基于CAE仿真的某发动机进气歧管设计

贾美霞，雷蕾

(江淮汽车股份有限公司，安徽合肥 230000)



基于CAE仿真的某发动机进气歧管设计

贾美霞，雷蕾

(江淮汽车股份有限公司，安徽合肥 230000)

以某款增压型汽油发动机的进气歧管为研究对象，运用CAE仿真软件搭建发动机仿真分析模型，分析比较不同进气歧管方案下的发动机性能,给出最有利于发动机性能的进气歧管结构尺寸。文中的研究可用来指导发动机进气歧管设计阶段的正向开发工作,并为后期优化改善工作提出了一定的思路和方法。

进气歧管；发动机；数值仿真；热力学

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，作为进气系统重要组成部分的进气歧管对发动机性能非常重要，良好的进气歧管设计对改善发动机性能具有重要意义[2]。

目前进气歧管的开发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;而后者则具有开发周期短、成本低、准确度高等优点，能够快速完成进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]。

运用CAE仿真软件搭建发动机仿真分析模型，分析比较不同进气歧管方案下的发动机性能,给出最有利于发动机性能的进气歧管结构尺寸。

1　技术原理及方案

结构和布置合理的进气歧管可以改善发动机换气过程，充分扫气可降低气缸内的泵气损失和残余废气，提高充气效率，从而提高发动机的动力性、经济性[4]。而进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。

由于受制于发动机在机舱内的布置空间，文中主要针对进气歧管结构尺寸进行分析。图1为进气歧管结构三维图。

经多目标优化软件分析并结合供应商生产工艺要求，进气歧管管道长度分为92.5、185、246.6、370mm等4种方案，管道直径均为等效水力直径，进口大出口小。以上方案具体数据可参见表1、表2。

表1　进气歧管管道长度方案　mm

表2　进气歧管管道直径方案　mm

2　仿真分析及结果

2.1管道长度

(1)进气歧管管道长度对发动机性能影响。从图2不同管道长度对发动机BMEP(平均有效压力)、FMEP(摩擦损失)以及PMEP(泵气损失)的影响可以发现：转速2 500r/min时管道长度较长的发动机性能较好，而其他转速基本一致。图3为不同管道长度下的发动机充气效率变化。歧管长度370mm的方案发动机充气效率明显高于其他方案。同时，随着管长的缩短和转速的增加，充气效率降低。因此，管长370mm的方案更符合开发要求。

(2)进气歧管管道长度对增压器影响。结合图3,由于短

管充气效率较低,压气机必须提高压比来补偿因充气效率低而损失的进气量。因此在图4中，中高转速下随着管道长度减小,压比逐渐增大。大压比会造成压气机出口气体温度增加，需要中冷器冷却能力更强。由此可见，从增压器角度考虑，管长370mm的方案更为可靠。

2.2管道直径

(1)不同管道直径对发动机性能的影响。比较图5、图6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7可得：两方案压气机效率和压比水平相当；而图8中，从转速1 800r/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3 000～4 000r/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)采用进气歧管管长370mm、进口管径47mm、出口管径43.6mm的方案对发动机性能和增压器更合适。

(2)结合分析发现进气歧管结构尺寸会对发动机充气效率和压气机压比产生直接影响，因此进一步深入研究进气歧管有着重要意义。

(3)文中的研究可指导发动机进气歧管设计阶段的正向开发工作,并为后期优化改善工作提出了一定的思路和方法。

【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.

DesignofExhaustManifoldofEngineBasedonCAESimulation

JIAMeixia,LEILei

(AnhuiJianghuaiAutomobileCo.,Ltd.,HefeiAnhui230000,China)

Takingtheintakemanifoldofagasolineengineasresearchobject,CAEsoftwasusedtobuilditssimulationmodel,engineperformanceswithdiverseintakemanifoldswerecontrasted.Thebestsizesforintakemanifoldweregotten.Theresearchcanguidedevelopmentanddesignofintakemanifold.Itsuppliesawayforoptimization.

Intakemanifold；Engine；Simulation；Thermodynamics

2015-03-16

贾美霞,女,硕士,从事汽车研发工作。

雷蕾，E-mail：414205610@qq.com。