可變進氣歧管設(shè)計開發(fā)及試驗驗證

胡景彥，周大權(quán)，郭如強，馬學(xué)建

(1.寧波市鄞州德來特技術(shù)有限公司，浙江寧波 315100; 2.沈陽大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧沈陽 200100)

0 引言

隨著國家對環(huán)境保護意識和措施越來越加強，汽車作為主要的環(huán)境污染源之一被國家強制性標準化要求，發(fā)動機目前排放要求達到國Ⅵ階段，油耗法規(guī)要達到國Ⅳ階段。排放和油耗的嚴格控制，要求發(fā)動機內(nèi)凈化水平進一步提升，作為進氣系統(tǒng)主要零部件的進氣歧管在此項改進中承擔著主要的責任。進氣歧管采用可變技術(shù)，可以讓發(fā)動機適當小型化，同時提升發(fā)動機動力性能，使發(fā)動機輸出扭矩更大；同時，發(fā)動機常用關(guān)鍵工況點油耗可以降低5%左右?？勺冞M氣歧管技術(shù)正大量快速地應(yīng)用于各款發(fā)動機設(shè)計優(yōu)化開發(fā)中。

文中采用正向設(shè)計開發(fā)手段。目前正向開發(fā)流程是國內(nèi)外最優(yōu)秀的開發(fā)方式，結(jié)合CAE模擬分析的手段進行流體均勻性分析計算、壓損流場分析計算、強度分析計算、密封分析及模態(tài)NVH分析計算等，后續(xù)采用快速樣件試制方法，快速樣件完成后進行樣件單體流量試驗，滿足進氣歧管單體性能后再用于發(fā)動機熱力學(xué)性能試驗驗證。

1 設(shè)計目標確定

1.1 發(fā)動機設(shè)計開發(fā)目標

以正向設(shè)計為流程，首先需要確定所要完成的設(shè)計開發(fā)目標。設(shè)計開發(fā)目標分為兩個，一個是發(fā)動機本體設(shè)計開發(fā)目標，另外一個是進氣歧管設(shè)計開發(fā)目標。首先確定發(fā)動機本體設(shè)計開發(fā)目標，如表1所示。

表1 發(fā)動機主要參數(shù)及指標

發(fā)動機本體主要指標包括發(fā)動機額定功率、發(fā)動機最大扭矩、低速扭矩、發(fā)動機關(guān)鍵點油耗等，體現(xiàn)了該款發(fā)動機主要的性能目標水平。

1.2 進氣歧管設(shè)計開發(fā)目標

進氣歧管設(shè)計目標主要是考察歧管自身的性能，主要包括歧管最大流量要求，可變歧管長、短管尺寸要求，可變機構(gòu)方式，壓力損失，均勻性，質(zhì)量，強度可靠性以及NVH模態(tài)指標等，如表2所示。

表2 發(fā)動機主要參數(shù)及指標

2 進氣歧管正向設(shè)計

2.1 機艙布置

根據(jù)現(xiàn)有整車發(fā)動機機艙空間，進氣系統(tǒng)部分空間定義明確，劃定好完整的設(shè)計邊界，在此邊界上進行進氣歧管相關(guān)設(shè)計優(yōu)化，保證設(shè)計完成的進氣歧管系統(tǒng)滿足整個機艙空間布置、間隙以及空濾器接口、缸蓋接口等要求。圖1為發(fā)動機機艙空間示意圖。

圖1 發(fā)動機機艙空間

2.2 進氣歧管概念設(shè)計

圖2是進氣歧管概念設(shè)計過程示意圖。以機艙布置為基礎(chǔ)，按照進氣歧管長度、等效直徑、曲率等要求對進氣歧管進行概念設(shè)計。

進氣歧管概念設(shè)計目標要達到空間布置與歧管參數(shù)性能要求的最優(yōu)化。

圖2 進氣歧管概念設(shè)計

2.3 焊接軌跡面設(shè)計

根據(jù)歧管骨架線及焊接寬度、壓力角要求，設(shè)計進氣歧管的焊接面。根據(jù)不同供應(yīng)商制造、生產(chǎn)工藝、焊接設(shè)備等的不同要求進行焊接筋尺寸設(shè)計，通常情況下焊接壓力角不得大于60°，焊接寬度要求大于4 mm(見圖3)。

圖3 進氣歧管焊接設(shè)計

2.4 內(nèi)腔設(shè)計

根據(jù)焊接面、歧管線型和截面要求設(shè)計出歧管內(nèi)腔。根據(jù)焊接筋寬度要求，歧管之間的間距要求不小于12.2 mm。歧管的內(nèi)腔設(shè)計是關(guān)鍵所在，是發(fā)動機功率、扭矩和油耗的保證，包括歧管內(nèi)腔長度、直徑以及穩(wěn)壓腔的設(shè)計。進氣歧管內(nèi)腔設(shè)計如圖4所示。

圖4 進氣歧管內(nèi)腔設(shè)計

2.5 穩(wěn)壓腔優(yōu)化、可變翻板設(shè)計

根據(jù)進氣歧管概念參數(shù)設(shè)計進氣歧管穩(wěn)壓腔，同時布置可變翻板，可變翻板是進氣歧管實現(xiàn)可變功能的保證，可變翻板的布置是第一步，也是實現(xiàn)最佳可變過程的基礎(chǔ)。穩(wěn)壓腔容積滿足性能和可靠性要求，翻板位置需滿足流量分配比例要求。圖5為穩(wěn)壓腔及可變翻板示意圖。

圖5 穩(wěn)壓腔、可變翻板布置

2.6 真空腔設(shè)計

根據(jù)進氣歧管性能和真空度要求設(shè)計進氣歧管真空腔，真空腔為進氣歧管可變機構(gòu)提供真空，實現(xiàn)進氣歧管可變機構(gòu)的機械旋轉(zhuǎn)力，從而實現(xiàn)進氣歧管可變機構(gòu)的正常工作，所以進氣歧管真空腔大小選擇非常重要，以便真空腔根據(jù)真空度要求布置容積大小，一般大于0.6 L。圖6為真空腔示意圖。

圖6 真空腔設(shè)計

2.7 外形設(shè)計

在滿足進氣歧管熱力學(xué)性能的歧管長度、直徑、容積等要求和進氣歧管CFD分析壓力損失和均勻性要求基礎(chǔ)上，開展進氣歧管外形設(shè)計。圖7所示為外形設(shè)計示意圖。

最佳的外形設(shè)計，首先要滿足空間要求，同時還要滿足進氣歧管強度可靠性要求。

2.8 模具、焊接筋設(shè)計

外形設(shè)計定型后，進行進氣歧管模具分片、焊接筋設(shè)計。前面焊接軌跡面的設(shè)計是初步概念，模具、焊接筋的設(shè)計需要細化設(shè)計結(jié)構(gòu)，需要達到滿足模具開發(fā)和焊接制造量產(chǎn)的需求。此處的設(shè)計根據(jù)不同設(shè)備工藝要求進行相應(yīng)優(yōu)化調(diào)整。圖8所示為模具、焊接筋設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7 外形設(shè)計

圖8 模具、焊接筋設(shè)計

2.9 可變機構(gòu)設(shè)計

模具分片設(shè)計完成后，進行可變機構(gòu)設(shè)計，包括可變閥片、轉(zhuǎn)軸以及控制機構(gòu)等?？勺儥C構(gòu)的設(shè)計是可變進氣歧管設(shè)計難點，主要是可變機構(gòu)閥片可靠性設(shè)計非常困難，不合理的設(shè)計經(jīng)常出現(xiàn)磨損、抖動NVH問題等，所以可變機構(gòu)閥片零部件材料使用、設(shè)計結(jié)構(gòu)、配合間隙需要作為設(shè)計重點項。表3所示為可變機構(gòu)主要零部件材料定義和主要的結(jié)構(gòu)尺寸。

表3 可變機構(gòu)零部件匯總

同時，可變機構(gòu)還需要承擔長、短管流量的分配比例，所以可變結(jié)構(gòu)的位置精度要求較高，可變機構(gòu)采用真空執(zhí)行器的動作實現(xiàn)長短管可變切換。圖9所示為可變機構(gòu)示意圖。圖10所示為可變機構(gòu)閥片零部件示意圖。

圖9 可變機構(gòu)設(shè)計

圖10 可變機構(gòu)閥片組件

2.10 總成裝配

可變進氣歧管零部件設(shè)計完成，進行總成裝配。進氣歧管總成零部件包括進氣歧管本體、密封圈、螺栓、可變機構(gòu)(見圖11)。

圖11 進氣歧管總成

總成裝配是進氣歧管系統(tǒng)完整的組件，實現(xiàn)了空間布置滿足要求、裝配工藝滿足要求、維修拆卸滿足要求等各個方面的功能性要求。

2.11 設(shè)計審核

設(shè)計審核包括多項檢查條目，有空間間隙檢查、模具制造檢查、設(shè)計壁厚檢查、閥片開啟功能檢查、配合檢查等。

2.11.1 拔模檢查

拔模角度是模具設(shè)計的基本要求，拔模的設(shè)計要滿足拔模角度要求，檢查進氣歧管分片是否存在倒扣不正常拔模問題。圖12為拔模角度示意圖。

圖12 拔模角度

2.11.2 壁厚檢查

正向的設(shè)計壁厚一定是均勻分布的，基本壁厚是一致的，一般國內(nèi)制造水平，塑料進氣歧管基本壁厚在2.5～3 mm，有些特殊結(jié)構(gòu)會造成局部壁厚較大。壁厚檢查確認各個位置進氣歧管壁厚合理性，同時有效控制進氣歧管本體質(zhì)量。圖13所示為進氣歧管壁厚示意圖。

圖13 進氣歧管壁厚

2.11.3 焊接筋檢查

焊接筋的設(shè)計要求一般根據(jù)不同制造廠商有一定差異，所以焊接筋設(shè)計前需要廠家輸入焊接筋結(jié)構(gòu)要求。根據(jù)模具廠家要求，進行焊接筋結(jié)構(gòu)設(shè)計，一般要求為壓力角不得大于60°，焊接寬度要求大于4 mm。圖14為焊接筋結(jié)構(gòu)尺寸示意圖。

圖14 焊接筋結(jié)構(gòu)尺寸

2.11.4 出模檢查

塑料模具開模費用較高，一套較復(fù)雜的進氣歧管模具需要100多萬，這么高額的開模費用需要模具設(shè)計環(huán)節(jié)考慮完善，模具設(shè)計不存在問題，所以出模檢查為重點開展工作內(nèi)容。該款進氣歧管主體為3片，圖15為進氣歧管出模檢查示意圖。

圖15 出模檢查

2.11.5 可變閥片開啟功能檢查

可變閥片開啟角度直接影響進氣歧管可變的效果，會對發(fā)動機功率、扭矩和油耗產(chǎn)生一定影響?？勺冮y片必須保證開啟角度按設(shè)計要求執(zhí)行，開啟鎖止位置滿足設(shè)計角度要求。圖16為閥片開啟位置角度示意圖。

圖16 閥片開啟位置

2.11.6 安裝配合檢查

進氣歧管安裝配合檢查主要包括兩個結(jié)合面：進氣歧管與缸蓋結(jié)合面檢查，進氣歧管與節(jié)氣門安裝檢查。圖17所示為進氣歧管接口配合檢查。

圖17 進氣歧管接口配合

在進氣方向上，缸蓋與歧管接口應(yīng)配合合理，保持氣流順暢，減少節(jié)流損失。進氣歧管與節(jié)氣門配合也需要保證氣流流通損失最小化，保證兩個相關(guān)聯(lián)零部件配合滿足要求。

2.11.7 整機裝配檢查

此項工作主要檢查進氣歧管在發(fā)動機整機上裝配的可行性，以及與發(fā)動機各個周邊零部件間隙尺寸，同時保證進氣歧管與發(fā)動機相關(guān)零件的間隙，間隙要求不小于10 mm。圖18所示為進氣歧管裝配圖。

圖18 進氣歧管裝配圖

2.11.8 機艙布置檢查

機艙布置檢查是進氣歧管布局設(shè)計最后的環(huán)節(jié)。前期的設(shè)計在給定的要求空間內(nèi)完成，此項檢查工作主要是校核確認設(shè)計邊界是否滿足整車的設(shè)計要求。進氣歧管與機艙的間隙要求不小于25 mm。同時要檢查進氣歧管在機艙內(nèi)裝配的工藝性、維修拆卸工藝性等。圖19為進氣歧管機艙布置示意圖。

圖19 進氣歧管機艙布置

2.12 詳細2D設(shè)計

詳細設(shè)計階段主要的工作是完成進氣歧管的圖紙，同時還需要進行相關(guān)公差尺寸校核，例如密封圈壓縮量校核、螺栓定位銷尺寸公差校核、結(jié)合面尺寸公差校核等，但最重要的工作內(nèi)容還是用于歧管制造的2D圖紙。2D圖紙包括詳細的尺寸定義、關(guān)鍵尺寸形位公差和尺寸公差要求。進氣歧管圖紙主要包括進氣歧管總成圖紙主要用于指導(dǎo)總成配合。進氣歧管零部件圖紙主要用于指導(dǎo)定義各個零部件尺寸結(jié)構(gòu)尺寸及相應(yīng)的公差要求、裝配位置要求等。圖20所示為進氣歧管2D圖紙示意圖。

圖20 進氣歧管2D圖紙

3 CAE計算分析

3.1 熱力學(xué)計算分析

熱力學(xué)計算分析從正向設(shè)計的概念階段就需要同步開展。概念階段完成進氣歧管直徑、長度、穩(wěn)壓腔容積的尺寸選配，同時計算出長短管流量分配比例。布局階段對以上概念階段所定義的參數(shù)變化進行確認分析，得到最終滿足性能要求的進氣歧管結(jié)構(gòu)參數(shù)，進氣歧管布局設(shè)計也保證與布局修正后的結(jié)構(gòu)尺寸一致。

3.1.1 進氣歧管長度計算與分析

進氣歧管長度計算分析需要把進氣歧管長度設(shè)置為變量，長度尺寸需要在滿足空間要求的前提下進行改進，通過熱力學(xué)分析來進行一系列進氣歧管長度計算分析。一般進氣歧管長度變化應(yīng)該在50～100 mm以內(nèi)，先進行大長度尺寸變化選配，之后依據(jù)合適尺寸再進行詳細長度選配計算，一般在50 mm變化以內(nèi)選擇進氣歧管最佳長度尺寸。圖21所示為進氣歧管長度選配計算分析。

圖21 進氣歧管長度選配

3.1.2 進氣歧管直徑計算與分析

進氣歧管直徑是進氣歧管設(shè)計的主要影響結(jié)構(gòu)，比進氣歧管長度要敏感很多，而且影響效果大于長度，所以進氣歧管直徑的選擇需要精細化，一般直徑變化為0.5 mm，而且隨著進氣歧管長度變化對進氣歧管直徑進行相應(yīng)的變化，找到進氣歧管隨長度變化直徑最佳的直徑變化規(guī)律和最合適的直徑數(shù)值。如圖22所示為進氣歧管直徑選配計算分析結(jié)果。

3.1.3 進氣歧管容積計算與分析

進氣歧管的容積是占有進氣歧管空間最大的一部分，進氣歧管容積的選配對于性能影響不敏感，一般規(guī)律是大容積有利于高速性能，小容積有利于中低速性能。但容積大小會影響進氣歧管本體強度和模態(tài)，影響到整機的可靠性和NVH性能。一般情況下在保證發(fā)動機性能前提下，進氣歧管容積盡量選擇小型化，以保證進氣歧管的爆破強度較高要求。圖23所示為進氣歧管容積計算分析結(jié)果。

圖22 進氣歧管直徑選配

圖23 進氣歧管扭矩隨容積和轉(zhuǎn)速變化對比

3.1.4 發(fā)動機性能預(yù)測

根據(jù)進氣歧管各個參數(shù)選配最佳結(jié)果，得出進氣歧管最終選配結(jié)構(gòu)尺寸方案，對其進行發(fā)動機整體性能計算分析，得出可變進氣歧管發(fā)動機外特性性能，同時可得到長短管切換轉(zhuǎn)速為4 500 r/min，為ECU控制提供依據(jù)。由發(fā)動機性能模擬課件，可變進氣歧管使發(fā)動機性能提升幅度接近8%以上，尤其扭矩曲線形狀也進行了一定優(yōu)化，如圖24所示。

圖24 發(fā)動機扭矩隨轉(zhuǎn)速和進氣歧管長度變化對比

3.2 CFD計算分析

3.2.1 短管狀態(tài)壓損計算分析

短管工況一般都是4 500 r/min以上高速工況，該歧管壓損對發(fā)動機高速影響較大，所以短管壓損控制至關(guān)重要。圖25為短管壓損計算分析結(jié)果。

圖25 短管壓損計算結(jié)果

3.2.2 長管狀態(tài)壓損計算分析

長管工況一般都是4 500 r/min以下中低速工況，該歧管均勻性對中低速扭矩和油耗影響較大，主要保證長管的均勻性水平。圖26為長管壓損均勻性計算分析結(jié)果。

圖26 長管壓損均勻性計算結(jié)果

3.2.3 流場流速計算分析

根據(jù)長短管流速計算分析可以評估進氣歧管整個流場狀態(tài)，對壓力損失、流動分離、壓損不合理部位進行詳細診斷，進行最優(yōu)化設(shè)計。圖27為流場流速計算分析結(jié)果。

圖27 流場流速計算結(jié)果

3.2.4 流量分配計算分析

此可變進氣歧管可變狀態(tài)為短管使用狀態(tài)，短管狀態(tài)閥片開啟，此時流經(jīng)長、短管流量有個比例分配，比例分配根據(jù)發(fā)動機性能要求選取(見第3.1節(jié)熱力學(xué)分析結(jié)果)，此進氣歧管設(shè)計優(yōu)化后流量比例分配為90%(流經(jīng)短管流量占比)，作為最佳流量分配狀態(tài)進行設(shè)計開發(fā)。表4為流量分配計算分析結(jié)果。

表4 流量分配計算結(jié)果

3.3 強度計算分析

為保證進氣歧管可靠性，對進氣歧管強度進行計算分析，主要考察進氣歧管焊接筋強度、腔體強度。一般進氣歧管強度最薄弱的環(huán)節(jié)是穩(wěn)壓腔體，對穩(wěn)壓腔體進行加強筋設(shè)計，提升腔體本體強度。圖28所示為進氣歧管強度計算結(jié)果。

圖28 進氣歧管強度計算結(jié)果

3.4 模態(tài)計算分析

作為進氣歧管零部件，支架連接的設(shè)計也很關(guān)鍵，需要保證連接后的NVH性能，不能引起共振和其他NVH問題。一般要求四缸機第一階模態(tài)頻率目標值大于240 Hz，此款進氣歧管模態(tài)結(jié)果為243.4 Hz, NVH性能滿足要求，如圖29所示。

圖29 模態(tài)計算結(jié)果(第一階模態(tài)243.4 Hz)

4 試驗驗證

4.1 歧管本體流量試驗

進氣歧管樣件試制完成后，在發(fā)動機裝配之前，需要對進氣歧管樣件進行單體試驗，驗證進氣歧管本體是否滿足設(shè)計要求。進氣歧管本體試驗的內(nèi)容包括進氣歧管壓損試驗檢測和進氣歧管均勻性試驗檢測。圖30所示為進氣歧管流量試驗結(jié)果。

圖30 進氣歧管流量試驗結(jié)果

4.2 發(fā)動機外特性試驗

進氣歧管檢測合格后，進行發(fā)動機整機裝配，需要開展發(fā)動機性能驗證試驗，發(fā)動機性能驗證包括功率、扭矩、油耗等各個方面。進氣歧管在發(fā)動機整機上主要進行外特性和萬有特性兩類試驗，外特性試驗是首先完成的試驗，確認進氣歧管對應(yīng)的發(fā)動機功率、扭矩的性能水平，來評判發(fā)動機功率和扭矩是否滿足目標要求。圖31所示為發(fā)動機外特性試驗結(jié)果。

圖31 外特性試驗結(jié)果

4.3 發(fā)動機萬有特性試驗

萬有特性油耗試驗結(jié)果如圖32所示。

圖32 萬有特性油耗試驗結(jié)果

發(fā)動機萬有特性試驗是發(fā)動機全MAP測試，可以體現(xiàn)發(fā)動機油耗水平以及關(guān)鍵油耗區(qū)域。該款可變進氣歧管油耗測試顯示，最大油耗降低5%，關(guān)鍵油耗區(qū)域油耗率降低幅度在3%左右。圖32所示為發(fā)動機萬有特性油耗MAP圖。萬有特性最低油耗率為242 g/(kW·h)，滿足最低油耗目標要求。

5 結(jié)論

通過上述設(shè)計、CAE分析、零部件試驗、發(fā)動機試驗全過程展示，說明了可變進氣歧管設(shè)計開發(fā)流程和相應(yīng)的標準。既有理論分析論證，又有設(shè)計經(jīng)驗的展示，同時進行了有力的實驗驗證過程，充分展示了可變進氣歧管技術(shù)開發(fā)的全程規(guī)范化工作，也充分說明了開展一款優(yōu)秀進氣歧管設(shè)計開發(fā)的完善的工作內(nèi)容和工作方法。