發動機進氣岐管的發展及CFD技術的應用

黃 鍵 李世仲 黃劍峰

發動機進氣岐管的發展及CFD技術的應用

黃 鍵 李世仲 黃劍峰

福州大學機械工程及自動化學院

闡述了發動機塑料進氣岐管的發展現狀，分析了塑料進氣岐管的性能特點，以及CFD技術在此領域的應用，為推廣使用塑料進氣歧管提供幫助。

塑料進氣岐管；CFD技術；應用

輕量化是汽車工業發展的一大趨勢，也是衡量汽車工業技術成就的一個重要標志。輕量化技術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結構技術，以達到節油目的，實現節能減排。鋁合金、鎂合金、塑料和高強度鋼等都是目前大量或開始應用的汽車輕量化材料，塑料進氣岐管就是近年來成功應用于發動機的一項輕量化技術。

1 塑料進氣岐管的發展現狀

車用汽油機普遍采用電控系統，而進氣岐管是傳感器和執行器安裝的主要部件，空間狹小，結構復雜，是發動機最關鍵的零部件之一，長期以來都是采用鋁合金鑄造而成。鋁合金制作的進氣歧管內壁粗糙，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，廢氣排放多等現象，另外，金屬進氣管還具有重量大、加工復雜、生產效率低、成本高等缺點。

圖1 國內某公司自主研發的塑料進氣歧管

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

2 塑料進氣岐管的性能特點

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

制作塑料進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）高強度。要求材料不僅能承受發動機的振動、節氣門和傳感器的慣性力以及進氣壓力產生的脈動沖擊，還要保證在發動機產生異常回火時不至于被高壓脈動壓力所爆破。（3）尺寸穩定性。保證進氣歧管與發動機連接處的尺寸公差達到規定的要求，同時保證進氣歧管上各傳感器、執行器元件能夠準確安裝。（4）化學穩定性。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的侵蝕。（5）熱老化穩定性。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商在不斷地開發新的進氣歧管塑料材料，以期提高塑料材料的各種性能，但目前仍然首選尼龍材料。尼龍的優點是耐高溫、化學穩定性好，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，吸水后尼龍的強度會下降近40%。因此，人們普遍使用增加了25%~35% 玻纖的PA6 或PA66 增強尼龍。尼龍在加入玻纖后，其收縮率得到了明顯改善。對于內部含冷卻水道的進氣歧管，需要采用專用的抗乙二醇的尼龍配方。

3 CFD技術的應用

塑料進氣歧管的設計和制作流程是：首先參考發動機的安裝和傳感器的布置進行結構設計和3D建模。其次，進行一維和三維流動分析、強度和剛度分析，從而改進3D模型。然后制作出FDM(快速成型)樣件，進行樣件氣道穩流試驗、樣件發動機試驗、應力應變強化測試等，FDM樣件試驗合格后，3D數據交模具廠家開塑料模，依此試制塑料進氣管，試制出樣品后，隨后進行樣品氣道試驗、樣品發動機試驗、整車排放實驗、噪聲實驗、產品的系列驗證及強化實驗，并根據實驗情況進行模具的修改。

CFD(Cmputational Fluid Dynamics)技術在塑料進氣歧管的快速設計、縮短開發周期和降低研發成本等方面都起到了重要的作用,產生了顯著的效益。它可以仿真進氣過程中進氣歧管內部流場的衍變過程，從而為設計出合理的塑料進氣歧管結構提供依據。計算過程見圖2[3]。

圖2 CFD計算流程圖

3.1 CFD計算示例1

對某一四缸發動機進氣歧管進行CFD計算[4]，計算時假設發動機穩態運轉，氣體流動為可壓縮非定常流，忽略進氣管內氣體壓力波和配氣相位角的影響，邊界條件為入口質量流量，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支管進氣時流場內的動壓分布圖和速度矢量分布圖。

圖3 某一支管內的動壓分布圖

圖4 某一支管內的速度分布圖

比較各歧管分別進氣時的計算結果，可以發現，每一根岐管轉彎處都存在動壓較大的現象，為了減小流動損失，對原有岐管進行結構改進，改進后的流場計算結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分別為某一發動機進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構尺寸相同，只有入口朝向不同。為比較入口端對歧管內部流場的影響，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 側向入口模型

圖9至圖12分別為各模型第一支管進氣時流場的跡線圖。

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 側向入口模型第1支管跡線圖

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

表1 各模型計算結果的平均質量流量和最大不均勻度

4 結論

由于采用塑料進氣歧管能使發動機的動力性、經濟性明顯提高，排放也得到改善，塑料進氣歧管已經在國際上得到普遍應用，為推動和發展我國的汽車工業，必須進一步開發和應用塑料進氣歧管，并且盡最大可能發揮CFD技術在這一領域的應用。

[1] 張勁.塑料車用進氣歧管和燃油箱的應用及發展[J].塑料工業,2007（3）.

[2] 王莉.發動機塑料進氣歧管的應用現狀與發展趨勢[J].小型內燃機與摩托車,2007（6）.

[3] 王福軍.計算流體動力學分析:CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社,2004.

[4] 王瑞金,張凱等.Fluent技術基礎與應用實例[M].北京：清華大學出版社.

The Engine Intake Manifold Development and Application of CFD Technology

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

（College of Mechanical Engineering and Automation，Fuzhou University，Fuzhou，Fujian350002，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