可變進氣歧管優(yōu)化設計

張雪林，阮仁宇，許 濤

Zhang Xuelin, Ruan Renyu, Xu Tao

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230022）

0 引 言

20世紀90年代中期以后，可變進氣歧管技術在汽車上的應用越來越流行。這種進氣歧管能夠同時兼顧高低轉速時發(fā)動機對進氣量的不同需求。發(fā)動機在低轉速運行時，為了提高進氣慣性，使用細而長的進氣歧管，可以有效增加吸入新鮮空氣的速度及壓強，并使汽油霧化得更好，有利于燃燒和提高轉矩；發(fā)動機在高轉速運行時需要大量混合氣，這時使用粗而短的進氣歧管能夠減小進氣阻力，從而能吸入更多的混合氣，提高輸出功率。因此，可變進氣歧管在發(fā)動機低速和高速時都能提供最佳配氣。

文中基于CFD技術，對某型可變進氣歧管進行仿真分析，分析其在不同工況下的進氣均勻性是否滿足設計要求，并對其進行優(yōu)化設計。

1 可變進氣歧管原理

要了解可變進氣歧管的工作原理，首先需要知道什么是進氣波動效應。

由于在進氣過程中具有間歇性和周期性，4氣缸分別進氣，周而復始，從而使得進氣歧管內產生具有一定幅度的壓力波。壓力波以音速在穩(wěn)壓腔中傳播，并且往復反射。如果把具有一定長度、直徑的進氣歧管與具有一定容積的穩(wěn)壓腔看成是一個諧振系統(tǒng)圖，并使其固有頻率與氣門的進氣周期協(xié)調，那么在某一特定轉速下，會在進氣門關閉之前，在進氣歧管內產生大幅度的壓力波，從而使進氣歧管的壓力增高，使進氣量增加。這就是進氣管的進氣波動效應。

為了充分利用這種進氣波動效應，盡量縮小發(fā)動機在高、低轉速運行時進氣速度的差別，從而達到改善發(fā)動機性能，特別是中、低轉速時經濟性和動力性的目的。要求發(fā)動機在高轉速時裝備粗短的進氣管，在中、低轉速時裝備細長的進氣管，可變進氣歧管就是為適應這種要求而設計的。

可變長度進氣歧管不僅可以提高發(fā)動機的動力性，還由于提高了發(fā)動機在中、低轉速下的進氣速度從而增強了氣缸內的氣流強度，有利于進行燃燒，使發(fā)動機在中、低速時的燃油經濟性得到提高。

2 分析方法

2.1 分析模型

文中分析的可變進氣歧管是一種雙通道可變進氣歧管，每個進氣歧管都有兩個進氣通道，一長一短。根據發(fā)動機的工作轉速，由旋轉閥控制空氣經過哪一個通道流進氣缸。當發(fā)動機在中、低速運轉時，旋轉閥將短管通道封閉，無氣流經過，新鮮空氣將沿長管通道進入氣缸；當發(fā)動機在高速運轉時，旋轉閥將短管通道打開，這時，新鮮空氣同時經過兩個進氣通道進入氣缸（如圖1所示）。文中的分析模型是歧管內部的氣道部分，即歧管內腔。

2.2 分析方法

由于進氣歧管的主要作用是將新鮮空氣盡可能均勻地分配到各缸，如果分配不均，將導致各缸燃燒不一樣，影響發(fā)動機穩(wěn)定正常地運行，從而導致性能下降。因此，進氣歧管的分析實質上是各氣缸的進氣均勻性問題。可以通過計算各缸流量系數進行判斷，流量系數公式如下。

式中：mth為理論流量，kg/s；R為氣體常數，為287.14kJ/kg；T為溫度，K；p為出口壓力，Pa；p0為進口壓力，Pa；Aref為出口面積，m2；ψ為流量因子，無量綱；κ為絕熱指數，為 1.41，無量綱；mcalc為計算所得流量，kg/s；α為流量系數，無量綱。

如果各缸流量系數比較接近，即流量系數之間的偏差控制在±2.5%以內，則認為各缸進氣均勻性良好，否則認為均勻性不好。

計算采用4個工況，每個工況中，設置進口為總壓邊界條件，壓力值為100kPa，4個出口中的1個為靜壓力邊界，壓力值為97.5kPa，其余3個為壁面，即每個工況中都只打開1個出口，其余出口封閉，然后計算打開的出口流量系數。具體如表1所示。

表1 不同工況下打開不同出口

3 計算結果

通過迭代計算，得到收斂解。圖2為在中、低負荷短管通道關閉時，4個氣缸分別進氣，氣流在歧管內部的分布情況。

從圖2中可以看出，流動情況相差不大，但是1缸進氣時，歧管內的速度更大。具體計算結果見表2所示。

表2 各氣缸流量系數計算值

從計算結果來看，4個氣缸的流量系數的偏差明顯超過±2.5%的評價標準，其中 1缸的流量系數明顯高于其余各缸，其偏差達到4.69%，說明1缸進氣量偏大，各缸進氣量不均。由于進氣不均，將導致發(fā)動機不能穩(wěn)定運行，因此，必須對此可變進氣歧管進行優(yōu)化設計。

由于中、低負荷短管關閉時進氣均勻性不能滿足要求，因此，高負荷長短管同時開啟的工況不再進行計算。

4 優(yōu)化設計

因為1缸的進氣量明顯偏大，因此，為了保證4個氣缸進氣的均勻性，必須減小1缸的進氣量。比較可行的方法是減小1缸進氣歧管的水力直徑（如圖3所示），從而增加1缸的進氣阻力，使得1缸進氣量減小。

優(yōu)化后再次進行分析，計算結果如表3所示。

從計算結果來看，進行優(yōu)化后，無論是在中、低負荷長管開啟、短管關閉時，還是在高負荷長短管同時開啟時，4根歧管的流量系數均非常接近，而高負荷時的流量系數要高于中、低負荷的流量系數。從流量系數的偏差來看，均控制在±2.2%以內，滿足控制在±2.5%以內的評價標準，因此，可以說進氣均勻性良好，滿足設計要求。

表3 優(yōu)化后各氣缸流量系數計算值

5 結束語

通過對可變進氣歧管進行CFD分析，發(fā)現歧管進氣均勻性不好，從而影響了發(fā)動機的穩(wěn)定運行。基于計算結果對歧管進行優(yōu)化設計后，進氣均勻性能夠滿足評價標準。

這種將CFD技術應用到進氣歧管設計流程中的方法，能夠更細致地分析、研究氣流在歧管內部的流動情況，為歧管的優(yōu)化設計提供理論指導，有利于減少樣件的制作次數，從而節(jié)約開發(fā)成本，縮短研發(fā)周期。

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