劉錫鑫，馬江濤，胡志剛，劉玉明，于榮楓

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前置后驅(qū)車型用自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)塑料進(jìn)氣歧管開發(fā)

劉錫鑫，馬江濤，胡志剛，劉玉明，于榮楓

（哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150066）

文章以某前置后驅(qū)車型自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)用塑料進(jìn)氣歧管的開發(fā)為例，敘述了前置后驅(qū)車型用進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)特性。應(yīng)用發(fā)動(dòng)機(jī)一維性能仿真（AVL-BOOST）優(yōu)化進(jìn)氣歧管參數(shù)（氣道長(zhǎng)度）、應(yīng)用Hypermesh進(jìn)行有限元分析的前處理，CFD仿真（AVL-FIRE）模擬進(jìn)氣歧管的流動(dòng)特性，得到滿足兼顧低速扭矩與最大功率的進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，新開發(fā)的進(jìn)氣歧管性能滿足開發(fā)目標(biāo)，性能曲線與仿真結(jié)果趨勢(shì)相同。通過文章的研究，可指導(dǎo)前置后驅(qū)車型自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)用塑料進(jìn)氣歧管的開發(fā)工作。

前置后驅(qū)；塑料進(jìn)氣歧管；BOOST；FIRE

引言

中國(guó)汽車市場(chǎng)正在向中、小城市發(fā)展，MPV以其多功能性在中、小城市占有很大的市場(chǎng)份額，而MPV車型中發(fā)動(dòng)機(jī)的布置形式大部分為前置后驅(qū)。前置后驅(qū)車型用進(jìn)氣歧管受到發(fā)動(dòng)機(jī)布置形式的限制，與傳統(tǒng)的前置前驅(qū)布置形式有很大不同。

本文主要詳述了前置后驅(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中最關(guān)鍵零部件進(jìn)氣歧管的開發(fā)過程，借助發(fā)動(dòng)機(jī)一維性能仿真軟件AVL-BOOST，從理論上確定進(jìn)氣歧管的設(shè)計(jì)參數(shù)；然后借助三維軟件CATIA，根據(jù)前置后驅(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)的布置形式及設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)概念模型；最后利用CFD軟件AVL-FIRE對(duì)進(jìn)氣歧管內(nèi)氣道進(jìn)行流體分析，確定流場(chǎng)內(nèi)無(wú)異常的流動(dòng)和壁面分離現(xiàn)象，進(jìn)氣均勻性為0.33%。制作了快速樣件，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上做性能試驗(yàn)，確認(rèn)用上述理論方法得到的進(jìn)氣歧管性能符合要求，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致性較高。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)一維性能仿真

AVL-BOOST軟件用一維動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，采用有限體積法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，有限體積法是將計(jì)算區(qū)域劃分為有限個(gè)體積，體積中心為計(jì)算節(jié)點(diǎn)，通過對(duì)有限個(gè)體積的逐一積分導(dǎo)出偏微分方程的離散方案。有限體積法基本思想如圖1所示，通過t時(shí)刻的狀態(tài)值和相關(guān)截面的數(shù)值通量，可求出t+△t時(shí)刻的狀態(tài)值。其中關(guān)鍵為求出時(shí)間步長(zhǎng)t中點(diǎn)時(shí)的關(guān)于質(zhì)量、動(dòng)量和能量的截面數(shù)值通量。

圖1 有限體積法基本思想

有限體積法常用于分析氣體在管路中的一維非定常流動(dòng)，將管路定義為多個(gè)體積單元。對(duì)于每個(gè)體積單元，質(zhì)量、動(dòng)量和能量方程如下：

利用發(fā)動(dòng)機(jī)一維仿真模擬軟件AVL-BOOST建立發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型，模型的重要參數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際情況相一致，建立的模型如圖2所示：

發(fā)動(dòng)機(jī)的排量的為1.6L，穩(wěn)壓腔容積為排量的0.8倍~1.2倍[1]，所以先假設(shè)為1.2L，氣道截面變化參照前置前驅(qū)機(jī)型。進(jìn)氣歧管的設(shè)計(jì)參照只剩下氣道長(zhǎng)度，而且進(jìn)氣歧管氣道長(zhǎng)度是影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵項(xiàng)目，將進(jìn)氣歧管氣道長(zhǎng)度作為變量，主要研究進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度分別為400mm、420mm、440mm時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，參照?qǐng)D3。

從圖3可以看出，隨著氣道長(zhǎng)度的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)的扭矩提升，最大功率下降。此項(xiàng)目發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)目標(biāo)是盡量兼顧低速扭矩，最大扭矩大于150Nm，最大功率大于80Kw。只有進(jìn)氣歧管氣道長(zhǎng)度為420mm能滿足開發(fā)目標(biāo)，兼顧扭矩與功率，所以進(jìn)氣歧管氣道長(zhǎng)度為420mm。

圖3 進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

2 進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)在前置后驅(qū)車型上從車前方看為左邊為排氣系統(tǒng)，右邊為進(jìn)氣系統(tǒng)?？諡V普遍布置在整車的右側(cè)，空濾軟管從發(fā)動(dòng)機(jī)搖臂室罩殼上端繞過連接到進(jìn)氣歧管總進(jìn)氣口，參照?qǐng)D4，前置后驅(qū)車型發(fā)動(dòng)機(jī)用進(jìn)氣歧管總進(jìn)氣口需布置在進(jìn)氣歧管上端。同時(shí)考慮到滿足進(jìn)氣歧管氣道長(zhǎng)度為420mm，而且需滿足與整車邊界（整車碳罐、蓄電池等）間隙大于20mm、與發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)邊界（發(fā)電機(jī)、起動(dòng)機(jī)等）的間隙大于10mm，進(jìn)氣歧管需設(shè)計(jì)成蝸牛形狀，參照?qǐng)D5。

圖4 前置后驅(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)布置形式

圖5 進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)示意

3 CFD流體動(dòng)力學(xué)仿真分析

根據(jù)初步設(shè)計(jì)的進(jìn)氣歧管內(nèi)氣道模型，對(duì)進(jìn)氣歧管機(jī)型三維CFD仿真計(jì)算，確認(rèn)進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣均勻性，判斷流場(chǎng)內(nèi)是否有異常流動(dòng)和避免分離問題，優(yōu)化進(jìn)氣歧管內(nèi)氣道結(jié)構(gòu)。本次分析應(yīng)用Hypermesh與AVL-FIRE軟件完成，利用Hypermesh強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能完成六面體網(wǎng)格的劃分，提高計(jì)算精度，共劃分為485466個(gè)網(wǎng)格，參照?qǐng)D6。將Hypermesh劃分后的網(wǎng)格導(dǎo)入到AVL-FIRE軟件內(nèi)進(jìn)行仿真分析，計(jì)算當(dāng)邊界條件為進(jìn)氣歧管總進(jìn)氣口與出氣口壓力差為2500Kpa時(shí)，進(jìn)氣歧管內(nèi)氣道的流場(chǎng)特性，進(jìn)氣歧管速度場(chǎng)與壓力場(chǎng)參照?qǐng)D7、圖8（進(jìn)氣歧管氣道為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，僅分析兩個(gè)氣道）。進(jìn)氣歧管不均勻性仿真結(jié)果參照表1。

圖6 進(jìn)氣歧管內(nèi)氣道網(wǎng)格劃分

圖7 進(jìn)氣歧管速度場(chǎng)

圖8 進(jìn)氣歧管壓力場(chǎng)

表1 進(jìn)氣均勻性計(jì)算結(jié)果

CFD仿真計(jì)算結(jié)果顯示，在設(shè)定的分析條件下，氣道平均流量系數(shù)為0.867396，流量系數(shù)均衡性為±0.33%，滿足流量均勻性不大于±2.5%的要求，而且流暢內(nèi)無(wú)異常的流動(dòng)和避免分離現(xiàn)象，滿足塑料進(jìn)氣歧管的設(shè)計(jì)要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

利用快速成型工藝制作塑料進(jìn)氣歧管的手工件，裝配到發(fā)動(dòng)機(jī)上，利用AVL發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)搭載塑料進(jìn)氣歧管手工件后的性能指標(biāo)，測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)性能時(shí)需聯(lián)合匹配標(biāo)定工程師對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行重新標(biāo)定，試驗(yàn)搭載情況見圖9。

圖9 進(jìn)氣歧管手工件試驗(yàn)

性能試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比見圖10，進(jìn)氣歧管扭矩與功率試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果變化趨勢(shì)相同，最大誤差為5Nm，滿足進(jìn)氣歧管開發(fā)目標(biāo)。

圖10 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)論

前置后驅(qū)車型用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣口布置在進(jìn)氣歧管上端，為減小進(jìn)氣歧管的體積，采用蝸牛形狀結(jié)構(gòu)，為后續(xù)前置后驅(qū)車新用進(jìn)氣歧管做設(shè)計(jì)參考。

應(yīng)用AVL-BOOST、Hypermesh、AVL-FIRE確定進(jìn)氣歧管的設(shè)計(jì)參數(shù)與流體特性，數(shù)模建立準(zhǔn)確的前提下，可指導(dǎo)進(jìn)氣歧管的設(shè)計(jì)工作，減小工程師的工作量，是進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)不可缺少的工具。

試驗(yàn)驗(yàn)證，搭載進(jìn)氣歧管手工件的發(fā)動(dòng)機(jī)性能與仿真分析的發(fā)動(dòng)機(jī)性能趨勢(shì)相同，最大誤差為5Nm，進(jìn)氣歧管滿足設(shè)計(jì)開發(fā)目標(biāo)。

[1] 崔怡,高瑩,李君,楊思.進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)對(duì)進(jìn)氣不均勻性影響的仿真研究,2009（4）:37-40.

[2] 達(dá)道安.真空設(shè)計(jì)手冊(cè)[M.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2004,6.

[3] 王偉,鄧濤.橡膠Mooney-Rivlin模型中材料常數(shù)的確定[J].特種橡膠制品,2004（8）:8-10．

[4] Mooney R.A theory of large elastic deformation[J]. J Appl Phys, 1940,11:582-592.

[5] 曹金鳳,石亦平.ABAQUS有限元分析常見問題解答[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009,1.

Natural Inhalation Engine for Front and Back Drive Type Development of plastic intake manifold

Liu Xixin, Ma Jiangtao, Hu Zhigang, Liu Yuming, Yu Rongfeng

( Harbin Dongan Automobile Engine Manufacturing Co., Ltd.. Technology Center, Harbin Heilongjiang 150066 )

Taking the development of plastic intake manifold for a front-rear drive natural aspirated engine as an example, the paper describes the structural characteristics of intake manifold for front-rear drive. The application of the engine one-dimensional performance simulation(AVL-BOOST) to optimize the intake manifold parameters(airway length), the use of Hypermesh for finite element analysis, and the CFD simulation(AVL-FIRE) to simulate the flow characteristics of the intake manifold, The intake manifold structure with both low speed torque and maximum power is obtained. The results show that the performance of the newly developed intake manifold meets the development goal, and the performance curve is the same as the simulation result. Through the research of this paper, we can guide the development of plastic intake manifold for the natural aspirated engine of front-rear drive.

front-drive; Plastic intake manifold; BOOST; FIRE

U464

B

1671-7988(2018)20-77-03

U464

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1671-7988(2018)20-77-03

劉錫鑫，就職于哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司技術(shù)中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.027