发动机进气岐管的发展及CFD技术的应用

黄 键 李世仲 黄剑峰

发动机进气岐管的发展及CFD技术的应用

黄 键 李世仲 黄剑峰

福州大学机械工程及自动化学院

阐述了发动机塑料进气岐管的发展现状，分析了塑料进气岐管的性能特点，以及CFD技术在此领域的应用，为推广使用塑料进气歧管提供帮助。

塑料进气岐管；CFD技术；应用

轻量化是汽车工业发展的一大趋势，也是衡量汽车工业技术成就的一个重要标志。轻量化技术是指在保证整车性能不受影响的情况下，通过使用新材料、新工艺的手段来降低汽车重量和改进结构技术，以达到节油目的，实现节能减排。铝合金、镁合金、塑料和高强度钢等都是目前大量或开始应用的汽车轻量化材料，塑料进气岐管就是近年来成功应用于发动机的一项轻量化技术。

1 塑料进气岐管的发展现状

车用汽油机普遍采用电控系统，而进气岐管是传感器和执行器安装的主要部件，空间狭小，结构复杂，是发动机最关键的零部件之一，长期以来都是采用铝合金铸造而成。铝合金制作的进气歧管内壁粗糙，使用时对空气的阻力很大，从而造成噪声大，燃料燃烧不充分，废气排放多等现象，另外，金属进气管还具有重量大、加工复杂、生产效率低、成本高等缺点。

图1 国内某公司自主研发的塑料进气歧管

自1990 年，德国宝马公司采用熔芯法成功地生产出塑料进气歧管后，塑料进气歧管以其质量轻、成本低、性能好等特点迅速取代金属进气歧管，成为新型发动机的首选。目前，国外轿车用汽油机90%以上都是采用塑料进气歧管，而国内在此领域的生产及研发工作起步较晚，技术水平较低，一些汽车生产厂家不得不从国外高价进口塑料进气歧管，因此塑料进气歧管的市场占有率不高。图1为国内某公司自主研发的塑料进气歧管。

2 塑料进气岐管的性能特点

与传统的铝合金进气歧管相比，塑料进气歧管的重量仅为铝质歧管的1/2，同时，由于塑料进气歧管的内壁比较光滑，有利于提高进气量，因此，整体动力性可提高3%~5%，油耗可降低6%~8%，低速低负荷时，功率、扭矩提高幅度可达10%以上[1]。此外，还能改善发动机的排放性能，降低发动机噪声。

制作塑料进气歧管的材料并非一般的塑料，它必须具有以下这些性能特点：（1）耐高温。要求材料必须能够承受180℃的高温。（2）高强度。要求材料不仅能承受发动机的振动、节气门和传感器的惯性力以及进气压力产生的脉动冲击，还要保证在发动机产生异常回火时不至于被高压脉动压力所爆破。（3）尺寸稳定性。保证进气歧管与发动机连接处的尺寸公差达到规定的要求，同时保证进气歧管上各传感器、执行器元件能够准确安装。（4）化学稳定性。要求材料能够抵抗汽油以及冷却液中的乙二醇等腐蚀性物质的侵蚀。（5）热老化稳定性。要求材料在-30~130℃之间能够长期可靠地工作[2]。

尽管世界上很多塑料材料供应商在不断地开发新的进气歧管塑料材料，以期提高塑料材料的各种性能，但目前仍然首选尼龙材料。尼龙的优点是耐高温、化学稳定性好，缺点是收缩率较大，耐乙二醇的性能不佳，并且其吸水性太强，吸水后尼龙的强度会下降近40%。因此，人们普遍使用增加了25%~35% 玻纤的PA6 或PA66 增强尼龙。尼龙在加入玻纤后，其收缩率得到了明显改善。对于内部含冷却水道的进气歧管，需要采用专用的抗乙二醇的尼龙配方。

3 CFD技术的应用

塑料进气歧管的设计和制作流程是：首先参考发动机的安装和传感器的布置进行结构设计和3D建模。其次，进行一维和三维流动分析、强度和刚度分析，从而改进3D模型。然后制作出FDM(快速成型)样件，进行样件气道稳流试验、样件发动机试验、应力应变强化测试等，FDM样件试验合格后，3D数据交模具厂家开塑料模，依此试制塑料进气管，试制出样品后，随后进行样品气道试验、样品发动机试验、整车排放实验、噪声实验、产品的系列验证及强化实验，并根据实验情况进行模具的修改。

CFD(Cmputational Fluid Dynamics)技术在塑料进气歧管的快速设计、缩短开发周期和降低研发成本等方面都起到了重要的作用,产生了显著的效益。它可以仿真进气过程中进气歧管内部流场的衍变过程，从而为设计出合理的塑料进气歧管结构提供依据。计算过程见图2[3]。

图2 CFD计算流程图

3.1 CFD计算示例1

对某一四缸发动机进气歧管进行CFD计算[4]，计算时假设发动机稳态运转，气体流动为可压缩非定常流，忽略进气管内气体压力波和配气相位角的影响，边界条件为入口质量流量，0.12 kg/s，出口压力为0.85×105Pa，其余为壁面边界条件。图3和图4分别为第3支管进气时流场内的动压分布图和速度矢量分布图。

图3 某一支管内的动压分布图

图4 某一支管内的速度分布图

比较各歧管分别进气时的计算结果，可以发现，每一根岐管转弯处都存在动压较大的现象，为了减小流动损失，对原有岐管进行结构改进，改进后的流场计算结果显示该处动压减小，流速更均匀。

3.2 CFD计算示例2

图5至图8分别为某一发动机进气歧管入口位置不同时的模型，这些模型中总管和各支管的结构尺寸相同，只有入口朝向不同。为比较入口端对歧管内部流场的影响，分别建立各自的流场计算模型，以相同的边界条件进行计算。

图5 纵向入口模型

图6 横向入口模型

图7 45°入口模型

图8 侧向入口模型

图9至图12分别为各模型第一支管进气时流场的迹线图。

图9 纵向入口模型第1支管迹线图

图10 横向入口模型第1支管迹线图

图11 45°入口模型第1支管迹线图

图12 侧向入口模型第1支管迹线图

表1为各模型计算结果的平均质量流量和最大不均匀度，比较和分析计算结果，得出侧向入口模型的平均质量流量最大，而最大不均匀度最小，因此，该模型进气效果最佳。

表1 各模型计算结果的平均质量流量和最大不均匀度

4 结论

由于采用塑料进气歧管能使发动机的动力性、经济性明显提高，排放也得到改善，塑料进气歧管已经在国际上得到普遍应用，为推动和发展我国的汽车工业，必须进一步开发和应用塑料进气歧管，并且尽最大可能发挥CFD技术在这一领域的应用。

[1] 张劲.塑料车用进气歧管和燃油箱的应用及发展[J].塑料工业,2007（3）.

[2] 王莉.发动机塑料进气歧管的应用现状与发展趋势[J].小型内燃机与摩托车,2007（6）.

[3] 王福军.计算流体动力学分析:CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社,2004.

[4] 王瑞金,张凯等.Fluent技术基础与应用实例[M].北京：清华大学出版社.

The Engine Intake Manifold Development and Application of CFD Technology

Huang Jian，Li Shi-zhong，Huang Jian-feng

（College of Mechanical Engineering and Automation，Fuzhou University，Fuzhou，Fujian350002，China）

Described the development status of plastic intake manifold, analyzed its performance and CFD technology used in this field, and help to promote the use of plastic intake manifold.

Plastic intake manifold, CFD technology, Applications