排氣歧管形式和加工工藝對汽油機性能影響的探究

李建娜

摘要：汽油機的性能優化對于一些汽車企業而言意義重大。本文中對容量1.6L的汽油機進行改造，將原鑄造排氣歧管改為彎管式，能夠優化排氣歧管的結構，同時還能夠最大限度的減少排氣干涉，提升了排氣歧管的整體性能。通過研究能夠發現：排氣歧管形式以及加工工藝對于汽油機的性能有著直接影響作用，有利于優化汽油機的整體性能。

關鍵詞：排氣歧管形式;加工工藝;汽油機;性能

0? 引言

現階段，我國汽油機的應用范圍不斷擴大，而由于汽油機在運行過程中，普遍存在無功損耗過大的問題，對于能源的消耗量巨大[1-2]。汽油機在道路交通領域中的應用最為常見，車用汽油機在不斷更新換代后，愈來愈注重汽車內部發動機性能的提升。而在此過程中，需要對汽油機的排放進行合理的優化，才能夠減少進排氣流動的阻力，達到排放控制的最大化。而針對汽車汽油機的改造，通常想要實現汽油機的性能優化，則需重點對進氣系統進行優化設計。而排氣歧管作為進氣系統中一個關鍵部分，一些設計人員必須重視排氣歧管優化設計，盡可能的避免采用鑄造排氣歧管方案，以免對進氣系統造成不良影響。對此，本文主要以容量為1.6L的汽油機作為探究的對象。分析汽油機在優化改造過程中，排氣歧管形式以及加工工藝對于汽油機整體性能所造成的影響。

1? 排氣歧管形式優化設計

1.1 發動機原始的鑄造排氣歧管

本文中例舉的汽車發動機原始排氣歧管為鑄造式排氣歧管，其結構見圖1。

通過觀察圖片能夠看出，該汽車發動機內部的排氣歧管形式為傳統的歧管類型。其材料具有一定的強度，為高硅鉬球墨鑄鐵。此種材料在實際應用中，由于自身的質量較大，而且平均壁厚較為厚重，因此在進行排氣時，難免會受到自身材料以及質量的影響。而且，由于此種排氣歧管的形式較為特殊，考慮到在實際運行過程中，歧管可能會在熱、冷沖擊下，出現失效的情況，因此設計人員在歧管的一些特殊區域內進行了處理，對內部的管壁進行了加厚。這造成歧管內部的壁厚增大，在運行過程中會對其性能產生影響[3-4]。表1為原始排氣歧管的參數表。

通過對歧管的內部參數進行觀察，能夠發現，排氣歧管的各分支管從缸蓋出口到總管的管長較短，這造成在歧管運行過程中，并未能夠良好的發揮脈沖作用，不利于歧管的正常使用。另一方面，由于相鄰兩端分支管相連。在運行過程中，若其中一支出現故障問題，容易對其他歧管造成不良影響。而且，通過觀察還能夠發現，在歧管1、4缸進行排氣行程時，此時2、3缸正處于進氣狀態。進而造成排氣歧管運行過程中，進排氣門重疊角的存在，導致發動機充氣效率降低。因此，為了保障發動機的充氣、排氣效率，優化汽油機的整體性能，則需要對排氣歧管進行優化設計。

1.2 新排氣歧管的初始設計

在設計過程中，需要綜合進行考慮。首先，應在原排氣歧管的基礎上，對新的排氣歧管接口尺寸進行設計，以確保新的排氣歧管能夠正常的接入到另一端，避免后續對設備的其他零部件、接頭造成不良影響。與此同時，考慮對新的排氣歧管進行安裝、制造所需的實際要求，還需對歧管的法蘭面進行優化設計，從而能夠確保新的排氣歧管在安裝之后，能夠對新氣道走向良好的適應，并且留有充足的螺栓安裝工具空間。而由于在新的排氣歧管優化過程中，對于三元催化器空間位置的影響較小。因此，三元催化器空間位置、接口無需進行變動，仍然沿用原設計。這樣做的好處是，能夠使設備維持較快的三元催化器起燃時間，提升運行效率。對于分支管的設計，需要考慮到氣流的走向，既要保證法蘭面螺栓安裝留有足夠的空間，同時還需考慮到在后續施工過程中，能夠便于工藝實施。因此，應對排氣歧管的分支管整體長度、角度、半徑等內容進行優化設計，最終分支管匯合的位置應具有統一性，確保各個分支管最終匯合到總管，其長度基本保持一致。否則將會對排氣流入三元催化器時速度的均勻性造成不良影響。

1.3 新排氣歧管改進設計

在整體優化方案中，為了能夠提升排氣歧管的排氣效率，確保歧管排氣均勻，流動性良好，需要從整體上進行考慮。同時，還應保證新的排氣歧管改進完成后，不會對三效催化轉化器的轉化效率造成不良影響。因此，為了確保改進設計的合理性以及科學性，首先對排氣歧管進行CFD分析。通過采取網格劃分的方式，借助相關分析軟件，將新的排氣歧管進行總體分析。網格類型為混合六面/四面體。在進行網格的單元劃分時，單個單元為1.5～2.5mm范圍內，網格總數約為一百萬個。網格劃分完成后，將劃分好的網格導入到AN-SYS FLUENT軟件中，進行邊界條件加載。另外，采用理想的惰性氣體，對管道中的介質類型進行設定，并且借助標準k-ε湍流模型對其進行計算，最終能夠得到支管單獨排氣時三元催化器的流速均勻性。

2? 排氣歧管形式和加工工藝對汽油機性能影響

2.1 新設計排氣歧管對發動機性能的影響模擬預測

首先，在對新設計的排氣歧管進行研究時，為了進一步對比新設計沖壓焊接排氣歧管與原始鑄造排氣歧管對發動機性能的影響，借助熱力學分析軟件，對排氣歧管影響發動機性能進行了模擬。在整個模擬實驗中，發動機模型的參數主要參考真實發動機的實際參數，由相關技術人員對其展開測量，并且將前期購入發動機時的實際運行參數作為參考，展開模型的驗證試驗。通過展開模擬計算，最終得出的試驗值誤差較小，不超過1.2%，因此也就說明本次實驗中所應用的數據模型可用，具有一定的參考意義。為了更進一步的了解排氣歧管對于發動機性能所造成的影響，針對新設計的排氣歧管中的兩個分支管進行設計。將分支管進行離散化處理，得到一種全新的一維模型，將模型進行模擬計算，并將之帶入到發動機模型中，可以得到模擬真實運行狀態，發動機運行過程中的性能情況，得到該發動機1500～6000r/min。將模擬發動機運行情況的排氣歧管排氣情況進行對照，能夠得到平均有效壓力對比。從中能夠看出，在原排氣歧管的基礎上，針對排氣歧管形式進行優化，能夠有效的提升發動機平均有效壓力，排氣歧管的排氣效果更好。尤其是針對一些彎曲的位置，此類區域為排氣歧管的中低速區域，可以得到顯著的性能提升。此外，通過對汽油機換氣過程進行計算分析，能夠看出，電動機動力性能大幅度提升的根本原因就是由于排氣歧管的形式出現了變化。通過對排氣歧管形式進行優化，進氣歧管出口的進氣之類有了明顯提升。在進氣行程中，優化過的排氣歧管的空氣流動性有了明顯提升，同時空氣流通質量有所增加。這是由于通過對排氣歧管的形式進行重新設計，并且在安裝新設計排氣歧管后，有效的降低了原器官運行過程中受到第一缸的壓力影響，因此空氣質量以及流動性大大增強。而且，通過觀察最終的模擬結果也能夠看出，在對原始的排氣歧管形式進行優化改進后，其工藝性能有了明顯的提升，而且排氣歧管排氣道入口壓力更小，這樣一來，在運行換氣階段，更加有助于整個系統換氣過程的實現，具有良好的效果。

2.2 新設計排氣歧管性能的試驗驗證

為了更好的驗證設計后的排氣歧管性能，展開排氣歧管性能的試驗，對其結果進行觀察，就可以直觀的了解到排氣歧管形式以及工藝對于汽油機性能所造成的影響。在試驗過程中，為了能夠更加還原真實的運行情況，將新設計排氣歧管制作出樣件。在制作完成后，將這些樣件進行裝機，對發動機外特性進行試驗。其中，排氣系統的背壓值為60kpa，進氣系統的壓力數值為2.0kpa。

該排氣歧管主要應用的材料為不銹鋼，在質量上更加輕薄，而且管壁較薄，排氣歧管的壁厚為1.2mm，可以有效的保證空氣流通。與此同時，在設計過程中主要應用彎管工藝，除此之外，在分支管匯合的位置應用到了沖壓后焊接工藝。匯合的4支分支管的長度有所增加，使得分支管內部的氣流緩沖空間更大，從而更好的利用排氣脈沖原理。在實際運行過程中，執行進氣流程時，可以實現大幅度進氣，有效的提升了充氣效率。而且，通過對排氣歧管工藝進行優化，使之受干擾程度降到最低，有效的克服了氣缸之間存在的排氣干涉，最大限度的提升發電機運行的整體效率，從而優化了汽油機的整體性能。總的來說，排氣歧管形式以及加工工藝的優化，將會對汽油機的性能帶來直接影響。

3? 結論

綜上所述，本文主要以1.6L汽油機的優化設計為例，通過對容量1.6L的汽油機進行改造，將原鑄造排氣歧管改為彎管式，能夠優化排氣歧管的結構，同時還能夠最大限度的減少排氣干涉，提升了排氣歧管的整體性能。通過研究能夠發現：排氣歧管形式以及加工工藝對于汽油機的性能有著直接影響作用，有利于優化汽油機的整體性能。對汽油機排氣歧管形式進行優化，并對其加工工藝進行了改進，采用數值模擬的方法，進一步的提升了排氣歧管的排氣性能，有效的控制了設計改進的實際成本，同時還能夠保證改進之后的排氣歧管能夠更好的運行，具有良好的環保效益以及經濟效益。通過對排氣歧管的材質以及布置方式進行優化，提升了分支管的長度，最大限度的減少排氣歧管在實際運行過程中受到排氣干涉的影響，并且新的排氣歧管在性能上增加了扭矩特性，使得汽油機的低速扭矩大大提升，優化了汽油機的整體性能。

參考文獻：

[1]楊學鋒.渦輪增壓二沖程汽油機排氣系統匹配研究[J].航空科學技術，2019，30（06）：45-50.

[2]劉偉.某重型柴油發動機排氣歧管熱負荷及振動性能研究[D].東北石油大學，2019.

[3]包維霞，王立新，黃佐華，尹建民.排氣歧管形式和加工工藝對汽油機性能影響的研究[J].內燃機工程，2012，33（03）：64-67，74.