關(guān)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管的塑料化設(shè)計(jì)技術(shù)研究

榮健

[摘 要]在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中，進(jìn)氣歧管是一個(gè)非常重要的組成部分，它的功用就是把潔凈的空氣均勻的分配到各缸進(jìn)氣道中。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的氣體流動(dòng)非常復(fù)雜，它除了會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率與換氣損失造成一定的影響外，也會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性有較為重要的影響。本文就關(guān)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行分析探討。

[關(guān)鍵詞]發(fā)動(dòng)機(jī) 進(jìn)氣歧管 優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：N945.15 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2015）42-0005-01

引言

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的心臟，然而進(jìn)氣歧管是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)最重要的部件，進(jìn)氣系統(tǒng)決定著發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣效率和各缸充氣均勻性，對(duì)整機(jī)性能有非常大的影響。進(jìn)氣歧管的基本功能是將汽油和空氣按一定比例混合成“混合氣”，分配到發(fā)動(dòng)機(jī)的各氣缸中，使燃?xì)獬浞秩紵?。目前塑料進(jìn)氣歧管已經(jīng)成功的開發(fā)和應(yīng)用本文就相關(guān)的進(jìn)氣歧管的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行分析。

1.發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管的發(fā)展現(xiàn)狀及前景

由于塑料進(jìn)氣歧管的內(nèi)壁光滑，氣流阻力小，因此充氣效率明顯提高；同時(shí)混合氣分配均勻，排放也得到改善，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能明顯改善；塑料制成的零部件不僅明顯減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，而且具有金屬零部件所無可比擬的優(yōu)越性能，塑料進(jìn)氣歧管與傳統(tǒng)的鋁合金進(jìn)氣歧管相比，具有質(zhì)輕、設(shè)計(jì)自由度大、成本低，節(jié)能，環(huán)保三大優(yōu)點(diǎn)。目前歐美、日本、韓國等發(fā)達(dá)國家汽車制造商已經(jīng)普及采用塑料進(jìn)氣歧管，實(shí)現(xiàn)了金屬進(jìn)氣歧管的塑料化，特別是寶馬等高檔車型使用，為進(jìn)氣歧管的塑料化生產(chǎn)帶來了巨大的市場(chǎng)引導(dǎo)作用。

汽車進(jìn)氣管注塑模及進(jìn)氣管注塑制品以其優(yōu)異的性能和應(yīng)用前景博得了消費(fèi)者和各國汽車企業(yè)界的青睞。大輻度減輕重量的發(fā)動(dòng)機(jī)塑料進(jìn)氣管歧管替代金屬發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管歧管是必然趨勢(shì)，其開發(fā)應(yīng)用也是一個(gè)巨大的潛在經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)。在今后的汽車車型的開發(fā)制造中，塑料發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管歧管將得到更加迅猛的發(fā)展推廣和應(yīng)用。

2.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管使用要求

汽車進(jìn)氣歧管由于與發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋相連，在工作狀態(tài)下，會(huì)引起震動(dòng)，溫度往往在130℃～150℃，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，進(jìn)氣歧管需要能夠承受高溫，能夠保證在發(fā)動(dòng)機(jī)異?；鼗馉顟B(tài)下，仍然能夠工作，因此需要很高的強(qiáng)度。連接時(shí)進(jìn)氣歧管必須能夠與各傳感器、執(zhí)行器元件的尺寸相匹配。由于機(jī)艙內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性。汽車進(jìn)氣歧管材料必須能夠耐高溫、耐腐蝕、強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性以及很好的相溶性能，還必須具有一定的強(qiáng)度和剛度滿足工作環(huán)境的變化。

3.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管的作用及關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)研究

3.1 壓力傳感器關(guān)鍵技術(shù)

進(jìn)氣壓力傳感器：反映進(jìn)氣歧管內(nèi)的絕對(duì)壓力大小的變化，是向ECU（發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元）提供計(jì)算噴油持續(xù)時(shí)間的基準(zhǔn)信號(hào)； 空氣流量傳感器：測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)吸入的空氣量，提供給ECU作為噴油時(shí)間的基準(zhǔn)信號(hào)； 節(jié)氣門位置傳感器：測(cè)量節(jié)氣門打開的角度，提供給ECU作為斷油、控制燃油/空氣比、點(diǎn)火提前角修正的基準(zhǔn)信號(hào)；氧傳感器：檢測(cè)排氣中的氧濃度，提供給ECU作為控制燃油/空氣比在最佳值（理論值）附近的的基準(zhǔn)信號(hào)； 進(jìn)氣溫度傳感器：檢測(cè)進(jìn)氣溫度，提供給ECU作為計(jì)算空氣密度的依據(jù)；

3.2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)

3.2.1 可變進(jìn)氣歧管技術(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，進(jìn)氣門不停的在開啟與關(guān)閉，氣門開啟的時(shí)候，進(jìn)氣歧管當(dāng)中的混合氣以一定的速度通過氣門進(jìn)入到汽缸中，當(dāng)氣門關(guān)閉的時(shí)候混合氣受阻就會(huì)發(fā)生反彈，持續(xù)一段時(shí)間就會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)頻率。假如進(jìn)氣歧管相對(duì)較短，這種頻率就會(huì)變得更加快；假如進(jìn)氣歧管相對(duì)較長，頻率就會(huì)變得相對(duì)較慢。假如進(jìn)氣歧管當(dāng)中混合氣的震蕩頻率和進(jìn)氣門開啟的時(shí)間達(dá)到共振的話，則這時(shí)候的進(jìn)氣效率就是非常高的。因此可變進(jìn)氣歧管的開發(fā)和應(yīng)用，使發(fā)動(dòng)機(jī)高速與低速的時(shí)候都能夠獲得最佳配氣。

發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速的時(shí)候，控制閥片關(guān)閉，使氣流流動(dòng)的路徑增加即長氣道，就能夠增加進(jìn)氣的氣壓強(qiáng)度與氣流速度，從而使得汽油得到更好的霧化，燃燒的更好，使扭矩得到提高。發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速的時(shí)候就需要大量的混合氣，控制閥片開啟，使氣流流動(dòng)的路徑變短即短氣道，從而發(fā)動(dòng)機(jī)吸入更多的混合氣，輸出功率得到提高。圖示可變長度進(jìn)氣歧管的原理圖。

由于混合氣是具有質(zhì)量的流體，在進(jìn)氣管當(dāng)中的流動(dòng)狀態(tài)非常豐富，工程上通常都要運(yùn)用流體力學(xué)來優(yōu)化它的內(nèi)部設(shè)計(jì)，氣道的均衡性分析常用的CFD分析軟件是star ccm+.通過分析優(yōu)化氣道，使均衡性在1%以內(nèi)。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速間隔高達(dá)數(shù)千轉(zhuǎn)，各工況的進(jìn)氣需求都不同。于是，工程師對(duì)進(jìn)氣歧管進(jìn)行更加深入的開發(fā)——讓進(jìn)氣歧管“變”起來。

3.2.2 進(jìn)氣歧管數(shù)據(jù)優(yōu)化技術(shù)

1）進(jìn)氣歧管管長的優(yōu)化

開發(fā)某款發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管過程中，在進(jìn)氣歧管其他參數(shù)如管徑與壓損相一致的情況下，選用不同管長的進(jìn)氣歧管來進(jìn)行分析性能，分析軟件是GT power。原進(jìn)氣歧管管長400mm，增加進(jìn)氣歧管的長度，相應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)中低速區(qū)域段扭矩明確增加，在達(dá)到最大值后，平緩下降，相對(duì)而言，隨著進(jìn)氣歧管的加長，發(fā)動(dòng)機(jī)高速區(qū)域段扭矩下降。同時(shí)在進(jìn)氣歧管加長的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率有所降低，而且功率隨著管長的增加而幅度越來越大，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在5000r/min下，低速功率也是隨著管長的增加而降低，通過多輪的分析優(yōu)化，氣道長度的調(diào)整，進(jìn)氣歧管管長在560mm處最佳。

2）進(jìn)氣歧管管徑優(yōu)化

在另一款發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管的開發(fā)過程， 在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管其它參數(shù)如管長以及壓損等不變的情況下，研究不同管徑大小對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。發(fā)現(xiàn)管徑的加大，使高速段扭矩相應(yīng)增加，但是低速段扭矩卻是相應(yīng)減小。隨著管徑的加大，發(fā)動(dòng)機(jī)高速段功率越來越大，但低速段發(fā)電動(dòng)機(jī)功率是越來越小，綜合考慮到低速與高速兩種性能，通過分析軟件優(yōu)化調(diào)整，進(jìn)氣歧管直徑取31mm最佳。

3）發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管壓損的優(yōu)化

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管壓損的優(yōu)化過程，在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管管徑以及管長不變的情況下比較不同壓損對(duì)發(fā)電機(jī)性能帶來的影響。在壓損不同情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)高速階段受影響比較大，對(duì)低速階段影響不大。發(fā)動(dòng)機(jī)高速階段功率隨彎曲半徑的增加相應(yīng)的增加，低速階段功率沒有太大變化，綜合優(yōu)化分析，進(jìn)氣歧管長度取值400mm管壓損最佳。

4 結(jié)束語

塑料進(jìn)氣歧管可比鋁進(jìn)氣歧管重量減輕50%以上，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性得到5～10%的提升，經(jīng)濟(jì)性和排放性也有相當(dāng)改善，材料和制造成本都可得到降低。但是塑料進(jìn)氣歧管作為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)最關(guān)鍵的零部件。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管的性能高低影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效果，因此對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管的設(shè)計(jì)技術(shù)的開發(fā)提高、完善優(yōu)化的研究將會(huì)一直持續(xù)下去。

參考文獻(xiàn)

[1] 俞培泳，崔振偉.CA3GA2發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].天津汽車. 2008（07）.

[2] 李偉.電噴發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)開發(fā)新方法[J].山東內(nèi)燃機(jī).2005（03）.

[3] 盧兆強(qiáng)，吳頌.發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管選型的試驗(yàn)研究[J].裝備制造技術(shù). 2011（09）.