可變進(jìn)氣歧管優(yōu)化設(shè)計(jì)

張雪林，阮仁宇，許 濤

Zhang Xuelin, Ruan Renyu, Xu Tao

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230022）

0 引 言

20世紀(jì)90年代中期以后，可變進(jìn)氣歧管技術(shù)在汽車上的應(yīng)用越來越流行。這種進(jìn)氣歧管能夠同時(shí)兼顧高低轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)進(jìn)氣量的不同需求。發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，為了提高進(jìn)氣慣性，使用細(xì)而長的進(jìn)氣歧管，可以有效增加吸入新鮮空氣的速度及壓強(qiáng)，并使汽油霧化得更好，有利于燃燒和提高轉(zhuǎn)矩；發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)需要大量混合氣，這時(shí)使用粗而短的進(jìn)氣歧管能夠減小進(jìn)氣阻力，從而能吸入更多的混合氣，提高輸出功率。因此，可變進(jìn)氣歧管在發(fā)動(dòng)機(jī)低速和高速時(shí)都能提供最佳配氣。

文中基于CFD技術(shù)，對(duì)某型可變進(jìn)氣歧管進(jìn)行仿真分析，分析其在不同工況下的進(jìn)氣均勻性是否滿足設(shè)計(jì)要求，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 可變進(jìn)氣歧管原理

要了解可變進(jìn)氣歧管的工作原理，首先需要知道什么是進(jìn)氣波動(dòng)效應(yīng)。

由于在進(jìn)氣過程中具有間歇性和周期性，4氣缸分別進(jìn)氣，周而復(fù)始，從而使得進(jìn)氣歧管內(nèi)產(chǎn)生具有一定幅度的壓力波。壓力波以音速在穩(wěn)壓腔中傳播，并且往復(fù)反射。如果把具有一定長度、直徑的進(jìn)氣歧管與具有一定容積的穩(wěn)壓腔看成是一個(gè)諧振系統(tǒng)圖，并使其固有頻率與氣門的進(jìn)氣周期協(xié)調(diào)，那么在某一特定轉(zhuǎn)速下，會(huì)在進(jìn)氣門關(guān)閉之前，在進(jìn)氣歧管內(nèi)產(chǎn)生大幅度的壓力波，從而使進(jìn)氣歧管的壓力增高，使進(jìn)氣量增加。這就是進(jìn)氣管的進(jìn)氣波動(dòng)效應(yīng)。

為了充分利用這種進(jìn)氣波動(dòng)效應(yīng)，盡量縮小發(fā)動(dòng)機(jī)在高、低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)進(jìn)氣速度的差別，從而達(dá)到改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能，特別是中、低轉(zhuǎn)速時(shí)經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的目的。要求發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速時(shí)裝備粗短的進(jìn)氣管，在中、低轉(zhuǎn)速時(shí)裝備細(xì)長的進(jìn)氣管，可變進(jìn)氣歧管就是為適應(yīng)這種要求而設(shè)計(jì)的。

可變長度進(jìn)氣歧管不僅可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，還由于提高了發(fā)動(dòng)機(jī)在中、低轉(zhuǎn)速下的進(jìn)氣速度從而增強(qiáng)了氣缸內(nèi)的氣流強(qiáng)度，有利于進(jìn)行燃燒，使發(fā)動(dòng)機(jī)在中、低速時(shí)的燃油經(jīng)濟(jì)性得到提高。

2 分析方法

2.1 分析模型

文中分析的可變進(jìn)氣歧管是一種雙通道可變進(jìn)氣歧管，每個(gè)進(jìn)氣歧管都有兩個(gè)進(jìn)氣通道，一長一短。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速，由旋轉(zhuǎn)閥控制空氣經(jīng)過哪一個(gè)通道流進(jìn)氣缸。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在中、低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)閥將短管通道封閉，無氣流經(jīng)過，新鮮空氣將沿長管通道進(jìn)入氣缸；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)閥將短管通道打開，這時(shí)，新鮮空氣同時(shí)經(jīng)過兩個(gè)進(jìn)氣通道進(jìn)入氣缸（如圖1所示）。文中的分析模型是歧管內(nèi)部的氣道部分，即歧管內(nèi)腔。

2.2 分析方法

由于進(jìn)氣歧管的主要作用是將新鮮空氣盡可能均勻地分配到各缸，如果分配不均，將導(dǎo)致各缸燃燒不一樣，影響發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定正常地運(yùn)行，從而導(dǎo)致性能下降。因此，進(jìn)氣歧管的分析實(shí)質(zhì)上是各氣缸的進(jìn)氣均勻性問題?？梢酝ㄟ^計(jì)算各缸流量系數(shù)進(jìn)行判斷，流量系數(shù)公式如下。

式中：mth為理論流量，kg/s；R為氣體常數(shù)，為287.14kJ/kg；T為溫度，K；p為出口壓力，Pa；p0為進(jìn)口壓力，Pa；Aref為出口面積，m2；ψ為流量因子，無量綱；κ為絕熱指數(shù)，為 1.41，無量綱；mcalc為計(jì)算所得流量，kg/s；α為流量系數(shù)，無量綱。

如果各缸流量系數(shù)比較接近，即流量系數(shù)之間的偏差控制在±2.5%以內(nèi)，則認(rèn)為各缸進(jìn)氣均勻性良好，否則認(rèn)為均勻性不好。

計(jì)算采用4個(gè)工況，每個(gè)工況中，設(shè)置進(jìn)口為總壓邊界條件，壓力值為100kPa，4個(gè)出口中的1個(gè)為靜壓力邊界，壓力值為97.5kPa，其余3個(gè)為壁面，即每個(gè)工況中都只打開1個(gè)出口，其余出口封閉，然后計(jì)算打開的出口流量系數(shù)。具體如表1所示。

表1 不同工況下打開不同出口

3 計(jì)算結(jié)果

通過迭代計(jì)算，得到收斂解。圖2為在中、低負(fù)荷短管通道關(guān)閉時(shí)，4個(gè)氣缸分別進(jìn)氣，氣流在歧管內(nèi)部的分布情況。

從圖2中可以看出，流動(dòng)情況相差不大，但是1缸進(jìn)氣時(shí)，歧管內(nèi)的速度更大。具體計(jì)算結(jié)果見表2所示。

表2 各氣缸流量系數(shù)計(jì)算值

從計(jì)算結(jié)果來看，4個(gè)氣缸的流量系數(shù)的偏差明顯超過±2.5%的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其中 1缸的流量系數(shù)明顯高于其余各缸，其偏差達(dá)到4.69%，說明1缸進(jìn)氣量偏大，各缸進(jìn)氣量不均。由于進(jìn)氣不均，將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)不能穩(wěn)定運(yùn)行，因此，必須對(duì)此可變進(jìn)氣歧管進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

由于中、低負(fù)荷短管關(guān)閉時(shí)進(jìn)氣均勻性不能滿足要求，因此，高負(fù)荷長短管同時(shí)開啟的工況不再進(jìn)行計(jì)算。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

因?yàn)?缸的進(jìn)氣量明顯偏大，因此，為了保證4個(gè)氣缸進(jìn)氣的均勻性，必須減小1缸的進(jìn)氣量。比較可行的方法是減小1缸進(jìn)氣歧管的水力直徑（如圖3所示），從而增加1缸的進(jìn)氣阻力，使得1缸進(jìn)氣量減小。

優(yōu)化后再次進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

從計(jì)算結(jié)果來看，進(jìn)行優(yōu)化后，無論是在中、低負(fù)荷長管開啟、短管關(guān)閉時(shí)，還是在高負(fù)荷長短管同時(shí)開啟時(shí)，4根歧管的流量系數(shù)均非常接近，而高負(fù)荷時(shí)的流量系數(shù)要高于中、低負(fù)荷的流量系數(shù)。從流量系數(shù)的偏差來看，均控制在±2.2%以內(nèi)，滿足控制在±2.5%以內(nèi)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，因此，可以說進(jìn)氣均勻性良好，滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 優(yōu)化后各氣缸流量系數(shù)計(jì)算值

5 結(jié)束語

通過對(duì)可變進(jìn)氣歧管進(jìn)行CFD分析，發(fā)現(xiàn)歧管進(jìn)氣均勻性不好，從而影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行?；谟?jì)算結(jié)果對(duì)歧管進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，進(jìn)氣均勻性能夠滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

這種將CFD技術(shù)應(yīng)用到進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)流程中的方法，能夠更細(xì)致地分析、研究氣流在歧管內(nèi)部的流動(dòng)情況，為歧管的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，有利于減少樣件的制作次數(shù)，從而節(jié)約開發(fā)成本，縮短研發(fā)周期。

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