汽车发动机塑料进气歧管三维型腔设计和CFD分析

李志香，李晓艳

（1.国家开放大学 理工教学部，北京 100039；2.北京兴科迪科技有限公司，北京 100091）

1 引言

汽车规模的不断扩大和对性能要求的提高，带动了零部件轻量化的发展，汽车的轻量化是汽车工业发展的方向之一，塑料易于成型的特点使其被越来越多地用于制造发动机的进气歧管和其他结构复杂的部件[1]。塑料进气歧管的结构设计是塑料进气歧管开发过程中至关重要的一环，结构的设计对发动机的功率、耗油量、转矩等相关参数有着至关重要的影响[2-4]。结合实际生产和企业的要求，针对目前国家提出的节能减排的目标，课题需要开发设计一款新型的塑料进气歧管，从而来实现整车的轻量化要求。设计的过程中需要全面的兼顾下游的装配生产环节及其相关因素，同时在设计的过程中要对进气歧管进行力学分析，改进进气歧管设计上的不合理结构，提高进气歧管的工作可靠性。

2 进气歧管的三维型腔设计

2.1 进气歧管基本结构参数选择

在其他参数不变的条件下，根据主机厂给定基本长度参数，同时兼顾发动机总体尺寸和布置空间的限制，通过经验值和参考值确定进气歧管优化计算的优化目标参数为进气歧管长度和稳压腔容积，进气歧管增加量不超过300mm。进气歧管设计所需的初步参数为进气歧管的等效轴线长度为400mm，靠近法兰侧等效管径为φ40mm；法兰口径需要与给定的节气门法兰口径相同，都为φ57mm；稳压腔侧的管径为φ58mm；稳压腔容积为1.3L。发动机进气岐管型腔结构将以该基本结构参数为基础进行设计。

2.2 进气歧管的三维型腔设计方案

进气歧管的气道设计中要充分考虑进气歧管的惯性波动效应和能量损失，以增加充气效率，同时还要考虑到其在发动机以及整车上的安装空间、塑料件的成型工艺和摩擦焊接工艺。在设计程序中，一般情况下歧管的长度（即轴线长度）都由主机厂给定，因此在设计中可以适当的对轴线进行调整，但应尽量避免改变轴线的长度。进气岐管总共设计了四个方案，各个方案，如图1所示。

图1 进气歧管三维型腔设计方案Fig.1 Three-Dimensional Cavity Design of Intake Manifold

在气道的设计过程中，要注意所设计的气道要满足塑料制件的工艺要求，要保证分片方案的实施以利于后续模具的设计制作。另外在做分片时需要考虑焊接方向的确定，一般情况下使焊接方向和产品脱模方向一致。

3 进气歧管的CFD分析

结合进气歧管结构复杂且与发动机的性能密切相关的显著特点，在设计初期通过3维参数化造型设计，生成4种不同的设计方案，下面我们使用STAR-CD软件对4种方案进行CFD分析，来验证哪种方案是最佳方案，从而以利于提高发动机的整体性能[5-6]。

3.1 Pro-surf导入几何数据

首先将IGES格式的CAD文件导入Pro-surf中。由于CAD模型的点线面都是存在误差的，不一定适合网格的生成，故首先使用Pro-surf的自动修复功能对原CAD模型进行表面几何清理。在pro-surf里可以自动修补或者是根据有错误的线条检查后进行修补。在修补后的模型基础上划分表面网格，因为四面体网格的计算速度较快，且四面体网格的计算结果要优于其他的网格，所以选择的是四面体网格，网格划分完之后，如图2所示。

图2 网格划分完后的图形Fig.2 The Graph After Meshing

3.2 pro-star设定控制参数

网格划分完之后我们需要在计算前设定边界条件、工质物性、计算内容以及计算过程中的控制参数。

（1）进口压力边界条件

边界条件采取压力边界：进口定义总压为1个大气压，出口定义静压为0.75个大气压。

采用压力进口边界条件时需要对进口边界处的k和ε进行估算。可根据湍动强度Tt和特征长度L来估算进口的k和ε的分布：

（2）进口流量边界条件

入口定义为指定流量，各歧管出口定义指定压力。

（3）湍流模型

采用高雷诺数标准k-ε模型[7]。

（4）壁面边界条件

壁面温度采用绝热边界条件，壁面速度采用无滑移边界条件。在壁面区，为了避免在近壁区使用过细的计算网格，以减少计算时间，这里采用壁面函数法，将壁面上的物理量与湍流核心区内的相应物理量联系起来。

4 CFD计算结果及分析

4.1 速度场和压力场分布计算

计算完毕之后进入后处理。在后处理阶段，可以通过对速度场和压力场的分析以及同一工况下管内的压力损失及各缸均匀性的结果，对进气歧管的气道性能较为准确的判断，从而以此为根据来确定歧管有效的截面和各管的进气均衡性[8]。方案4各个管的速度场分布，如图3所示。

图3 进气歧管各个管的速度场分布图Fig.3 Velocity Field Distribution of Manifold

从速度场分布图3可以得知，进气歧管内壁面没有明显的气流分离现象，各管的流场相对较稳定，进气流速较大，进气量也较大，流速多集中在较高的区域内，高速区分布很多。方案4各管的压力场分布，如图4所示。

图4 进气歧管各管的压力场分布图Fig.4 Pressure Field Distribution of Each Tube of Intake Manifold

从压力分布图4可以看出，进气歧管内部没有出现明显压力损失区域，从入口到出口，压力值逐渐降低，稳压腔内的压力变化不大且分布均匀。

4.2 四种设计方案的比较

表1 4种方案在同一工况下进气流量及各缸均匀性计算Tab.1 Air Flow and Cylinder Uniformity Under the Same Working Condition of Four Schemes

图5 方案1和方案4空气质量流量均衡性比较Fig.5 Comparison of Air Mass Flow Balance Between Scheme 1 and Scheme 4

CFD软件计算结果，如表1所示。从表1中我们可以看出前三个方案中各管的空气质量流量均衡性较差，方案4的空气质量流量均衡性较好。从图5可以看到，方案1没有导流筋，方案4增加了两条导流筋，在增加了两条导流筋之后，可以极大的提高气道的流动均衡性。根据进气歧管自身的状态，以及CFD分析结果中速度场和压力场的分布状况，方案4对进气歧管增加适当的导流筋可以使各支管流量均匀，流场流通性好，气道进气流畅，未形成大的涡，这样气流噪声也较小，流体流动有效截面变化较好，各管进气均衡性较好，能达到发动机所要求的性能。另外，CFD分析提供清晰的内部流场和压力场信息，可以为设计人员设计进气歧管提供可靠的理论依据[9-10]。根据对四个方案的比较，最终确定选用第4个方案。

5 小结

主要设计了进气歧管的气道，提出了四种设计方案。为提高进气歧管内的气体流动性，方案4在稳压腔内部增加了导流筋，可以极大的提高气道的流动均衡性，进气歧管三维型腔结构设计比较合理。从速度场分布图可以得知，进气歧管内壁面没有气流分离现象，流场相对较稳定；从压力分布图可以看出，歧管内部没有出现明显压力损失区域，无气流壁面分离现象，可见改型后歧管内流动阻力和空气流量系数均优于原机型。CFD模拟不能完全代替实际的试验测量，为确保设计的合理性与结果，塑料进气歧管进气道的最终确定必须经过进气歧管的气体流动试验、发动机装配试验以及发动机台架试验来验证，根据发动机的外特性验证进气道的性能从而确定最终的模型结构。