基于CAE仿真的某發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)

賈美霞，雷蕾

(江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230000)

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基于CAE仿真的某發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)

賈美霞，雷蕾

(江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230000)

以某款增壓型汽油發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣歧管為研究對象，運(yùn)用CAE仿真軟件搭建發(fā)動機(jī)仿真分析模型，分析比較不同進(jìn)氣歧管方案下的發(fā)動機(jī)性能,給出最有利于發(fā)動機(jī)性能的進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)尺寸。文中的研究可用來指導(dǎo)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)階段的正向開發(fā)工作,并為后期優(yōu)化改善工作提出了一定的思路和方法。

進(jìn)氣歧管；發(fā)動機(jī)；數(shù)值仿真；熱力學(xué)

0　引言

眾所周知,發(fā)動機(jī)是汽車的核心動力源,其各項(xiàng)性能的優(yōu)劣往往決定了整車的性能。而發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣換氣過程又直接影響其動力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放性能[1]。因此，作為進(jìn)氣系統(tǒng)重要組成部分的進(jìn)氣歧管對發(fā)動機(jī)性能非常重要，良好的進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)對改善發(fā)動機(jī)性能具有重要意義[2]。

目前進(jìn)氣歧管的開發(fā)主要分為試驗(yàn)測試和CAE仿真。前者需要較多的試驗(yàn)設(shè)備、人員等，且開發(fā)周期長、試驗(yàn)費(fèi)用大;而后者則具有開發(fā)周期短、成本低、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠快速完成進(jìn)氣歧管正向開發(fā)設(shè)計(jì)工作，被廣泛應(yīng)用到科學(xué)研究和工程項(xiàng)目中[3]。

運(yùn)用CAE仿真軟件搭建發(fā)動機(jī)仿真分析模型，分析比較不同進(jìn)氣歧管方案下的發(fā)動機(jī)性能,給出最有利于發(fā)動機(jī)性能的進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)尺寸。

1　技術(shù)原理及方案

結(jié)構(gòu)和布置合理的進(jìn)氣歧管可以改善發(fā)動機(jī)換氣過程，充分掃氣可降低氣缸內(nèi)的泵氣損失和殘余廢氣，提高充氣效率，從而提高發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性[4]。而進(jìn)氣歧管的設(shè)計(jì)主要包括布置形式、管道直徑、管道長度3個方面。

由于受制于發(fā)動機(jī)在機(jī)艙內(nèi)的布置空間，文中主要針對進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行分析。圖1為進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)三維圖。

經(jīng)多目標(biāo)優(yōu)化軟件分析并結(jié)合供應(yīng)商生產(chǎn)工藝要求，進(jìn)氣歧管管道長度分為92.5、185、246.6、370mm等4種方案，管道直徑均為等效水力直徑，進(jìn)口大出口小。以上方案具體數(shù)據(jù)可參見表1、表2。

表1　進(jìn)氣歧管管道長度方案　mm

表2　進(jìn)氣歧管管道直徑方案　mm

2　仿真分析及結(jié)果

2.1管道長度

(1)進(jìn)氣歧管管道長度對發(fā)動機(jī)性能影響。從圖2不同管道長度對發(fā)動機(jī)BMEP(平均有效壓力)、FMEP(摩擦損失)以及PMEP(泵氣損失)的影響可以發(fā)現(xiàn)：轉(zhuǎn)速2 500r/min時(shí)管道長度較長的發(fā)動機(jī)性能較好，而其他轉(zhuǎn)速基本一致。圖3為不同管道長度下的發(fā)動機(jī)充氣效率變化。歧管長度370mm的方案發(fā)動機(jī)充氣效率明顯高于其他方案。同時(shí)，隨著管長的縮短和轉(zhuǎn)速的增加，充氣效率降低。因此，管長370mm的方案更符合開發(fā)要求。

(2)進(jìn)氣歧管管道長度對增壓器影響。結(jié)合圖3,由于短

管充氣效率較低,壓氣機(jī)必須提高壓比來補(bǔ)償因充氣效率低而損失的進(jìn)氣量。因此在圖4中，中高轉(zhuǎn)速下隨著管道長度減小,壓比逐漸增大。大壓比會造成壓氣機(jī)出口氣體溫度增加，需要中冷器冷卻能力更強(qiáng)。由此可見，從增壓器角度考慮，管長370mm的方案更為可靠。

2.2管道直徑

(1)不同管道直徑對發(fā)動機(jī)性能的影響。比較圖5、圖6可知：中高轉(zhuǎn)速下方案二的泵氣損失較小，因此比油耗更低，發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性更好。

(2)兩方案對壓氣機(jī)和渦輪機(jī)的影響。從圖7可得：兩方案壓氣機(jī)效率和壓比水平相當(dāng)；而圖8中，從轉(zhuǎn)速1 800r/min開始，采用短管的方案二較方案一渦輪機(jī)效率下降較多，尤其是3 000～4 000r/min。

結(jié)合兩方案對發(fā)動機(jī)性能和增壓器影響的比較，方案一的管道直徑更能滿足目標(biāo)。

3　結(jié)論

通過文中的仿真分析，得出以下結(jié)論：

(1)采用進(jìn)氣歧管管長370mm、進(jìn)口管徑47mm、出口管徑43.6mm的方案對發(fā)動機(jī)性能和增壓器更合適。

(2)結(jié)合分析發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)尺寸會對發(fā)動機(jī)充氣效率和壓氣機(jī)壓比產(chǎn)生直接影響，因此進(jìn)一步深入研究進(jìn)氣歧管有著重要意義。

(3)文中的研究可指導(dǎo)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)階段的正向開發(fā)工作,并為后期優(yōu)化改善工作提出了一定的思路和方法。

【1】陸家祥.渦輪增壓技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999：67-68.

【2】周龍寶.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2003：24-25.

【3】溫壓軍,鞏錄勝,李云,等．汽油機(jī)廢氣渦輪增壓技術(shù)探析[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2014，33(3):10-11．

【4】劉永長.內(nèi)燃機(jī)原理[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2001：172-179.

DesignofExhaustManifoldofEngineBasedonCAESimulation

JIAMeixia,LEILei

(AnhuiJianghuaiAutomobileCo.,Ltd.,HefeiAnhui230000,China)

Takingtheintakemanifoldofagasolineengineasresearchobject,CAEsoftwasusedtobuilditssimulationmodel,engineperformanceswithdiverseintakemanifoldswerecontrasted.Thebestsizesforintakemanifoldweregotten.Theresearchcanguidedevelopmentanddesignofintakemanifold.Itsuppliesawayforoptimization.

Intakemanifold；Engine；Simulation；Thermodynamics

2015-03-16

賈美霞,女,碩士,從事汽車研發(fā)工作。

雷蕾，E-mail：414205610@qq.com。