閔 熳 張亞洲 宋志輝

(1.寧波吉利羅佑發(fā)動機(jī)零部件有限公司,寧波 315336;2.浙江吉利動力總成有限公司,寧波 315800)

0 前言

進(jìn)氣歧管是發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵零部件之一,它的作用主要是將空氣均勻地分配到各缸進(jìn)氣道中。進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)直接影響發(fā)動機(jī)各缸內(nèi)的進(jìn)氣量及進(jìn)氣的均勻性。為滿足日益嚴(yán)苛的排放法規(guī),現(xiàn)代轎車的發(fā)動機(jī)都采用強(qiáng)制曲軸箱通風(fēng)(PCV)系統(tǒng)。在部分負(fù)荷工況時,節(jié)氣門半開,進(jìn)氣歧管內(nèi)負(fù)壓較大,此時PCV閥導(dǎo)通,曲軸箱竄氣經(jīng)部分負(fù)荷油氣分離器進(jìn)行油氣分離后通過PCV閥和曲軸強(qiáng)制通風(fēng)管進(jìn)入進(jìn)氣歧管,再重新進(jìn)入各缸內(nèi)燃燒[1]。為保證曲軸箱廢氣的均勻性,在進(jìn)氣歧管上設(shè)計(jì)單獨(dú)的曲通出氣結(jié)構(gòu),如圖1所示。

圖1 某機(jī)型進(jìn)氣歧管上曲通出氣結(jié)構(gòu)

1 臺架發(fā)動機(jī)性能不足問題

1.1 進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)比較

某機(jī)型在進(jìn)行發(fā)動機(jī)臺架標(biāo)定驗(yàn)證時發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)性能低于開發(fā)目標(biāo),對比臺架標(biāo)定開發(fā)時發(fā)動機(jī)搭載的零部件狀態(tài),發(fā)現(xiàn)只有進(jìn)氣歧管狀態(tài)不一致,具體差異表現(xiàn)為曲通出氣結(jié)構(gòu)及穩(wěn)壓腔避讓坑不一致,如圖2所示。

圖2 2種進(jìn)氣歧管的差異

1.2 進(jìn)氣歧管多方位比較

為驗(yàn)證2種進(jìn)氣歧管的差異,進(jìn)行多方驗(yàn)證對比：

(1)內(nèi)腔對比,對內(nèi)腔進(jìn)行點(diǎn)云掃描對比(不包含曲通出氣結(jié)構(gòu)),如圖3所示。圖3中,D x、D y、D z分別表示X、Y、Z3個方向的偏差,D表示3個方向偏差的矢量和。當(dāng)D x＞0.5 mm、D y＞0.5 mm或D z＞0.5 mm時,判斷該擬合點(diǎn)為存在明顯差異的點(diǎn),從各點(diǎn)掃描結(jié)果來看,A002、A019工況點(diǎn)存在明顯差異,主要表現(xiàn)在穩(wěn)壓腔1缸避讓坑處。

(2)穩(wěn)態(tài)CFD對比,控制邊界條件一致,均為入口總壓力0、出口靜態(tài)壓力-0.002 5 MPa,且出口拉伸40 mm。因上述內(nèi)腔點(diǎn)云掃描結(jié)果主要差異點(diǎn)在內(nèi)腔1缸避讓坑處,故以此處對比1缸。1缸流線分布如圖4所示。對比流線分布顏色可以看出,兩者無明顯差異。

圖3 A型進(jìn)氣歧管與B型進(jìn)氣歧管內(nèi)腔點(diǎn)云掃描擬合圖

各缸流量系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表1所列,2種進(jìn)氣歧管均滿足各缸均勻性要求(±2%以內(nèi)),且流量系數(shù)差異最大為-0.43%,可認(rèn)為A、B 2種進(jìn)氣歧管穩(wěn)壓腔一致,即B進(jìn)氣歧管的內(nèi)腔避讓坑對進(jìn)氣流量系數(shù)并無影響。

(3)瞬態(tài)計(jì)算流體力學(xué)(CFD)對比,控制邊界條件一致,模擬工況為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r/min,平均有效壓力(BMEP)為0.2 MPa,曲通入口的常質(zhì)量流量設(shè)定為2.494×10-5kg/s。2種進(jìn)氣歧管瞬態(tài)CFD分析結(jié)果見圖5。圖5為1個循環(huán)內(nèi)各缸的曲通流量曲線,結(jié)果顯示2種進(jìn)氣歧管曲通氣體主要分布在3缸和4缸。平均燃油偏差結(jié)果見表2,表2顯示出2種進(jìn)氣歧管的平均燃油耗均不符合要求(＜2%),但B歧管平均燃油量偏差表現(xiàn)相較A歧管較好。理的曲通出氣結(jié)構(gòu)影響了進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣流量,從而進(jìn)一步影響發(fā)動機(jī)性能表現(xiàn)。結(jié)合穩(wěn)態(tài)CFD及瞬態(tài)CFD分析結(jié)果,B型進(jìn)氣歧管曲通出氣結(jié)構(gòu)的氣流與進(jìn)氣歧管主進(jìn)氣氣流方向垂直,即2個氣流方向產(chǎn)生干涉,進(jìn)而影響進(jìn)氣流量。為驗(yàn)證B型進(jìn)氣歧管曲通出氣結(jié)構(gòu)對進(jìn)氣流量的影響,進(jìn)行了下氣道試驗(yàn)。

圖4 2種進(jìn)氣歧管流速分布圖比較

表1 各缸穩(wěn)態(tài)CFD分析結(jié)果

圖5 2種進(jìn)氣歧管在1個循環(huán)內(nèi)各缸的曲通流量曲線

表2 各缸瞬態(tài)CFD分析結(jié)果

首先封堵B型進(jìn)氣歧管的曲通出氣結(jié)構(gòu)的2個出口,并與A型進(jìn)氣歧管氣道試驗(yàn)進(jìn)行對比,試驗(yàn)過程控制環(huán)境溫度及濕度不變,采用定壓差測流量的方法,分別測試0.001 MPa、0.002 5 MPa、0.004 MPa、0.005 MPa、0.006 MPa壓差下的流量,如圖6所示。

(4)氣道試驗(yàn)對比,氣道試驗(yàn)在內(nèi)燃機(jī)氣道穩(wěn)流試驗(yàn)臺臺架上進(jìn)行,試驗(yàn)過程中保持環(huán)境溫度、濕度一致,采用定壓差測流量的測試方法,分別測試0.001 MPa、0.0025 MPa、0.004 MPa、0.005 MPa、0.006 MPa壓差下的流量,并換算成流量系數(shù),結(jié)果如表3所示,A進(jìn)氣歧管各壓差下的進(jìn)氣流量均優(yōu)于B進(jìn)氣歧管,最高差異率為3.98%,即在相同邊界條件下,A進(jìn)氣歧管平均進(jìn)氣量較B進(jìn)氣歧管多,因此采用A進(jìn)氣歧管進(jìn)入發(fā)動機(jī)的混合氣較多,進(jìn)而會影響發(fā)動機(jī)性能(表4)。

圖6 封堵曲通出氣結(jié)構(gòu)的B型進(jìn)氣歧管

2 優(yōu)化方向

從上述分析及氣道試驗(yàn)結(jié)果來看,進(jìn)氣歧管不合

試驗(yàn)結(jié)果可以看出,封堵曲通出氣結(jié)構(gòu)出口后,B型進(jìn)氣歧管與A型進(jìn)氣歧管流量系數(shù)最大偏差為1.67%,滿足±2%產(chǎn)品偏差范圍,可認(rèn)為兩者屬于同一款產(chǎn)品。

從上述驗(yàn)證可以看出,B型進(jìn)氣歧管進(jìn)氣流量低主要是曲通出氣結(jié)構(gòu)所致。在后續(xù)進(jìn)氣歧管產(chǎn)品曲通出氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時,需關(guān)注出氣的氣流方向,同時,需考慮曲通廢氣進(jìn)入各缸的均勻性。

表3 氣道試驗(yàn)結(jié)果(優(yōu)化前)

表4 氣道試驗(yàn)結(jié)果(優(yōu)化后)

3 結(jié)束語

本文通過結(jié)合進(jìn)氣歧管CFD分析及氣道試驗(yàn)驗(yàn)證可以看出,進(jìn)氣歧管穩(wěn)態(tài)CFD及瞬態(tài)CFD分析并不能真實(shí)地反映進(jìn)氣歧管樣件的氣流分布情況,CFD分析僅能作為優(yōu)化參考方向,實(shí)際氣流分布情況需以氣道試驗(yàn)驗(yàn)證為準(zhǔn),進(jìn)而指出了進(jìn)氣歧管曲通出氣結(jié)構(gòu)對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣流量的影響。后續(xù)進(jìn)氣歧管曲通出氣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需同步考慮以下幾點(diǎn)：

(1)需考慮曲通廢氣氣流方向與進(jìn)氣歧管主通道氣流方向的角度;

(2)需考慮曲通廢氣的各缸均勻性,并輔以瞬態(tài)CFD分析進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化;

(3)進(jìn)氣歧管曲通出氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完后,需同步進(jìn)行CFD分析及氣道試驗(yàn)驗(yàn)證,最終以氣道試驗(yàn)結(jié)果為準(zhǔn)。