微型面包車發動機進氣歧管的優化設計

藍志寶，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，是商乘兩用，多用在中小城市或農村，用作客運、貨運或家庭用車。相對與轎車而言，更期望中低轉速下有較大的扭矩輸出。

現有一款用于微型面包車上的后驅1.2 L發動機，存在最大扭矩點靠后（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、提高發動機的市場競爭力，對該款發動機進行技術改進，使其最大扭矩點前移至3 600～3 800 r/min，并提高其在中低轉速下的扭矩輸出。

進氣歧管是發動機的關鍵零部件，進氣歧管的尺寸、形狀和布置等對進氣阻力、進氣均衡性及充氣效率有非常大的影響，進而影響發動機的動力性、經濟性、排放及與整車的匹配性。經過大量的分析研究工作后，我們確定通過優化進氣歧管，來提高發動機的性能。

1 進氣歧管優化設計方法

好的進氣歧管設計，要求進氣阻力小、各缸進氣均勻性好、能針對發動機的需求利用波動充氣和諧振充氣的原理提高充氣效率[1]。而進氣歧管的設計嚴重受到整車、發動機環境的限制。在極其有限的空間內，設計出性能優良的進氣歧管是相當困難的。進氣歧管的優化設計流程如下：

（1）獲取基礎發動機的各種參數、性能目標、將在歧管上應用的技術（如PDA、VGIS、EGR）等前期輸入數據。

（2）根據前期輸入，利用BOOST軟件搭建發動機一維模型。

（3）利用基礎機的實驗數據校正發動機模型，并保證運行模型得到的數據與實驗數據的最大誤差值小于等于5%。

（4）運行發動機模型，研究進氣歧管各參數對發動機性能的影響，確定進氣歧管的主要參數的理想值，包含氣道長度、氣道等效截面直徑、穩壓腔容積。

（5）對進氣歧管內核進行CFD流場分析，并根據分析結果，調整進氣歧管內核結構，降低進氣阻力，改善進氣均衡性，使進氣壓降和進氣均衡性達到既定的目標值。

（6）完成塑料進氣歧管殼體設計，并制作快速樣件進行實驗。為保證實驗結果能夠真實地反映各進氣歧管方案的優劣，應盡可能提高樣件品質，實驗前須確認樣件狀態，以避免樣件品質影響實驗結果。目前，我們多用硅膠模樣件或用尼龍材料機加工的樣件，這兩種樣件氣道內表面較為光滑，且樣件強度較高。

（7）將各方案的進氣歧管樣件裝到發動機上，進行發動機標定實驗。對比試驗與模擬數據，確定進氣歧管方案，完成進氣歧管的外圍特征設計。

設計流程圖如圖1所示。

圖1 進氣歧管設計流程圖

2 一維模型搭建及模型校正

根據發動機的結構和參數，搭建基礎機的換氣和熱力學模型（如圖2所示）。模型分為3個部分：進氣系統，發動機本體，排氣系統。輸入各元件需要的參數，運行模型，根據基礎機試驗數據校正模型，使模型得出的發動機扭矩的計算值與實驗得到的實測值趨勢一致，且最大誤差＜5%，務必保證模型的準確性。

圖2 發動機一維模型

圖3為模擬結果與基礎機試驗數據的對比圖。

圖3 模擬結果與實驗數據對比

由圖3可見，發動機模型模擬計算得出的扭矩輸出曲線，與實驗結果的變化規律基本一致，計算結果的誤差值最大為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。

3 進氣歧管參數選型

根據波動充氣原理，當發動機進氣行程開始時，活塞下行造成的進氣門處壓力減小，波動迅速傳導到進氣歧管的進口，變為壓力增加的反射波反射回來。選擇合理的進氣歧管長度，使反射波在進氣門關閉前到達進氣門，則可以增加進氣末期的壓力，從而提高進氣量。調整進氣歧管的氣道長度，使脈動次數qs為整數，和進氣門重疊時間同步，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氣道的截面積。氣流速度越大，即發動機的轉速越高，壓力波振幅越大；而進氣道的截面積越大，則壓力波的振幅越小。在高轉速時，進氣阻力對進氣影響較大，小截面積的進氣道阻力較大，從而降低了充氣效率，粗且短的進氣歧管阻力小，進氣更充分；低轉速時，發動機進氣頻率比較低，長的進氣歧管能降低脈動次數，聚集更多的空氣；且長進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，提高低速穩定性[2]。

因而長且細的進氣歧管，利于低轉速時發動機的進氣需求，改善進氣充氣效率，提高扭矩輸出。

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

調整進氣歧管的參數，研究各參數變化對發動機充氣效率、發動機輸出扭矩的影響趨勢，并確定最佳的進氣歧管參數。

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

表1 優選的進氣歧管參數

用優選的歧管參數，模擬得到的發動機扭矩曲線如圖6所示。

4 進氣歧管建模及結構優化

在進氣歧管的結構設計中，需注意以下問題：

（1）與發動機匹配，結構緊湊，盡可能減小進氣歧管體積，滿足整車布置的要求。

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

穩壓腔結構應避免急劇拐角，與進氣歧管間的過渡圓角盡可能大，應形成喇叭口結構。

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

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

（5）合理布置進氣歧管上的附件，保證MAP-sensor信號穩定、準確，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，使進氣歧管外觀盡量美觀。

由于該款發動機為斜置后驅發動機，整車的環境和發動機的環境決定了進氣歧管的結構。該進氣歧管采用“6”字型氣道結構（如圖4所示），使其在有限的空間下保證了635 mm的氣道長度，有效地提高發動機中低轉速時的扭矩。

圖4 進氣歧管結構示意圖

進氣歧管三維設計首先是搭建內核模型，再進行CFD流場分析，考察進氣歧管的進氣壓降和進氣均衡性是否達到要求。對于1.2 L自然吸氣發動機，要求進氣歧管的進氣壓降3 kPa，各缸進氣不均勻絕對值須小于4%。若不能達到要求，則須調整歧管內核結構，再次進行流場分析；如此反復直至進氣壓降和進氣均衡性達到要求為止，再進行歧管殼體的設計。

經實驗驗證歧管方案可行后，進行進氣歧管的外圍設計。表2流場分析得到的各氣道在不同流速下的進氣壓降。

表2 各氣道在不同流速下的進氣壓降表

圖5為各氣道在不同流速下的進氣均勻性。

圖5 各氣道在不同流速下的進氣均勻性

5 發動機實驗

對于進氣歧管開發的初始階段樣件，最主要的要求是歧管內表面品質。在進行實驗前，必須認真檢查樣件內表面品質，檢測進氣歧管樣件的進氣壓降和進氣均衡性，以避免樣件品質影響實驗結果的可靠性。實驗結果如圖6所示。

圖6 優化進氣歧管后模擬及實驗結果

優化進氣歧管后，模擬的扭矩曲線與實驗結果趨勢一致，吻合程度高。發動機最大扭矩點前移至3 800 r/min，最大扭矩提高了2.14%；在2 400～4 000 r/min轉速范圍內，發動機扭矩明顯提高，最大提高了7.63%；此外，發動機的額定功率提高了3.72%。

6 結束語

采用進氣歧管優化設計方法，高效的優化進氣歧管設計，顯著地提升發動機的性能，滿足了微型面包車發動機最大扭矩點前移、提高中低速扭矩的需求。

[1]李 偉.電噴發動機進氣歧管設計開發新方法[J].山東內燃機，2005，（3）：1-2.

[2]俞培泳，崔振偉.CA3GA2發動機進氣歧管的設計與開發[J].天津汽車，2008，（7）：33-35.