發(fā)動機(jī)進(jìn)氣岐管的發(fā)展及CFD技術(shù)的應(yīng)用

黃 鍵 李世仲 黃劍峰

發(fā)動機(jī)進(jìn)氣岐管的發(fā)展及CFD技術(shù)的應(yīng)用

黃 鍵 李世仲 黃劍峰

福州大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院

闡述了發(fā)動機(jī)塑料進(jìn)氣岐管的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了塑料進(jìn)氣岐管的性能特點，以及CFD技術(shù)在此領(lǐng)域的應(yīng)用，為推廣使用塑料進(jìn)氣歧管提供幫助。

塑料進(jìn)氣岐管；CFD技術(shù)；應(yīng)用

輕量化是汽車工業(yè)發(fā)展的一大趨勢，也是衡量汽車工業(yè)技術(shù)成就的一個重要標(biāo)志。輕量化技術(shù)是指在保證整車性能不受影響的情況下，通過使用新材料、新工藝的手段來降低汽車重量和改進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)，以達(dá)到節(jié)油目的，實現(xiàn)節(jié)能減排。鋁合金、鎂合金、塑料和高強(qiáng)度鋼等都是目前大量或開始應(yīng)用的汽車輕量化材料，塑料進(jìn)氣岐管就是近年來成功應(yīng)用于發(fā)動機(jī)的一項輕量化技術(shù)。

1 塑料進(jìn)氣岐管的發(fā)展現(xiàn)狀

車用汽油機(jī)普遍采用電控系統(tǒng)，而進(jìn)氣岐管是傳感器和執(zhí)行器安裝的主要部件，空間狹小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是發(fā)動機(jī)最關(guān)鍵的零部件之一，長期以來都是采用鋁合金鑄造而成。鋁合金制作的進(jìn)氣歧管內(nèi)壁粗糙，使用時對空氣的阻力很大，從而造成噪聲大，燃料燃燒不充分，廢氣排放多等現(xiàn)象，另外，金屬進(jìn)氣管還具有重量大、加工復(fù)雜、生產(chǎn)效率低、成本高等缺點。

圖1 國內(nèi)某公司自主研發(fā)的塑料進(jìn)氣歧管

自1990 年，德國寶馬公司采用熔芯法成功地生產(chǎn)出塑料進(jìn)氣歧管后，塑料進(jìn)氣歧管以其質(zhì)量輕、成本低、性能好等特點迅速取代金屬進(jìn)氣歧管，成為新型發(fā)動機(jī)的首選。目前，國外轎車用汽油機(jī)90%以上都是采用塑料進(jìn)氣歧管，而國內(nèi)在此領(lǐng)域的生產(chǎn)及研發(fā)工作起步較晚，技術(shù)水平較低，一些汽車生產(chǎn)廠家不得不從國外高價進(jìn)口塑料進(jìn)氣歧管，因此塑料進(jìn)氣歧管的市場占有率不高。圖1為國內(nèi)某公司自主研發(fā)的塑料進(jìn)氣歧管。

2 塑料進(jìn)氣岐管的性能特點

與傳統(tǒng)的鋁合金進(jìn)氣歧管相比，塑料進(jìn)氣歧管的重量僅為鋁質(zhì)歧管的1/2，同時，由于塑料進(jìn)氣歧管的內(nèi)壁比較光滑，有利于提高進(jìn)氣量，因此，整體動力性可提高3%~5%，油耗可降低6%~8%，低速低負(fù)荷時，功率、扭矩提高幅度可達(dá)10%以上[1]。此外，還能改善發(fā)動機(jī)的排放性能，降低發(fā)動機(jī)噪聲。

制作塑料進(jìn)氣歧管的材料并非一般的塑料，它必須具有以下這些性能特點：（1）耐高溫。要求材料必須能夠承受180℃的高溫。（2）高強(qiáng)度。要求材料不僅能承受發(fā)動機(jī)的振動、節(jié)氣門和傳感器的慣性力以及進(jìn)氣壓力產(chǎn)生的脈動沖擊，還要保證在發(fā)動機(jī)產(chǎn)生異常回火時不至于被高壓脈動壓力所爆破。（3）尺寸穩(wěn)定性。保證進(jìn)氣歧管與發(fā)動機(jī)連接處的尺寸公差達(dá)到規(guī)定的要求，同時保證進(jìn)氣歧管上各傳感器、執(zhí)行器元件能夠準(zhǔn)確安裝。（4）化學(xué)穩(wěn)定性。要求材料能夠抵抗汽油以及冷卻液中的乙二醇等腐蝕性物質(zhì)的侵蝕。（5）熱老化穩(wěn)定性。要求材料在-30~130℃之間能夠長期可靠地工作[2]。

盡管世界上很多塑料材料供應(yīng)商在不斷地開發(fā)新的進(jìn)氣歧管塑料材料，以期提高塑料材料的各種性能，但目前仍然首選尼龍材料。尼龍的優(yōu)點是耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性好，缺點是收縮率較大，耐乙二醇的性能不佳，并且其吸水性太強(qiáng)，吸水后尼龍的強(qiáng)度會下降近40%。因此，人們普遍使用增加了25%~35% 玻纖的PA6 或PA66 增強(qiáng)尼龍。尼龍在加入玻纖后，其收縮率得到了明顯改善。對于內(nèi)部含冷卻水道的進(jìn)氣歧管，需要采用專用的抗乙二醇的尼龍配方。

3 CFD技術(shù)的應(yīng)用

塑料進(jìn)氣歧管的設(shè)計和制作流程是：首先參考發(fā)動機(jī)的安裝和傳感器的布置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計和3D建模。其次，進(jìn)行一維和三維流動分析、強(qiáng)度和剛度分析，從而改進(jìn)3D模型。然后制作出FDM(快速成型)樣件，進(jìn)行樣件氣道穩(wěn)流試驗、樣件發(fā)動機(jī)試驗、應(yīng)力應(yīng)變強(qiáng)化測試等，F(xiàn)DM樣件試驗合格后，3D數(shù)據(jù)交模具廠家開塑料模，依此試制塑料進(jìn)氣管，試制出樣品后，隨后進(jìn)行樣品氣道試驗、樣品發(fā)動機(jī)試驗、整車排放實驗、噪聲實驗、產(chǎn)品的系列驗證及強(qiáng)化實驗，并根據(jù)實驗情況進(jìn)行模具的修改。

CFD(Cmputational Fluid Dynamics)技術(shù)在塑料進(jìn)氣歧管的快速設(shè)計、縮短開發(fā)周期和降低研發(fā)成本等方面都起到了重要的作用,產(chǎn)生了顯著的效益。它可以仿真進(jìn)氣過程中進(jìn)氣歧管內(nèi)部流場的衍變過程，從而為設(shè)計出合理的塑料進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。計算過程見圖2[3]。

圖2 CFD計算流程圖

3.1 CFD計算示例1

對某一四缸發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管進(jìn)行CFD計算[4]，計算時假設(shè)發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，氣體流動為可壓縮非定常流，忽略進(jìn)氣管內(nèi)氣體壓力波和配氣相位角的影響，邊界條件為入口質(zhì)量流量，0.12 kg/s，出口壓力為0.85×105Pa，其余為壁面邊界條件。圖3和圖4分別為第3支管進(jìn)氣時流場內(nèi)的動壓分布圖和速度矢量分布圖。

圖3 某一支管內(nèi)的動壓分布圖

圖4 某一支管內(nèi)的速度分布圖

比較各歧管分別進(jìn)氣時的計算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，每一根岐管轉(zhuǎn)彎處都存在動壓較大的現(xiàn)象，為了減小流動損失，對原有岐管進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，改進(jìn)后的流場計算結(jié)果顯示該處動壓減小，流速更均勻。

3.2 CFD計算示例2

圖5至圖8分別為某一發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管入口位置不同時的模型，這些模型中總管和各支管的結(jié)構(gòu)尺寸相同，只有入口朝向不同。為比較入口端對歧管內(nèi)部流場的影響，分別建立各自的流場計算模型，以相同的邊界條件進(jìn)行計算。

圖5 縱向入口模型

圖6 橫向入口模型

圖7 45°入口模型

圖8 側(cè)向入口模型

圖9至圖12分別為各模型第一支管進(jìn)氣時流場的跡線圖。

圖9 縱向入口模型第1支管跡線圖

圖10 橫向入口模型第1支管跡線圖

圖11 45°入口模型第1支管跡線圖

圖12 側(cè)向入口模型第1支管跡線圖

表1為各模型計算結(jié)果的平均質(zhì)量流量和最大不均勻度，比較和分析計算結(jié)果，得出側(cè)向入口模型的平均質(zhì)量流量最大，而最大不均勻度最小，因此，該模型進(jìn)氣效果最佳。

表1 各模型計算結(jié)果的平均質(zhì)量流量和最大不均勻度

4 結(jié)論

由于采用塑料進(jìn)氣歧管能使發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性明顯提高，排放也得到改善，塑料進(jìn)氣歧管已經(jīng)在國際上得到普遍應(yīng)用，為推動和發(fā)展我國的汽車工業(yè)，必須進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用塑料進(jìn)氣歧管，并且盡最大可能發(fā)揮CFD技術(shù)在這一領(lǐng)域的應(yīng)用。

[1] 張勁.塑料車用進(jìn)氣歧管和燃油箱的應(yīng)用及發(fā)展[J].塑料工業(yè),2007（3）.

[2] 王莉.發(fā)動機(jī)塑料進(jìn)氣歧管的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車,2007（6）.

[3] 王福軍.計算流體動力學(xué)分析:CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,2004.

[4] 王瑞金,張凱等.Fluent技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實例[M].北京：清華大學(xué)出版社.

The Engine Intake Manifold Development and Application of CFD Technology

Huang Jian，Li Shi-zhong，Huang Jian-feng

（College of Mechanical Engineering and Automation，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian350002，China）

Described the development status of plastic intake manifold, analyzed its performance and CFD technology used in this field, and help to promote the use of plastic intake manifold.

Plastic intake manifold, CFD technology, Applications