排氣歧管結(jié)構(gòu)形式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的試驗(yàn)

王亞飛 崔振偉 吳喜慶 韓艷輝

（1.中國(guó)第一汽車股份有限公司天津技術(shù)開發(fā)分公司；2.中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

隨著我國(guó)汽車工業(yè)的快速發(fā)展，為解決能源供需矛盾，國(guó)家對(duì)乘用車的燃油消耗限值要求越來越嚴(yán)格。排氣歧管作為發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的重要部件之一，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性會(huì)產(chǎn)生直接影響。排氣歧管設(shè)計(jì)不合理，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩明顯下降，油耗也會(huì)增加?；谝陨蠁栴}，文章主要針對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的排氣歧管進(jìn)行了模擬分析和臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了其對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的影響程度，從而為以后發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供一定的指導(dǎo)。

1 結(jié)構(gòu)形式

文章分別設(shè)計(jì)了2種結(jié)構(gòu)形式的排氣歧管，主要區(qū)別在于催化器上方歧管部分的結(jié)構(gòu)和工藝形式，如圖1所示。方案1的歧管采用按4-1的連接形式布置的沖壓鋼板焊接形式，歧管分為上下2個(gè)半殼，由不銹鋼鋼板沖壓而成，然后將2個(gè)半殼焊接在一起；方案2的歧管采用不銹鋼鋼管焊接形式，由4根鋼管折彎后采用4-2-1的連接形式焊接在一起。

圖1 2種方案排氣歧管結(jié)構(gòu)對(duì)比

方案1的優(yōu)點(diǎn)在于管徑變化靈活，各支管合并方便，成本較低；缺點(diǎn)在于受沖壓工藝的限制，歧管無(wú)法進(jìn)行復(fù)雜的空間布置，各支管長(zhǎng)度差異較大。方案2的優(yōu)點(diǎn)在于空間布置靈活，各支管長(zhǎng)度差異較小，且可以實(shí)現(xiàn)1-4氣道、2-3氣道合并的4-2-1布局形式，有利于減小排氣干擾；缺點(diǎn)在于排氣歧管需要占據(jù)較大的布置空間，且較長(zhǎng)的歧管結(jié)構(gòu)使排氣溫度有所下降，不利于催化器快速達(dá)到最佳工作溫度[1]。

文章主要探討不同結(jié)構(gòu)形式的排氣歧管對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的影響程度。為了減少其他因素的影響，這2種方案的排氣歧管采用相同的催化轉(zhuǎn)化器載體，且排氣入口和出口的位置也相同。

2 模擬分析

為了分析2種方案排氣性能的好壞，利用STAR-CCM+軟件分別對(duì)2種方案排氣歧管進(jìn)行模擬分析，邊界條件為：氣體在排氣管內(nèi)的流動(dòng)視為穩(wěn)態(tài)、絕熱的不可壓縮湍流；采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型模擬湍流；排氣管的內(nèi)壁面認(rèn)為是水力光滑的；三元催化器載體采用多孔介質(zhì)模型處理；采用非耦合隱式算法，二階求解精度。

2.1 排氣壓降損失分析

排氣壓降損失是反映排氣系統(tǒng)流通性好壞的一個(gè)重要指標(biāo)，壓降損失越小，排氣阻力就越小，發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣流通性就越好，就更有利于發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的提高[2]。

通過對(duì)2種方案進(jìn)行模擬分析，分別得到它們各部分的壓降損失值，計(jì)算結(jié)果，如表1所示。從表1可以看出，壓降損失主要集中在排氣歧管入口至催化器本體段。在排氣歧管入口至催化器上端處（即各支管段），方案1的壓降損失明顯高于方案2，尤其是1缸和3缸的壓降損失高出1倍左右。在催化器本體段，2種方案壓降損失相差不大，方案1略優(yōu)于方案2。在催化器下端至排氣歧管出口處，2種方案壓降損失都很小，且相差不大。綜合來看，排氣歧管各支管段是造成2種方案壓降損失差異的主要部位，采用沖壓形式的方案1受工藝限制的原因，4個(gè)支管差異較大，各支管在排氣時(shí)存在干擾，是導(dǎo)致排氣壓降損失較大的主要原因，而方案2的各彎管走向較方案1更合理，壓降損失也更小。

表1 2種排氣歧管方案的各缸壓降損失對(duì)比 kPa

2.2 排氣均勻性分析

各缸排氣壓降損失的均勻性影響發(fā)動(dòng)機(jī)排氣過程的穩(wěn)定性。各缸壓降損失越不均勻，則排氣壓力差異就越大，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣就越不穩(wěn)定。受不穩(wěn)定排氣影響，發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性也會(huì)下降，導(dǎo)致功率和扭矩下降，油耗增加。

壓降損失相對(duì)偏差值能夠較好地反映出各缸排氣壓降損失的均勻性，壓降損失相對(duì)偏差值計(jì)算公式為：

式中：Ki——第i缸壓降損失相對(duì)偏差，%；

Pi——第i缸排氣總壓損，kPa；

n——缸數(shù)，此處n=4。

圖2示出2種排氣歧管方案的各缸壓損相對(duì)偏差計(jì)算結(jié)果。從圖2中可以看出，方案1中各缸壓降損失相對(duì)偏差較大，均大于方案2。尤其是1缸、2缸和4缸，壓降損失都超過了12%，而方案2均在4%以內(nèi)。方案1各支管長(zhǎng)度差異較大，而方案2各支管長(zhǎng)度比較均勻，使得各缸壓降損失相對(duì)偏差較小，排氣均勻性更好，更有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性與燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖2 2種排氣歧管方案的各缸壓損相對(duì)偏差計(jì)算結(jié)果

2.3 排氣干擾分析

如果排氣歧管結(jié)構(gòu)布置和各支管長(zhǎng)度不合理，不同氣缸之間的排氣諧波就會(huì)相互影響，當(dāng)某缸排氣門剛打開時(shí)，正好趕上其他缸排氣傳過來的壓力波峰值，使該缸歧管內(nèi)壓力過大，就會(huì)影響廢氣順利排出。由此造成壓降損失增大，影響發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性[3-6]。

圖3示出2種方案的排氣歧管排氣流動(dòng)軌跡線圖。從圖3可以看出，在方案1中，前3缸在排氣時(shí)對(duì)第4缸都有一定干擾，尤其是第3缸排氣后對(duì)即將排氣的第4缸干擾較大，影響第4缸廢氣順利排出，其他各缸干擾相對(duì)較小。在方案2中，1缸與4缸排氣支管相互連通，2缸與3缸排氣支管相互連通，排氣時(shí)相互連通的兩缸有一定干擾。但根據(jù)四缸發(fā)動(dòng)機(jī)1-3-4-2的點(diǎn)火順序，方案2的4-2-1布置形式避開了即將點(diǎn)火的相鄰兩缸產(chǎn)生的排氣干擾。較小的排氣干擾也是方案2排氣壓降損失較小的原因之一，同時(shí)也有利于排氣噪聲的降低。

圖3 排氣歧管排氣流場(chǎng)軌跡線圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過模擬分析可知，方案2在提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性上更有優(yōu)勢(shì)。為了驗(yàn)證分析結(jié)果的正確性，以及這2種方案對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的影響程度，文章分別將2種方案的排氣歧管樣件搭載到同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)。所搭載發(fā)動(dòng)機(jī)為排量1.3 L的直列四缸汽油機(jī)，進(jìn)氣方式為自然吸氣，冷卻方式為水冷，壓縮比為10.9。

臺(tái)架試驗(yàn)分別驗(yàn)證了發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速時(shí)的功率、扭矩、燃油消耗率和排氣背壓等值。為了更直觀地比較，將試驗(yàn)結(jié)果繪制為曲線圖，如圖4和圖5所示。從圖4可以看出，在低轉(zhuǎn)速時(shí)2種方案排氣歧管對(duì)扭矩的影響較小，在2 500 r/min以上時(shí)，方案2扭矩值均高于方案1，平均高出0.9 N·m左右。2種方案對(duì)功率的影響比較小，在2 500 r/min以上時(shí)方案2功率比方案1平均高出0.38 kW左右。從圖5可以看出，在低轉(zhuǎn)速時(shí)，方案2燃油消耗率略微高于方案1，在2 500 r/min以上時(shí)，方案2燃油消耗率表現(xiàn)較好，平均比方案1低5.2 g/kW·h左右。排氣背壓方面，轉(zhuǎn)速越高，方案1與方案2背壓差異越大，在2 500 r/min以上，方案2較方案1排氣背壓低1～2 kPa。在排氣壓降損失、排氣均勻性及排氣干擾方面的良好表現(xiàn)，使得方案2在臺(tái)架試驗(yàn)中排氣背壓要低于方案1，而較低的排氣背壓使得搭載方案2的發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩更高，燃油消耗率更低。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)外特性扭矩與功率對(duì)比曲線

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)外特性燃油消耗率與排氣背壓對(duì)比曲線

4 結(jié)論

研究結(jié)果表明，采用4-2-1布置形式的不銹鋼鋼管焊接的排氣歧管在排氣壓降損失、排氣均勻性及各缸排氣干擾上均優(yōu)于采用4-1布置形式的沖壓鋼板焊接的排氣歧管，不銹鋼鋼管焊接形式的排氣歧管在臺(tái)架試驗(yàn)中性能表現(xiàn)也更佳。相比沖壓鋼板焊接形式的排氣歧管，搭載不銹鋼鋼管焊接形式的排氣歧管的某1.3 L發(fā)動(dòng)機(jī)，在轉(zhuǎn)速為2 500 r/min以上時(shí)扭矩平均提升0.9 N·m左右，功率平均提升0.38 kW左右，燃油消耗率平均降低5.2 g/kW·h左右。匹配該排氣歧管的發(fā)動(dòng)機(jī)在動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性上均優(yōu)于匹配沖壓鋼板焊接形式排氣歧管的發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其當(dāng)轉(zhuǎn)速升高，排氣量增大時(shí)，這種優(yōu)勢(shì)更加明顯。