基于CAE仿真的某发动机排气歧管设计研究

王晓兰，王军，雷蕾

(江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230022)

0 引言

众所周知，发动机是汽车的核心动力源，其各项性能的优劣往往决定了整车的性能。而发动机的进排气换气过程又直接影响其动力性、经济性以及排放性能［1］。因此，作为排气系统重要组成部分的排气歧管对发动机性能影响非常重要，良好的排气歧管设计对改善发动机性能具有重要意义［2］。

目前排气歧管的设计方法主要分为试验测试和CAE仿真。前者需要较多的试验设备、人员等，且开发周期长、试验费用大;而后者则开发周期短、成本低、准确度高，能够快速完成排气歧管正向开发设计工作，被广泛应用到科学研究和工程项目中［3］。

文中运用CAE仿真软件搭建发动机仿真分析模型，分析比较不同排气歧管方案下的发动机性能，给出最有利于发动机性能的排气歧管连接方式和结构尺寸。

1 技术原理及方案

(1)结构和布置合理的排气歧管可以改善发动机换气过程，降低气缸内的残余废气，提高发动机的动力性、经济性［4］。而排气歧管的设计主要包括布置形式、管道直径、管道长度3个方面。

(2)由于受制于发动机在机舱内的布置空间，文中主要针对两种连接形式的布置方案进行研究。图1为排气歧管各管4－1连接、中置式布置形式，图2为排气歧管各管4－1－1连接、偏置式布置形式。

(3)经多目标优化软件分析并结合供应商生产工艺要求，管道长度为350、175 mm时最优，方案一管道直径进口37 mm、出口32 mm，方案二管道直径41.5 mm。

综上所述，具体方案见表1

表1 排气歧管分析方案

2 仿真分析及结果

2.1 管道长度

(1)两方案对发动机性能影响。从图3、图4不难发现:采用175 mm短管的方案二在发动机转速1500～2500 r/min时扭矩低于采用350 mm长管的方案一，且不能满足设计目标;同时在中高转速工况下，选用方案一的发动机比油耗较方案二更低。

(2)两方案对压气机和涡轮机的影响。从图5可知:方案一和方案二压气机效率和压比水平相当;而图6显示，采用短管的方案二较方案一涡轮机效率下降约1%。

结合两方案对发动机性能和增压器影响的比较，方案一的管道长度更符合要求。

2.2 管道直径

(1)两方案对发动机性能影响。从图7、图8可知:中高转速下方案二的泵气损失较小，因此比油耗更低，发动机经济性更好。

(2)两方案对压气机和涡轮机的影响。从图9可知，两方案压气机效率和压比水平相当;而图10显示:从转速1800 r/min开始，采用短管的方案二较方案一涡轮机效率下降较多，尤其是3000到4000 r/min。

结合两方案对发动机性能和增压器影响的比较，方案一的管道直径更能满足目标。

3 结论

通过文中的仿真分析，得出以下结论:

(1)比较两排气歧管方案对发动机性能以及增压器的影响，方案一的布置形式、管道结构尺寸(直径和长度)更为合理。

(2)结合分析发现排气歧管结构尺寸会对增压器(尤其是涡轮机)效率产生直接影响，因此对排气歧管进行进一步深入研究有着重要意义。

【1】陆家祥．涡轮增压技术［M］．北京:机械工业出版社，1999:67－68．

【2】周龙宝．内燃机学［M］．北京:机械工业出版社，2003:24－25．

【3】温压军，巩录胜，李云，等．汽油机废气涡轮增压技术探析［J］．企业技术开发，2014，33(3):10 －11．

【4】刘永长．内燃机原理［M］．武汉:华中科技大学出版社，2001:172－179．