基于有限元分析的汽油機進氣歧管設計

劉猛，祖炳鋒，徐玉梁，白楊，劉麗娜，趙禮飛

1.天津內燃機研究所，天津 300072；2.安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601

0 引言

進氣歧管的主要作用是向發動機各個氣缸提供足量、均勻的新鮮空氣。進氣歧管的性能對發動機進氣量及進氣均勻性影響非常大，并最終影響發動機的功率、輸出扭矩及穩定性。合理的進氣歧管氣道結構，可以最大程度降低進氣壓損，增加進氣量[1]，提高發動機充氣效率，并保證各缸進氣的均勻性。

目前國內對進氣歧管的研究，大部分集中在進氣歧管優化設計方面，包括優化局部形狀以降低進氣阻力、增加流量系數，分析進氣歧管長度對發動機性能的影響等，但很少涉及對進氣歧管的系統全面分析和正向開發。本文中通過AVL-Boost、計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)等有限元分析軟件，對進氣歧管進行一維性能分析、進氣流場分析、模態計算，以正向開發的流程設計全新的進氣歧管，并通過試驗檢驗設計的進氣歧管對發動機性能的滿足程度，可為進氣歧管的正向開發提供參考。

1 進氣歧管主要參數的確定

目前市場上的直列自然吸氣汽油機排量大多在2.7 L以下，輸出扭矩不能滿足中型客車和輕卡的需求。現開發一款3.5 L排量的汽油機，要求最大轉速為4500 r/min、轉速為2500～3000 r/min時的最大扭矩為310 N·m，可匹配中型客車及3.5 t的輕卡，代替部分2.0 L增壓柴油機。

進氣歧管結構主要包括進氣口、出氣口、穩壓腔本體和各進氣支管，影響發動機性能的主要參數包括歧管的長度、管徑、形狀，穩壓腔的體積以及進氣口的直徑。

1.1 長度

進氣歧管長度、形狀等參數是影響進氣阻力、進氣均衡性、充氣效率的重要因素。汽油機的進氣過程是一個復雜的脈動和諧振過程[2]，進氣歧管內的氣壓波動效應對進氣量影響很大。周期性進氣過程在進氣門處產生一定振幅的壓力波動，壓力波動以音速沿進氣管傳播，并在進氣歧管開口端和進氣門之間往復反射，若反射波在進氣門關閉前到達進氣門，可增加進氣門處的進氣壓力，增大進氣量[3]。

管道內壓力波的諧振效率受管道長度的影響較大，諧振頻率[4]

(1)

由式(1)可知，諧振頻率與管道長度成反比，增加管道長度，諧振頻率減小，使得進氣諧振點向低轉速移動。發動機開始進氣行程時，下行的活塞造成進氣門處壓力減小，進氣波動迅速傳導至進氣歧管進口，變為壓力增加的反射波反射回來。發動機中低速運行時，較長進氣歧管可利用進氣諧振增加的進氣末期壓力增大進氣量，提高進氣效率，增大中低速扭矩。發動機高速運行時，較長的進氣歧管由于進氣阻力大，充氣效率、輸出功率及扭矩降低。

進氣歧管長度、進氣門有效開啟角、轉速均對進氣諧振波形造成影響。該汽油機的設計偏重中低轉速的扭矩需求，在轉速為2500～3000 r/min時至少應有一次諧振波形能增大進氣量。通過計算，進氣包角為265°、進氣歧管長度在540 mm左右，轉速為2400～2500 r/min時可實現諧振進氣。

利用一維動力學軟件AVL-Boost建立發動機熱力循環模型，將進氣歧管長度設置為變量，仿真分析不同進氣歧管長度對發動機性能的影響，不同進氣歧管長度對發動機扭矩的影響仿真結果如圖1所示。由圖1可知，隨著進氣歧管長度的增加，中間轉速(2000～3200 r/min)發動機扭矩提升，高轉速(3600～4200 r/min)發動機扭矩先提升后下降。

圖1 不同進氣歧管長度對發動機扭矩的影響曲線

綜合考慮性發動機性能及布置空間，確定進氣歧管長度為540 mm。

1.2 管徑

影響進氣歧管管徑的主要因素是管道摩擦阻力和波動效應。摩擦阻力造成管道壓力下降，而管道中的壓降與管徑4次方成反比，管徑越大則壓降越小；但是從波動影響看，管徑越小，波動幅度越大[5]。

不考慮波動效應影響，Kastner[6]總結出最小進氣歧管管徑

(2)

式中：D為發動機缸徑，S為沖程數。

Engelaman[7]根據相關試驗數據研究得出產生最佳波動效果的管徑估算公式，進氣歧管管徑

(3)

式中Ve為氣缸容積。

綜合考慮摩擦和波動的影響，確定為進氣歧管直徑為50 mm。

進氣歧管直徑改變會改變進氣波形，進而影響進氣諧振，導致發動機部分轉速扭矩提升，部分轉速扭矩下降。不同進氣歧管管徑對發動機扭矩的影響如圖2所示。由圖2可知，隨著進氣歧管直徑減小，發動機低速扭矩提升，高速扭矩惡化。

圖2 不同進氣歧管管徑對發動機扭矩的影響

1.3 穩壓腔容積

穩壓腔容積對壓力波形狀有直接影響，一般為發動機排量的0.7～1.2倍。穩壓腔容積過大，使諧振系統的自振頻率下降，諧振轉速向低速方向移動。當諧振轉速較低時，活塞下行速度變慢，對氣流的吸入作用變小，造成諧振系統的壓力波振幅減小。穩壓腔容積過小，會使氣流阻力增加，流動損失增大[8]。

國內外學者利用Helmholtz[9]諧振器模型，計算共振時發動機轉速

(4)

式中：C為管道內聲速，Z為發動機氣缸數，A1為進氣歧管橫截面積，V為穩壓腔容積。

根據經驗，隨著最大扭矩點向低速移動，穩壓腔的共振設計轉速也不斷減小。本機型最大扭矩點設計在2400～3000 r/min，穩壓腔的共振設計轉速擬取1500 r/min，此時穩壓腔容積為3 L。

2 進氣歧管方案設計

進氣歧管長度、管徑及穩壓腔大小確定后，根據發動機在客車機艙中的布置空間以及發動機整機布置要求，對進氣歧管進行設計，并采用CFD軟件對歧管流場進行分析。

2.1 氣體流通性評價指標

氣體流通性一般采用無量綱的流量系數α來評價。流量系數定義為一定壓降下，實際流過進氣歧管的氣體流量與不考慮氣體壓縮和流動損失的理論流量之比[10]：

(5)

α=0～1，α越大，流通性越好。

進氣均勻性由均勻性偏差表示，即不同缸的流量系數與其平均值的偏差，一般在±2.5%范圍內。均勻性偏差越小，進氣越均勻。在保證較小的均勻性偏差下，流量系數越高越好。

2.2 方案設計

采用Pro/E軟件進行進氣歧管三維設計，建立空間坐標點，生成軌跡曲線(氣道的中心線)，保證歧管長度l=540 mm；采用混合掃描功能，沿曲線從長圓形過渡到圓形。此方法能迅速建立三維模型，可修改性高，并能保證各歧管長度一致。

共設計5種不同形狀的進氣歧管，其三維模型如圖3所示。

a)方案1 b)方案2 c)方案3 d)方案4 e)方案5

方案1為一側進氣；方案2改為中間進氣，管道圓弧變小；方案3在方案2的基礎上，采用了變截面管道，截面由圓形過渡到長方形(四角倒圓)，穩壓腔增大；方案4在方案3的基礎上，優化管道圓弧度，更改進氣口角度；方案5在方案4的基礎上增大進氣口直徑，由64 mm增大到70 mm。

2.3 CFD流場分析

CFD流場分析的邊界條件為：1)出口邊界，分別開啟1～4缸歧管出口，并給定質量流量為30 g/s(根據額定點工況計算得出)；2)入口邊界，進氣口相對壓力為0；3)流動模型設定為k-ε湍流模型，湍流強度為5%，湍流尺度為0.006 m；4)采用Hypermesh專業網格處理軟件劃分網格，網格尺寸為4 mm，單元總數為10萬[11]。

2.3.1 壓差及流量系數

將網格模型導入CFD軟件，輸入邊界條件，對各方案進氣歧管進行穩態流場計算，分析各缸壓降并計算流量系數及流量相對偏差[12-13]。進氣岐管結構和壓降及流量系數數據及CFD分析結果見表1。

表1 進氣歧管結構數據和壓降及流量系數CFD分析結果

由表1可得以下結論。

1)進氣歧管從一側進氣，均勻性偏差較難滿足±2.5%的要求，可通過加隔板解決，但增加了制造成本，所以從中間進氣最優。

2)大圓弧的管道走向能有效降低進氣歧管的阻力，流量系數增加約1%。

3)變截面的進氣管道能明顯降低排氣阻力，流量系數提高4.5%左右。由于進氣歧管與缸蓋氣道的接口受氣道影響一般為長方形(四角倒圓)，進氣阻力相對等效面積的圓形要大，因此可采用中間圓滑過渡到圓形的形式，同時截面積采用漸擴形式更加有利。

4)穩壓腔進氣口直徑從64 mm增加到70 mm，流量系數可以提高3.5%。目前國內直列汽油機的排量大多在2.7 L以下，現有的節氣門最大直徑只有64 mm，無法滿足較高流量系數的要求，需要開發直徑為70～75 mm的節氣門。

通過CFD分析，確定方案5為最優方案，相對方案1，流量系數提升9.6%，合理的進氣道設計對降低發動機進氣阻力非常重要。

2.3.2 進氣歧管圓弧及進氣口直徑對進氣阻力的影響

進一步分析進氣歧管圓弧及進氣口直徑對進氣阻力的影響，以相對總壓力表示的進氣阻力CFD計算結果如圖4、5所示(圖中單位為Pa)。

a)小圓弧 b)大圓弧 a)64 mm b)70 mm

由圖4可知，管道急轉彎(小圓弧)會導致局部進氣損失加大，大圓弧結構能有效降低歧管進氣阻力。由圖5可知，進氣口直徑從64 mm增加到70 mm，壓降下降明顯，經計算，流量系數可提升3.5%。

2.4 模態分析

進氣歧管一般采用塑料材料，由于塑料的彈性模量較小，需要對進氣歧管進行模態分析與優化，增加合理的支撐結構及筋，提高低階模態頻率，降低振動噪音，滿足客車的舒適性要求。進氣歧管一階振型如圖6所示。由圖6數據計算得到進氣歧管一階模態頻率為225 Hz，滿足設計標準(≥195 Hz)。

圖6 進氣歧管模態分析

2.5 快速成型樣件試制及臺架驗證

確定最優方案后，進行了進氣歧管3D打印件的快速試制，測試實際流量系數，結果與CFD分析基本一致；結合缸蓋進行氣道試驗，滿足發動機對流量系數及滾流比的要求。

樣件裝機后進行了臺架試驗，測得發動機中低轉速扭矩為310 N·m，達到了設計要求。

3 結論

1)利用AVL-Boost、CFD軟件對進氣歧管進行正向設計及仿真計算，可快速建立進氣歧管內部的氣體流動模型，觀察內部氣體流動情況，明確優化設計的方向，省時高效，大大縮短項目開發周期。

2)大圓弧和變截面的進氣管道能有效降低進氣歧管的阻力；進氣口直徑從64 mm增加到70 mm，流量系數提高3.5%。

3)通過對進氣歧管進行一維性能分析、進氣流場分析、模態計算，確定進氣歧管的最優方案為大圓弧、變截面的進氣歧管結構，歧管長度為540 mm，管徑為50 mm，穩壓腔容積為3 L。