可变进气歧管优化设计

张雪林，阮仁宇，许 涛

Zhang Xuelin, Ruan Renyu, Xu Tao

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230022）

0 引 言

20世纪90年代中期以后，可变进气歧管技术在汽车上的应用越来越流行。这种进气歧管能够同时兼顾高低转速时发动机对进气量的不同需求。发动机在低转速运行时，为了提高进气惯性，使用细而长的进气歧管，可以有效增加吸入新鲜空气的速度及压强，并使汽油雾化得更好，有利于燃烧和提高转矩；发动机在高转速运行时需要大量混合气，这时使用粗而短的进气歧管能够减小进气阻力，从而能吸入更多的混合气，提高输出功率。因此，可变进气歧管在发动机低速和高速时都能提供最佳配气。

文中基于CFD技术，对某型可变进气歧管进行仿真分析，分析其在不同工况下的进气均匀性是否满足设计要求，并对其进行优化设计。

1 可变进气歧管原理

要了解可变进气歧管的工作原理，首先需要知道什么是进气波动效应。

由于在进气过程中具有间歇性和周期性，4气缸分别进气，周而复始，从而使得进气歧管内产生具有一定幅度的压力波。压力波以音速在稳压腔中传播，并且往复反射。如果把具有一定长度、直径的进气歧管与具有一定容积的稳压腔看成是一个谐振系统图，并使其固有频率与气门的进气周期协调，那么在某一特定转速下，会在进气门关闭之前，在进气歧管内产生大幅度的压力波，从而使进气歧管的压力增高，使进气量增加。这就是进气管的进气波动效应。

为了充分利用这种进气波动效应，尽量缩小发动机在高、低转速运行时进气速度的差别，从而达到改善发动机性能，特别是中、低转速时经济性和动力性的目的。要求发动机在高转速时装备粗短的进气管，在中、低转速时装备细长的进气管，可变进气歧管就是为适应这种要求而设计的。

可变长度进气歧管不仅可以提高发动机的动力性，还由于提高了发动机在中、低转速下的进气速度从而增强了气缸内的气流强度，有利于进行燃烧，使发动机在中、低速时的燃油经济性得到提高。

2 分析方法

2.1 分析模型

文中分析的可变进气歧管是一种双通道可变进气歧管，每个进气歧管都有两个进气通道，一长一短。根据发动机的工作转速，由旋转阀控制空气经过哪一个通道流进气缸。当发动机在中、低速运转时，旋转阀将短管通道封闭，无气流经过，新鲜空气将沿长管通道进入气缸；当发动机在高速运转时，旋转阀将短管通道打开，这时，新鲜空气同时经过两个进气通道进入气缸（如图1所示）。文中的分析模型是歧管内部的气道部分，即歧管内腔。

2.2 分析方法

由于进气歧管的主要作用是将新鲜空气尽可能均匀地分配到各缸，如果分配不均，将导致各缸燃烧不一样，影响发动机稳定正常地运行，从而导致性能下降。因此，进气歧管的分析实质上是各气缸的进气均匀性问题。可以通过计算各缸流量系数进行判断，流量系数公式如下。

式中：mth为理论流量，kg/s；R为气体常数，为287.14kJ/kg；T为温度，K；p为出口压力，Pa；p0为进口压力，Pa；Aref为出口面积，m2；ψ为流量因子，无量纲；κ为绝热指数，为 1.41，无量纲；mcalc为计算所得流量，kg/s；α为流量系数，无量纲。

如果各缸流量系数比较接近，即流量系数之间的偏差控制在±2.5%以内，则认为各缸进气均匀性良好，否则认为均匀性不好。

计算采用4个工况，每个工况中，设置进口为总压边界条件，压力值为100kPa，4个出口中的1个为静压力边界，压力值为97.5kPa，其余3个为壁面，即每个工况中都只打开1个出口，其余出口封闭，然后计算打开的出口流量系数。具体如表1所示。

表1 不同工况下打开不同出口

3 计算结果

通过迭代计算，得到收敛解。图2为在中、低负荷短管通道关闭时，4个气缸分别进气，气流在歧管内部的分布情况。

从图2中可以看出，流动情况相差不大，但是1缸进气时，歧管内的速度更大。具体计算结果见表2所示。

表2 各气缸流量系数计算值

从计算结果来看，4个气缸的流量系数的偏差明显超过±2.5%的评价标准，其中 1缸的流量系数明显高于其余各缸，其偏差达到4.69%，说明1缸进气量偏大，各缸进气量不均。由于进气不均，将导致发动机不能稳定运行，因此，必须对此可变进气歧管进行优化设计。

由于中、低负荷短管关闭时进气均匀性不能满足要求，因此，高负荷长短管同时开启的工况不再进行计算。

4 优化设计

因为1缸的进气量明显偏大，因此，为了保证4个气缸进气的均匀性，必须减小1缸的进气量。比较可行的方法是减小1缸进气歧管的水力直径（如图3所示），从而增加1缸的进气阻力，使得1缸进气量减小。

优化后再次进行分析，计算结果如表3所示。

从计算结果来看，进行优化后，无论是在中、低负荷长管开启、短管关闭时，还是在高负荷长短管同时开启时，4根歧管的流量系数均非常接近，而高负荷时的流量系数要高于中、低负荷的流量系数。从流量系数的偏差来看，均控制在±2.2%以内，满足控制在±2.5%以内的评价标准，因此，可以说进气均匀性良好，满足设计要求。

表3 优化后各气缸流量系数计算值

5 结束语

通过对可变进气歧管进行CFD分析，发现歧管进气均匀性不好，从而影响了发动机的稳定运行。基于计算结果对歧管进行优化设计后，进气均匀性能够满足评价标准。

这种将CFD技术应用到进气歧管设计流程中的方法，能够更细致地分析、研究气流在歧管内部的流动情况，为歧管的优化设计提供理论指导，有利于减少样件的制作次数，从而节约开发成本，缩短研发周期。

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