机取250kPa，欧Ⅲ取300kPa，时间均为不低于2分钟。并保证中冷器进、出气管直径不能小于发动机的进、出气口直径。
2.5 中冷器技术条件中应明确在生产、运输及使用过程中，确保内部清洁，无残留物。
3、 管路：
3.1由于中冷器一般与水冷散热器一起经过软垫安装在车架上，而发动机也是经过悬置软垫固定在车架，考虑到两部分振动频率不一致，为了提高进气系统各接口不会由于振动产生松动及泄漏，因此各接口必须安装有一定伸缩量的弹性软管，两个硬管之间的距离不小于管径的2倍。
3.2 考虑到增压后空气温度最多能高达200°C，压力最高可达到210kPa，为此所用弹性软管、钢管均必须确保满足以上工作要求。
3.3 所用软管必须确保内、外清洁，无残余物质，另外在运输及储藏过程中要进行密封和包装，以避免污染。
3.4 另外用来夹紧软管的卡箍必须有足够的强度和良好的防松性能，确保能在210kPa压力下正常工作，推荐T形卡箍。
3.5为了确保发动机不出现早期磨损，除了控制各接口及整个进气系统的密封外，还应控制系统内部本身的清洁度如各连接管在运输和保存时都应包装或密封好。
3.6 要整个进气系统长期使用后，内部不会因腐蚀而生锈，也就是进气系统应尽量使用铸铝或不锈钢等抗腐蚀材料，如要使用钢管类材料，则必须要求其内部喷涂耐高温防锈底漆，并不会脱落。
3.7 中冷器进、出气钢管零件的焊接处必须清除焊渣，并进行高压或超声波清洗，保证每件零件的清洁度不大于10毫克，另外在运输和安装过程中应采用密封好的包装，以避免污染。
3.8为了确保管件不漏气，每件产品都必须进行不少于2分钟300kPa的气压试验。
3.9 进气系统各管路走向应尽量缩短长度和避免出现小于90°的急弯，避免出现 “肘关节”现象，圆弧半径应不小于管子直径。内表面保证圆滑，以减小进气阻力，整个进气系统管路，内截面尺寸应均匀，如要使用变径，则必须采用渐进式圆滑方式。
二、 排气系统
1、 排气消声器：
1.1 根据国内外经验，以及所配发动机的排量等参数，按发动机排量的6~10倍来确定消声器的容积。由于消声器越大其消声效果将越好，而且排气背压也能有效降低，为此在上述范围中，应尽量取上限。
1.2 根据国内资源及整车空间位置确定消声器的形状和主要外形尺寸。
1.3 根据我公司Q/FT E002和QC/T630标准，明确消声器的插入损失和功率损失。建议重型车按插入损失≥18 dB(A)，功率损失≤2%额定功率。
1.4 为了能确保发动机在额定功率点工作时，整个排气系统的背压不允许大于10 kPa。
1.5 消声器生产用材料，根据不同要求可采用钢板加涂耐高温银粉漆，或使用内外表面镀铝的钢板。
2、排气管路
2.1由于重型车用发动机最大排气温度可达到600°C，因此在整个排气系统中，在与周围怕热零件，如进气管路、橡胶件、塑料件和油箱等相距较近时，必须在中间增加隔热板，并尽可能将距离加大，对于中间无庶档物的，最小距离应不小于120毫米，有庶档物的应不小于60毫米。
2.2 为了能尽量减少排气阻力，所选用排气管内径应不小于发动机排气口内径，另外管子的弯曲半径应尽可能加大，以使转弯处减小变形。
2.3 因消声器一般安装在车架上，而发动机则是经过悬置软垫固定在车架，两者之间在行驶中存在相对运动，为此要保证排气系统能长期有效的工作，应在消声器与发动机之间安装弹性接管，并保证各固定支架等件的可靠性。
2.4 为了提高排气系统抗腐蚀能力，对采用钢管制成的排气管，外表面应使用涂耐高温的银粉漆，或者使用成本较高的内外表面镀铝的钢管生产。
2.5 为了达到国家整车自由加速车外噪声的相关要求，除了要保证消声器本身的性能外，还应保证排气系统各接口的加工精度，以确保整个系统密封完好，不漏气。
2.6 排气尾管的出口方向应避开怕高温的零件，如轮胎、容器等。
2.7 根据不同车型，整个排气系统的零件离地间隙应满足使用要求。牵引车等公路用车应不小于350毫米，自卸车等工程用车应不小于450毫米。（分中、重卡描述）
三、供油系统
1、 油箱：
1.1 根据不同车型，并参照国内外同类产品，确定油箱的最小容积，尽量减少车辆进加油站的次数。一般加满一次油应能保证续驶里程公路用车不低于800公里，工程用车不低于500公里，对于有特殊用途的车辆可增加副油箱。
1.2 为了能保证发动机供油系统的正常工作，油箱的安装高度要满足最低油面不低于发动机进油口1.4米。
1.3 为了减小油路中阻力，油箱安装应尽量离发动机近一些，最好使油箱出油口至发动机进油口的距离控制在3米以内。
1.4 燃油的清洁度对发动机非常重要，油箱在运输、保存及使用时必须按国家有关标准执行。为了保证油箱在使用过程中清洁度，加油口和吸油管口都应加装不大于80μ的过滤网。
1.5 油箱中进、回油管口都应低于最低油面，并保证进油管口离油箱最低面位置为3~5cm。
1.6 油箱必须安装放油螺孔，以保证对油箱的清洁需要。
1.7 燃油箱的防腐性能、密封性能、内部清洁度等必须满足以下标准要求：
QC/T 644 汽车金属燃油箱技术条件
GB 18296 汽车燃油箱安全性能要求和试验方法
QC/T 572 汽车清洁度工作导则 测定方法
QC/T 644 汽车金属燃油箱技术条件
Q/FT B039 车辆产品油漆涂层技术条件
2、 管路：
2.1 油管应使用内表面光滑，阻力小，并能耐油的材料，如使用尼龙类软管类，为了避免急弯处增加供油阻力，应采用成形加工。
2.2 油管内径根据不同发动机供油量的大小，其内径应不小于发动机进油口内径，对于进油管长度超过4米，还应在此基础上把内径加大2毫米。
2.3 对于使用软管类油管，在与其它零件相接触时应加护套，以避免产生动态干涉后会出现磨擦并漏油。
2.4 如果油路中进入空气或其它脏物，将严重影响发动机的作用效果，为此应确保各接口连接可靠，并保证密封要求。
四、冷却系统
1、 水冷散热器：
1.1 根据有关计算公式及所配发动机的相关参数，如功率，油耗等，确定水冷散热器的总散热面积（见附件2）。
1.2 根据风扇大小及整车空间尺寸确定散热器迎风面积，再根据散热器面积计算公式选取散热器芯厚尺寸。风扇外径扫过的环形面积不得小于散热器芯子迎风面积的55%。
1.3 散热器芯体所用材料，当前在国际上有铜质和铝质两种，欧洲普遍采用铝质材料，也是将来的发展趋势。考虑到铝质散热器重量轻，焊接强度高和散热效果好，应尽量使用铝质散热器。
1.4 为了提高散热的散热效果，其进、出水管口内径尺寸应与发动机出、进水管口尺寸一致，另外还应保证进出、水口在上下位置尽量错开，处于对角线上最好，不要在同一侧。
1.5 散热器安装时，必须牢靠，与车架的连接必须采用减振垫，这样是为了隔离和吸收来自车架的部分振动和冲击，使散热器在车辆运行中，不致发生振裂、扭曲等正常损坏。
1.10 根据国内外设计经验，水冷散热器芯体与风扇前端尺寸应控制在风扇直径的20%为宜。
2、 护风罩：
护风罩是为了提高风扇的冷却效率，使经过散热器芯部的气流均匀分布，并减少发动机舱内热空气回流而设计的。
2.1 如有可能，应尽量采用布圈与发动机带风扇护风罩软性连接结构，因这种结构能使风扇与护风罩间的单边间隙控制在7毫米左右，这样可有效提高散热效果。
2.2 采用护风罩独立结构。护风罩的内径根据风扇直径以及护风罩与风扇间隙一般控制在风扇直径的（3~4）%左右（或者15~25mm）；护风罩的宽度根据散热芯体前端面至风扇前端面大于等于0.15d(d为风扇直径)以及风扇叶片的投影宽度应伸入护风罩内2/3为宜来综合确定。护风罩的结构不应有阻挡风扇气流的尖角或死角。
3、 副水箱：
3.1当冷却系采用低位密封式散热器时，必须增设高位副水箱，她的主要功能是给冷却液提供一个膨胀空间，及时去除冷却液中积滞的空气以及发动机高温下产生的水蒸气，以便更有效的利用散热器的散热功能，提高冷却效率。
3.2副水箱的总容积应包含占冷却系统总容积6%的膨胀容积、占冷却系统总容积10%的储备容积以及必备的残留容积。
3.3 布置副水箱位置时，它的底平面至少应高出发动机水道顶部或散热器上水室顶部100。
4 管路：
4.1所有的管路都要有一定的柔性，以适应发动机和散热器之间的相对运动，防止散热器的管口振裂。管路尽量短而直，减少弯曲，总布置需要拐弯时，管子的曲率半径应尽可能大，以减少管道阻力，且管路的弯角处或截面变化处必须圆滑过渡。
4.2散热器的管路可用成型胶管，如果两接口相隔较远，可采用金属接管加胶管接头的方式。胶管性能应符合HG/T2491标准，具有耐热、耐油性，能在-40。 C~120。 C温度下长期正常使用，耐压能力超过150kPa。
4.3 为了避免冷系统内产生气泡，从而对冷系统造成破坏和降低冷却效果，必须使发动机和散热器与副水箱相连的的排气管不形成U字形结构，应采用平顺或逐渐上行方式。

附件1：进气系统主要件的计算
一、空滤器流量的计算
1、发动机空气流量的确定
对增压及增压中冷发动机所需空气流量的确定，根据完全气体状态方程式：PV=RT，可知：
V0=P/P0*T0/T*V=ε*T0/T*V
而式中V：增压后发动机所需的空气量：
V=Vh*n/2*60/1000（m3/h）
2、发动机增压比ε：发动机增压后空气压力与增压前空气压力的比
3、 各种温度的确定：
大气环境温度为T0=273+20=293K
增压中冷后进气温度为T= T0+25（根据不同发动机的要求）=318K
4、 相关系数的选定：
因增压发动机在进气过程中，存在充气效率η 及扫气效率φ
其中η =η {Tk/T}0.25
则空滤器：V0=ε{ T0/T }0.75*V*η*φ
一般取η=0.85 φ=1.03
5、空压机所需空气流量V1：由发动机所带空压机的结构参数确定
6、空滤器最终空气流量的确定：
空滤器所需流量为V0+V1，考虑到空滤器使用一段时间后，进气阻力会增加，为此需增加一定的储备，一般不少于10%。
则最后空滤器所需流量为（V0+V1）×1.1
二、中冷器散热面积计算
1、有关参数：
1.1发动机功率： Ne (kW)
1.2中冷器进口空气流量： Gk (kg/s)
1.3热端进口温度： Th1 (°C)
1.4热端出口温度： Th2 (°C)
1.5冷端出口温度： Tc1 (°C)
1.6冷端出口温度： Tc2 (°C)
1.7对数平均温差： △Tma(°C)
1.8中冷器传热系数： Ka=47.43kcal/m2.h. °C
1.9空气比热： Cpa=0.24kcal/kg. °C
2、中冷器计算
2.1计算对数平均温差△Tma
△ Tma= [（Th1- Tc2）-（Th2- Tc1）]/In（Th1- Tc2）/（Th2- Tc1）
2..2中冷器散热量计算：Qa= 3600Gk×（Th1- Tc1）×Cpa
2.3中冷器散热面积计算：Fa= Qa/ (Ka×△Tma)

附件2：冷却系统计算公式
冷却系统：
一、水箱计算
1． 发动机发热量Q
Q=h·Ne·Ge/1000 Keal/h
其中 Ne：发动机功率，KW
Ge：燃油耗， b/ KW· h
h:柴油低热值 10533 Keal/h
2.散热冷却系统的热量Qw (Keal/h)
Qw=A·Q (Keal/h)
A为传给冷却系统的热量占燃料燃烧值的百分比，取为A=0.21
3.冷却水与冷却空气的平均温差△tw
水侧进口 tw1 （℃）
水侧出口 tw2 （℃）
气侧进口 ta1 （℃）
气侧出口 ta2 （℃）
△tw=（ tw1+ tw2）/2-（ta1+ ta2） （℃）
4．传热系数
K=100kcaj/m2·h·℃
5.散热面积A= Qw/（K·△tw） （m2）
二、风扇计算
1． 冷却空气需要量
Va= Qw/（△ta·γa·Cpa·3600）m3/s
△ta:空气经过中冷器、水散热器的温升，取为36℃
γa：空气密度，取为1.07kg/ m3
2．散热器芯子正面积Fr=Va/Ua （m2）
其中Va 为散热器前空气流速，取为Ua =8m/s
3. 风扇风量Vf=1.2 Va ( m3/s)
4. 风扇外径D的计算
风扇外径扫过的环型面积应站芯子正面积的45%-60%，为保证冷却取为上限60%
D=0.87·（Fr）0.5 （m）