微型面包車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管的優(yōu)化設(shè)計

藍(lán)志寶，黃振霞

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

微型面包車的特點(diǎn)，是商乘兩用，多用在中小城市或農(nóng)村，用作客運(yùn)、貨運(yùn)或家庭用車。相對與轎車而言，更期望中低轉(zhuǎn)速下有較大的扭矩輸出。

現(xiàn)有一款用于微型面包車上的后驅(qū)1.2 L發(fā)動機(jī)，存在最大扭矩點(diǎn)靠后（4 200 r/min）、中低速下扭矩不理想、車子爬坡吃力等問題。為滿足客戶需求、提高發(fā)動機(jī)的市場競爭力，對該款發(fā)動機(jī)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，使其最大扭矩點(diǎn)前移至3 600～3 800 r/min，并提高其在中低轉(zhuǎn)速下的扭矩輸出。

進(jìn)氣歧管是發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵零部件，進(jìn)氣歧管的尺寸、形狀和布置等對進(jìn)氣阻力、進(jìn)氣均衡性及充氣效率有非常大的影響，進(jìn)而影響發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放及與整車的匹配性。經(jīng)過大量的分析研究工作后，我們確定通過優(yōu)化進(jìn)氣歧管，來提高發(fā)動機(jī)的性能。

1 進(jìn)氣歧管優(yōu)化設(shè)計方法

好的進(jìn)氣歧管設(shè)計，要求進(jìn)氣阻力小、各缸進(jìn)氣均勻性好、能針對發(fā)動機(jī)的需求利用波動充氣和諧振充氣的原理提高充氣效率[1]。而進(jìn)氣歧管的設(shè)計嚴(yán)重受到整車、發(fā)動機(jī)環(huán)境的限制。在極其有限的空間內(nèi)，設(shè)計出性能優(yōu)良的進(jìn)氣歧管是相當(dāng)困難的。進(jìn)氣歧管的優(yōu)化設(shè)計流程如下：

（1）獲取基礎(chǔ)發(fā)動機(jī)的各種參數(shù)、性能目標(biāo)、將在歧管上應(yīng)用的技術(shù)（如PDA、VGIS、EGR）等前期輸入數(shù)據(jù)。

（2）根據(jù)前期輸入，利用BOOST軟件搭建發(fā)動機(jī)一維模型。

（3）利用基礎(chǔ)機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)校正發(fā)動機(jī)模型，并保證運(yùn)行模型得到的數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的最大誤差值小于等于5%。

（4）運(yùn)行發(fā)動機(jī)模型，研究進(jìn)氣歧管各參數(shù)對發(fā)動機(jī)性能的影響，確定進(jìn)氣歧管的主要參數(shù)的理想值，包含氣道長度、氣道等效截面直徑、穩(wěn)壓腔容積。

（5）對進(jìn)氣歧管內(nèi)核進(jìn)行CFD流場分析，并根據(jù)分析結(jié)果，調(diào)整進(jìn)氣歧管內(nèi)核結(jié)構(gòu)，降低進(jìn)氣阻力，改善進(jìn)氣均衡性，使進(jìn)氣壓降和進(jìn)氣均衡性達(dá)到既定的目標(biāo)值。

（6）完成塑料進(jìn)氣歧管殼體設(shè)計，并制作快速樣件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠真實(shí)地反映各進(jìn)氣歧管方案的優(yōu)劣，應(yīng)盡可能提高樣件品質(zhì)，實(shí)驗(yàn)前須確認(rèn)樣件狀態(tài)，以避免樣件品質(zhì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。目前，我們多用硅膠模樣件或用尼龍材料機(jī)加工的樣件，這兩種樣件氣道內(nèi)表面較為光滑，且樣件強(qiáng)度較高。

（7）將各方案的進(jìn)氣歧管樣件裝到發(fā)動機(jī)上，進(jìn)行發(fā)動機(jī)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。對比試驗(yàn)與模擬數(shù)據(jù)，確定進(jìn)氣歧管方案，完成進(jìn)氣歧管的外圍特征設(shè)計。

設(shè)計流程圖如圖1所示。

圖1 進(jìn)氣歧管設(shè)計流程圖

2 一維模型搭建及模型校正

根據(jù)發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，搭建基礎(chǔ)機(jī)的換氣和熱力學(xué)模型（如圖2所示）。模型分為3個部分：進(jìn)氣系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)本體，排氣系統(tǒng)。輸入各元件需要的參數(shù)，運(yùn)行模型，根據(jù)基礎(chǔ)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)校正模型，使模型得出的發(fā)動機(jī)扭矩的計算值與實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)測值趨勢一致，且最大誤差＜5%，務(wù)必保證模型的準(zhǔn)確性。

圖2 發(fā)動機(jī)一維模型

圖3為模擬結(jié)果與基礎(chǔ)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比圖。

圖3 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

由圖3可見，發(fā)動機(jī)模型模擬計算得出的扭矩輸出曲線，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化規(guī)律基本一致，計算結(jié)果的誤差值最大為4%，滿足最大誤差＜5%的要求，軟件計算誤差在工程允許范圍內(nèi)。

3 進(jìn)氣歧管參數(shù)選型

根據(jù)波動充氣原理，當(dāng)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣行程開始時，活塞下行造成的進(jìn)氣門處壓力減小，波動迅速傳導(dǎo)到進(jìn)氣歧管的進(jìn)口，變?yōu)閴毫υ黾拥姆瓷洳ǚ瓷浠貋?。選擇合理的進(jìn)氣歧管長度，使反射波在進(jìn)氣門關(guān)閉前到達(dá)進(jìn)氣門，則可以增加進(jìn)氣末期的壓力，從而提高進(jìn)氣量。調(diào)整進(jìn)氣歧管的氣道長度，使脈動次數(shù)qs為整數(shù)，和進(jìn)氣門重疊時間同步，可提高充氣效率。

壓力波傳播的時間，主要由進(jìn)氣歧管的長度決定，而壓力波的振幅，則取決于氣體的速度和進(jìn)氣道的截面積。氣流速度越大，即發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，壓力波振幅越大；而進(jìn)氣道的截面積越大，則壓力波的振幅越小。在高轉(zhuǎn)速時，進(jìn)氣阻力對進(jìn)氣影響較大，小截面積的進(jìn)氣道阻力較大，從而降低了充氣效率，粗且短的進(jìn)氣歧管阻力小，進(jìn)氣更充分；低轉(zhuǎn)速時，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣頻率比較低，長的進(jìn)氣歧管能降低脈動次數(shù)，聚集更多的空氣；且長進(jìn)氣歧管還能降低空氣流速，能讓空氣和燃料更好地混合，燃燒更充分，提高低速穩(wěn)定性[2]。

因而長且細(xì)的進(jìn)氣歧管，利于低轉(zhuǎn)速時發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣需求，改善進(jìn)氣充氣效率，提高扭矩輸出。

針對于微型面包車用發(fā)動機(jī)的需求——提高中低轉(zhuǎn)速下的扭矩輸出，使發(fā)動機(jī)最大扭矩點(diǎn)前移，可選用長而細(xì)的進(jìn)氣歧管，但細(xì)長的不利于高轉(zhuǎn)速下的進(jìn)氣，故我們考慮用帶VGIS系統(tǒng)（可變氣道長度）的進(jìn)氣歧管。故進(jìn)氣歧管選型中，我們需要確定的參數(shù)有：長氣道長度，短氣道長度，氣道等效截面直徑與穩(wěn)壓腔容積。

調(diào)整進(jìn)氣歧管的參數(shù)，研究各參數(shù)變化對發(fā)動機(jī)充氣效率、發(fā)動機(jī)輸出扭矩的影響趨勢，并確定最佳的進(jìn)氣歧管參數(shù)。

進(jìn)氣歧管的參數(shù)選定，同時還受到空間布置、歧管制造工藝性、成本等因數(shù)的制約，最終確定的進(jìn)氣歧管參數(shù)如表1所示。

表1 優(yōu)選的進(jìn)氣歧管參數(shù)

用優(yōu)選的歧管參數(shù)，模擬得到的發(fā)動機(jī)扭矩曲線如圖6所示。

4 進(jìn)氣歧管建模及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需注意以下問題：

（1）與發(fā)動機(jī)匹配，結(jié)構(gòu)緊湊，盡可能減小進(jìn)氣歧管體積，滿足整車布置的要求。

（2）盡可能保證各氣道長度相等、結(jié)構(gòu)相似。歧管空間過渡圓角曲率半徑應(yīng)＞3 r（r為氣道等效截面直徑），以減小流動阻力。

穩(wěn)壓腔結(jié)構(gòu)應(yīng)避免急劇拐角，與進(jìn)氣歧管間的過渡圓角盡可能大，應(yīng)形成喇叭口結(jié)構(gòu)。

（3）各缸進(jìn)氣管口均勻布置，保證各缸進(jìn)氣均勻，進(jìn)氣口位置要避免出現(xiàn)直接吹拂歧管口或短距離直接沖擊穩(wěn)壓腔內(nèi)壁的情況。

（4）保證量產(chǎn)后在生產(chǎn)線上方便安裝，盡量避免使用專用工具，方便售后拆裝、更換。

（5）合理布置進(jìn)氣歧管上的附件，保證MAP-sensor信號穩(wěn)定、準(zhǔn)確，EGR、碳罐、PCV的氣體能均勻地分配到各氣道中，方便安裝和拆卸，使進(jìn)氣歧管外觀盡量美觀。

由于該款發(fā)動機(jī)為斜置后驅(qū)發(fā)動機(jī)，整車的環(huán)境和發(fā)動機(jī)的環(huán)境決定了進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)。該進(jìn)氣歧管采用“6”字型氣道結(jié)構(gòu)（如圖4所示），使其在有限的空間下保證了635 mm的氣道長度，有效地提高發(fā)動機(jī)中低轉(zhuǎn)速時的扭矩。

圖4 進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)示意圖

進(jìn)氣歧管三維設(shè)計首先是搭建內(nèi)核模型，再進(jìn)行CFD流場分析，考察進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣壓降和進(jìn)氣均衡性是否達(dá)到要求。對于1.2 L自然吸氣發(fā)動機(jī)，要求進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣壓降3 kPa，各缸進(jìn)氣不均勻絕對值須小于4%。若不能達(dá)到要求，則須調(diào)整歧管內(nèi)核結(jié)構(gòu)，再次進(jìn)行流場分析；如此反復(fù)直至進(jìn)氣壓降和進(jìn)氣均衡性達(dá)到要求為止，再進(jìn)行歧管殼體的設(shè)計。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證歧管方案可行后，進(jìn)行進(jìn)氣歧管的外圍設(shè)計。表2流場分析得到的各氣道在不同流速下的進(jìn)氣壓降。

表2 各氣道在不同流速下的進(jìn)氣壓降表

圖5為各氣道在不同流速下的進(jìn)氣均勻性。

圖5 各氣道在不同流速下的進(jìn)氣均勻性

5 發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)

對于進(jìn)氣歧管開發(fā)的初始階段樣件，最主要的要求是歧管內(nèi)表面品質(zhì)。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，必須認(rèn)真檢查樣件內(nèi)表面品質(zhì)，檢測進(jìn)氣歧管樣件的進(jìn)氣壓降和進(jìn)氣均衡性，以避免樣件品質(zhì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 優(yōu)化進(jìn)氣歧管后模擬及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

優(yōu)化進(jìn)氣歧管后，模擬的扭矩曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢一致，吻合程度高。發(fā)動機(jī)最大扭矩點(diǎn)前移至3 800 r/min，最大扭矩提高了2.14%；在2 400～4 000 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，發(fā)動機(jī)扭矩明顯提高，最大提高了7.63%；此外，發(fā)動機(jī)的額定功率提高了3.72%。

6 結(jié)束語

采用進(jìn)氣歧管優(yōu)化設(shè)計方法，高效的優(yōu)化進(jìn)氣歧管設(shè)計，顯著地提升發(fā)動機(jī)的性能，滿足了微型面包車發(fā)動機(jī)最大扭矩點(diǎn)前移、提高中低速扭矩的需求。

[1]李 偉.電噴發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管設(shè)計開發(fā)新方法[J].山東內(nèi)燃機(jī)，2005，（3）：1-2.

[2]俞培泳，崔振偉.CA3GA2發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管的設(shè)計與開發(fā)[J].天津汽車，2008，（7）：33-35.