某汽油機(jī)進(jìn)氣歧管的優(yōu)化設(shè)計(jì)

周波，雷蕾，王強(qiáng)，陳庚，趙真真

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

內(nèi)燃機(jī)充量系數(shù)是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要指標(biāo)，而對(duì)于自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，提高充量系數(shù)方式主要有：降低進(jìn)排氣系統(tǒng)流動(dòng)阻力、采用可變配氣系統(tǒng)技術(shù)、合理利用進(jìn)氣諧振、減少對(duì)進(jìn)氣充量的加熱。充量系數(shù)越高，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性越強(qiáng)。而進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度和直徑對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)速的動(dòng)力性影響不均衡，進(jìn)氣管長(zhǎng)度的增加或管徑的減小，可使充量系數(shù)的峰值向發(fā)動(dòng)機(jī)低速一側(cè)移動(dòng)，反之則向高速移動(dòng)。為此，本文從進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過(guò)AVL-BOOST模擬軟件搭建分析模型，采用多因素優(yōu)化計(jì)算法尋找某汽油機(jī)外特性下額定工況的最優(yōu)動(dòng)力性結(jié)果，同時(shí)保證其他工況動(dòng)力性不降低。這可以為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管的設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)意義[1-4]。

1 分析模型

采用AVL_BOOST一維發(fā)動(dòng)機(jī)性能分析軟件搭建仿真分析模型，如圖1所示。

本文依據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果如圖2所示，進(jìn)排氣邊界、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的標(biāo)定值與試驗(yàn)值誤差控制在 3%以內(nèi)，標(biāo)定結(jié)果驗(yàn)證了模型搭建的準(zhǔn)確性和可靠性，為下一步優(yōu)化分析奠定了基礎(chǔ)。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

2.1 變量設(shè)計(jì)

優(yōu)化分析采用AVL_BOOST自帶多因素優(yōu)化計(jì)算（DoE）分析模塊，分析進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度、歧管入口直徑、進(jìn)氣 VVT角、排氣 VVT角四個(gè)因素下額定工況的最佳動(dòng)力性。優(yōu)化結(jié)構(gòu)與整車匹配布置相結(jié)合，優(yōu)化分析設(shè)計(jì)時(shí)保證進(jìn)氣歧管出口直徑固定不變，變量上下限值結(jié)合實(shí)際設(shè)置，優(yōu)化設(shè)計(jì)變量設(shè)置如表1所示。

圖1 BOOST分析模型

圖2 模型標(biāo)定結(jié)果

表1 優(yōu)化設(shè)計(jì)變量

2.2 結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)分析得到進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度、歧管入口直徑、進(jìn)氣VVT角、排氣VVT角對(duì)目標(biāo)值的影響規(guī)律，如下圖 3所示，圖中圓圈顏色和大小代表不同分析結(jié)果。

圖3 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

從優(yōu)化結(jié)果得出，該工況下進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度與直徑組合對(duì)目標(biāo)值貢獻(xiàn)存在線性關(guān)系，即小直徑+小長(zhǎng)度和大直徑+大長(zhǎng)度都會(huì)有較優(yōu)的目標(biāo)值，數(shù)值接近；對(duì)應(yīng)最優(yōu)目標(biāo)值時(shí)，進(jìn)排氣VVT角在實(shí)際控制范圍。

考慮整車布置，最終確定進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)尺寸為：進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度為（原長(zhǎng)度+70）mm、入口直徑為（原直徑+11）mm、進(jìn)氣VVT角為-13°，排氣VVT角為30°。

3 彎曲設(shè)計(jì)

在內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣流動(dòng)中，由于進(jìn)氣的管道壁面較光滑，其沿程壓力損失并不大，進(jìn)氣流動(dòng)的局部壓力損失是影響進(jìn)氣損失的主要原因，因此，降低局部壓力損失對(duì)提高充量系數(shù)有明顯作用[1]。確定進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度和直徑后，為了使進(jìn)氣損失盡可能小，歧管彎曲設(shè)計(jì)盡可能圓滑過(guò)度，三維設(shè)計(jì)效果如下圖4所示。

圖4 彎曲設(shè)計(jì)圖

4 優(yōu)化前后對(duì)比

優(yōu)化結(jié)構(gòu)與實(shí)際整車布置相適應(yīng)，對(duì)比原進(jìn)氣歧管和優(yōu)化進(jìn)氣歧管外特性下的動(dòng)力性，結(jié)果如圖5所示。從對(duì)比結(jié)果可以看出，優(yōu)化后額定工況的凈功率提升4kW，同時(shí)外特性下其他轉(zhuǎn)速的動(dòng)力性得到了保持。

圖5 優(yōu)化前后動(dòng)力性對(duì)比

5 結(jié)論

（1）與原進(jìn)氣歧管相比，優(yōu)化后的進(jìn)氣歧管不僅提升了外特性下額定工況的凈功率4kW，還保證了其他工況的動(dòng)力性不降低，進(jìn)一步彌補(bǔ)了發(fā)動(dòng)機(jī)高速、低俗性能的不足；

（2）CAE優(yōu)化分析為實(shí)際開發(fā)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，提高了設(shè)計(jì)效率，同時(shí)縮短了開發(fā)周期。