劉猛，祖炳鋒，徐玉梁，白楊，劉麗娜，趙禮飛

1.天津內(nèi)燃機(jī)研究所，天津 300072；2.安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601

0 引言

進(jìn)氣歧管的主要作用是向發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)氣缸提供足量、均勻的新鮮空氣。進(jìn)氣歧管的性能對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量及進(jìn)氣均勻性影響非常大，并最終影響發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、輸出扭矩及穩(wěn)定性。合理的進(jìn)氣歧管氣道結(jié)構(gòu)，可以最大程度降低進(jìn)氣壓損，增加進(jìn)氣量[1]，提高發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率，并保證各缸進(jìn)氣的均勻性。

目前國內(nèi)對進(jìn)氣歧管的研究，大部分集中在進(jìn)氣歧管優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，包括優(yōu)化局部形狀以降低進(jìn)氣阻力、增加流量系數(shù)，分析進(jìn)氣歧管長度對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響等，但很少涉及對進(jìn)氣歧管的系統(tǒng)全面分析和正向開發(fā)。本文中通過AVL-Boost、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)等有限元分析軟件，對進(jìn)氣歧管進(jìn)行一維性能分析、進(jìn)氣流場分析、模態(tài)計(jì)算，以正向開發(fā)的流程設(shè)計(jì)全新的進(jìn)氣歧管，并通過試驗(yàn)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的進(jìn)氣歧管對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的滿足程度，可為進(jìn)氣歧管的正向開發(fā)提供參考。

1 進(jìn)氣歧管主要參數(shù)的確定

目前市場上的直列自然吸氣汽油機(jī)排量大多在2.7 L以下，輸出扭矩不能滿足中型客車和輕卡的需求?，F(xiàn)開發(fā)一款3.5 L排量的汽油機(jī)，要求最大轉(zhuǎn)速為4500 r/min、轉(zhuǎn)速為2500～3000 r/min時(shí)的最大扭矩為310 N·m，可匹配中型客車及3.5 t的輕卡，代替部分2.0 L增壓柴油機(jī)。

進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)主要包括進(jìn)氣口、出氣口、穩(wěn)壓腔本體和各進(jìn)氣支管，影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的主要參數(shù)包括歧管的長度、管徑、形狀，穩(wěn)壓腔的體積以及進(jìn)氣口的直徑。

1.1 長度

進(jìn)氣歧管長度、形狀等參數(shù)是影響進(jìn)氣阻力、進(jìn)氣均衡性、充氣效率的重要因素。汽油機(jī)的進(jìn)氣過程是一個(gè)復(fù)雜的脈動(dòng)和諧振過程[2]，進(jìn)氣歧管內(nèi)的氣壓波動(dòng)效應(yīng)對進(jìn)氣量影響很大。周期性進(jìn)氣過程在進(jìn)氣門處產(chǎn)生一定振幅的壓力波動(dòng)，壓力波動(dòng)以音速沿進(jìn)氣管傳播，并在進(jìn)氣歧管開口端和進(jìn)氣門之間往復(fù)反射，若反射波在進(jìn)氣門關(guān)閉前到達(dá)進(jìn)氣門，可增加進(jìn)氣門處的進(jìn)氣壓力，增大進(jìn)氣量[3]。

管道內(nèi)壓力波的諧振效率受管道長度的影響較大，諧振頻率[4]

(1)

由式(1)可知，諧振頻率與管道長度成反比，增加管道長度，諧振頻率減小，使得進(jìn)氣諧振點(diǎn)向低轉(zhuǎn)速移動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)開始進(jìn)氣行程時(shí)，下行的活塞造成進(jìn)氣門處壓力減小，進(jìn)氣波動(dòng)迅速傳導(dǎo)至進(jìn)氣歧管進(jìn)口，變?yōu)閴毫υ黾拥姆瓷洳ǚ瓷浠貋?。發(fā)動(dòng)機(jī)中低速運(yùn)行時(shí)，較長進(jìn)氣歧管可利用進(jìn)氣諧振增加的進(jìn)氣末期壓力增大進(jìn)氣量，提高進(jìn)氣效率，增大中低速扭矩。發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，較長的進(jìn)氣歧管由于進(jìn)氣阻力大，充氣效率、輸出功率及扭矩降低。

進(jìn)氣歧管長度、進(jìn)氣門有效開啟角、轉(zhuǎn)速均對進(jìn)氣諧振波形造成影響。該汽油機(jī)的設(shè)計(jì)偏重中低轉(zhuǎn)速的扭矩需求，在轉(zhuǎn)速為2500～3000 r/min時(shí)至少應(yīng)有一次諧振波形能增大進(jìn)氣量。通過計(jì)算，進(jìn)氣包角為265°、進(jìn)氣歧管長度在540 mm左右，轉(zhuǎn)速為2400～2500 r/min時(shí)可實(shí)現(xiàn)諧振進(jìn)氣。

利用一維動(dòng)力學(xué)軟件AVL-Boost建立發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)模型，將進(jìn)氣歧管長度設(shè)置為變量，仿真分析不同進(jìn)氣歧管長度對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，不同進(jìn)氣歧管長度對發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的影響仿真結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，隨著進(jìn)氣歧管長度的增加，中間轉(zhuǎn)速(2000～3200 r/min)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩提升，高轉(zhuǎn)速(3600～4200 r/min)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩先提升后下降。

圖1 不同進(jìn)氣歧管長度對發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的影響曲線

綜合考慮性發(fā)動(dòng)機(jī)性能及布置空間，確定進(jìn)氣歧管長度為540 mm。

1.2 管徑

影響進(jìn)氣歧管管徑的主要因素是管道摩擦阻力和波動(dòng)效應(yīng)。摩擦阻力造成管道壓力下降，而管道中的壓降與管徑4次方成反比，管徑越大則壓降越小；但是從波動(dòng)影響看，管徑越小，波動(dòng)幅度越大[5]。

不考慮波動(dòng)效應(yīng)影響，Kastner[6]總結(jié)出最小進(jìn)氣歧管管徑

(2)

式中：D為發(fā)動(dòng)機(jī)缸徑，S為沖程數(shù)。

Engelaman[7]根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)研究得出產(chǎn)生最佳波動(dòng)效果的管徑估算公式，進(jìn)氣歧管管徑

(3)

式中Ve為氣缸容積。

綜合考慮摩擦和波動(dòng)的影響，確定為進(jìn)氣歧管直徑為50 mm。

進(jìn)氣歧管直徑改變會(huì)改變進(jìn)氣波形，進(jìn)而影響進(jìn)氣諧振，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)部分轉(zhuǎn)速扭矩提升，部分轉(zhuǎn)速扭矩下降。不同進(jìn)氣歧管管徑對發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的影響如圖2所示。由圖2可知，隨著進(jìn)氣歧管直徑減小，發(fā)動(dòng)機(jī)低速扭矩提升，高速扭矩惡化。

圖2 不同進(jìn)氣歧管管徑對發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的影響

1.3 穩(wěn)壓腔容積

穩(wěn)壓腔容積對壓力波形狀有直接影響，一般為發(fā)動(dòng)機(jī)排量的0.7～1.2倍。穩(wěn)壓腔容積過大，使諧振系統(tǒng)的自振頻率下降，諧振轉(zhuǎn)速向低速方向移動(dòng)。當(dāng)諧振轉(zhuǎn)速較低時(shí)，活塞下行速度變慢，對氣流的吸入作用變小，造成諧振系統(tǒng)的壓力波振幅減小。穩(wěn)壓腔容積過小，會(huì)使氣流阻力增加，流動(dòng)損失增大[8]。

國內(nèi)外學(xué)者利用Helmholtz[9]諧振器模型，計(jì)算共振時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

(4)

式中：C為管道內(nèi)聲速，Z為發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)，A1為進(jìn)氣歧管橫截面積，V為穩(wěn)壓腔容積。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，隨著最大扭矩點(diǎn)向低速移動(dòng)，穩(wěn)壓腔的共振設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速也不斷減小。本機(jī)型最大扭矩點(diǎn)設(shè)計(jì)在2400～3000 r/min，穩(wěn)壓腔的共振設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速擬取1500 r/min，此時(shí)穩(wěn)壓腔容積為3 L。

2 進(jìn)氣歧管方案設(shè)計(jì)

進(jìn)氣歧管長度、管徑及穩(wěn)壓腔大小確定后，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)在客車機(jī)艙中的布置空間以及發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)布置要求，對進(jìn)氣歧管進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用CFD軟件對歧管流場進(jìn)行分析。

2.1 氣體流通性評價(jià)指標(biāo)

氣體流通性一般采用無量綱的流量系數(shù)α來評價(jià)。流量系數(shù)定義為一定壓降下，實(shí)際流過進(jìn)氣歧管的氣體流量與不考慮氣體壓縮和流動(dòng)損失的理論流量之比[10]：

(5)

α=0～1，α越大，流通性越好。

進(jìn)氣均勻性由均勻性偏差表示，即不同缸的流量系數(shù)與其平均值的偏差，一般在±2.5%范圍內(nèi)。均勻性偏差越小，進(jìn)氣越均勻。在保證較小的均勻性偏差下，流量系數(shù)越高越好。

2.2 方案設(shè)計(jì)

采用Pro/E軟件進(jìn)行進(jìn)氣歧管三維設(shè)計(jì)，建立空間坐標(biāo)點(diǎn)，生成軌跡曲線(氣道的中心線)，保證歧管長度l=540 mm；采用混合掃描功能，沿曲線從長圓形過渡到圓形。此方法能迅速建立三維模型，可修改性高，并能保證各歧管長度一致。

共設(shè)計(jì)5種不同形狀的進(jìn)氣歧管，其三維模型如圖3所示。

a)方案1 b)方案2 c)方案3 d)方案4 e)方案5

方案1為一側(cè)進(jìn)氣；方案2改為中間進(jìn)氣，管道圓弧變?。环桨?在方案2的基礎(chǔ)上，采用了變截面管道，截面由圓形過渡到長方形(四角倒圓)，穩(wěn)壓腔增大；方案4在方案3的基礎(chǔ)上，優(yōu)化管道圓弧度，更改進(jìn)氣口角度；方案5在方案4的基礎(chǔ)上增大進(jìn)氣口直徑，由64 mm增大到70 mm。

2.3 CFD流場分析

CFD流場分析的邊界條件為：1)出口邊界，分別開啟1～4缸歧管出口，并給定質(zhì)量流量為30 g/s(根據(jù)額定點(diǎn)工況計(jì)算得出)；2)入口邊界，進(jìn)氣口相對壓力為0；3)流動(dòng)模型設(shè)定為k-ε湍流模型，湍流強(qiáng)度為5%，湍流尺度為0.006 m；4)采用Hypermesh專業(yè)網(wǎng)格處理軟件劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為4 mm，單元總數(shù)為10萬[11]。

2.3.1 壓差及流量系數(shù)

將網(wǎng)格模型導(dǎo)入CFD軟件，輸入邊界條件，對各方案進(jìn)氣歧管進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流場計(jì)算，分析各缸壓降并計(jì)算流量系數(shù)及流量相對偏差[12-13]。進(jìn)氣岐管結(jié)構(gòu)和壓降及流量系數(shù)數(shù)據(jù)及CFD分析結(jié)果見表1。

表1 進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和壓降及流量系數(shù)CFD分析結(jié)果

由表1可得以下結(jié)論。

1)進(jìn)氣歧管從一側(cè)進(jìn)氣，均勻性偏差較難滿足±2.5%的要求，可通過加隔板解決，但增加了制造成本，所以從中間進(jìn)氣最優(yōu)。

2)大圓弧的管道走向能有效降低進(jìn)氣歧管的阻力，流量系數(shù)增加約1%。

3)變截面的進(jìn)氣管道能明顯降低排氣阻力，流量系數(shù)提高4.5%左右。由于進(jìn)氣歧管與缸蓋氣道的接口受氣道影響一般為長方形(四角倒圓)，進(jìn)氣阻力相對等效面積的圓形要大，因此可采用中間圓滑過渡到圓形的形式，同時(shí)截面積采用漸擴(kuò)形式更加有利。

4)穩(wěn)壓腔進(jìn)氣口直徑從64 mm增加到70 mm，流量系數(shù)可以提高3.5%。目前國內(nèi)直列汽油機(jī)的排量大多在2.7 L以下，現(xiàn)有的節(jié)氣門最大直徑只有64 mm，無法滿足較高流量系數(shù)的要求，需要開發(fā)直徑為70～75 mm的節(jié)氣門。

通過CFD分析，確定方案5為最優(yōu)方案，相對方案1，流量系數(shù)提升9.6%，合理的進(jìn)氣道設(shè)計(jì)對降低發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣阻力非常重要。

2.3.2 進(jìn)氣歧管圓弧及進(jìn)氣口直徑對進(jìn)氣阻力的影響

進(jìn)一步分析進(jìn)氣歧管圓弧及進(jìn)氣口直徑對進(jìn)氣阻力的影響，以相對總壓力表示的進(jìn)氣阻力CFD計(jì)算結(jié)果如圖4、5所示(圖中單位為Pa)。

a)小圓弧 b)大圓弧 a)64 mm b)70 mm

由圖4可知，管道急轉(zhuǎn)彎(小圓弧)會(huì)導(dǎo)致局部進(jìn)氣損失加大，大圓弧結(jié)構(gòu)能有效降低歧管進(jìn)氣阻力。由圖5可知，進(jìn)氣口直徑從64 mm增加到70 mm，壓降下降明顯，經(jīng)計(jì)算，流量系數(shù)可提升3.5%。

2.4 模態(tài)分析

進(jìn)氣歧管一般采用塑料材料，由于塑料的彈性模量較小，需要對進(jìn)氣歧管進(jìn)行模態(tài)分析與優(yōu)化，增加合理的支撐結(jié)構(gòu)及筋，提高低階模態(tài)頻率，降低振動(dòng)噪音，滿足客車的舒適性要求。進(jìn)氣歧管一階振型如圖6所示。由圖6數(shù)據(jù)計(jì)算得到進(jìn)氣歧管一階模態(tài)頻率為225 Hz，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(≥195 Hz)。

圖6 進(jìn)氣歧管模態(tài)分析

2.5 快速成型樣件試制及臺(tái)架驗(yàn)證

確定最優(yōu)方案后，進(jìn)行了進(jìn)氣歧管3D打印件的快速試制，測試實(shí)際流量系數(shù)，結(jié)果與CFD分析基本一致；結(jié)合缸蓋進(jìn)行氣道試驗(yàn)，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)對流量系數(shù)及滾流比的要求。

樣件裝機(jī)后進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，測得發(fā)動(dòng)機(jī)中低轉(zhuǎn)速扭矩為310 N·m，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

1)利用AVL-Boost、CFD軟件對進(jìn)氣歧管進(jìn)行正向設(shè)計(jì)及仿真計(jì)算，可快速建立進(jìn)氣歧管內(nèi)部的氣體流動(dòng)模型，觀察內(nèi)部氣體流動(dòng)情況，明確優(yōu)化設(shè)計(jì)的方向，省時(shí)高效，大大縮短項(xiàng)目開發(fā)周期。

2)大圓弧和變截面的進(jìn)氣管道能有效降低進(jìn)氣歧管的阻力；進(jìn)氣口直徑從64 mm增加到70 mm，流量系數(shù)提高3.5%。

3)通過對進(jìn)氣歧管進(jìn)行一維性能分析、進(jìn)氣流場分析、模態(tài)計(jì)算，確定進(jìn)氣歧管的最優(yōu)方案為大圓弧、變截面的進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)，歧管長度為540 mm，管徑為50 mm，穩(wěn)壓腔容積為3 L。