某汽油機進氣歧管的優(yōu)化設(shè)計

周波，雷蕾，王強，陳庚，趙真真

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

內(nèi)燃機充量系數(shù)是衡量發(fā)動機性能的重要指標，而對于自然吸氣發(fā)動機，提高充量系數(shù)方式主要有：降低進排氣系統(tǒng)流動阻力、采用可變配氣系統(tǒng)技術(shù)、合理利用進氣諧振、減少對進氣充量的加熱。充量系數(shù)越高，發(fā)動機動力性越強。而進氣歧管長度和直徑對整個轉(zhuǎn)速的動力性影響不均衡，進氣管長度的增加或管徑的減小，可使充量系數(shù)的峰值向發(fā)動機低速一側(cè)移動，反之則向高速移動。為此，本文從進氣歧管結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過AVL-BOOST模擬軟件搭建分析模型，采用多因素優(yōu)化計算法尋找某汽油機外特性下額定工況的最優(yōu)動力性結(jié)果，同時保證其他工況動力性不降低。這可以為發(fā)動機進氣歧管的設(shè)計提供一定的指導(dǎo)意義[1-4]。

1 分析模型

采用AVL_BOOST一維發(fā)動機性能分析軟件搭建仿真分析模型，如圖1所示。

本文依據(jù)臺架試驗數(shù)據(jù)對模型進行標定，標定結(jié)果如圖2所示，進排氣邊界、動力性和經(jīng)濟性指標的標定值與試驗值誤差控制在 3%以內(nèi)，標定結(jié)果驗證了模型搭建的準確性和可靠性，為下一步優(yōu)化分析奠定了基礎(chǔ)。

2 優(yōu)化設(shè)計分析

2.1 變量設(shè)計

優(yōu)化分析采用AVL_BOOST自帶多因素優(yōu)化計算（DoE）分析模塊，分析進氣歧管長度、歧管入口直徑、進氣 VVT角、排氣 VVT角四個因素下額定工況的最佳動力性。優(yōu)化結(jié)構(gòu)與整車匹配布置相結(jié)合，優(yōu)化分析設(shè)計時保證進氣歧管出口直徑固定不變，變量上下限值結(jié)合實際設(shè)置，優(yōu)化設(shè)計變量設(shè)置如表1所示。

圖1 BOOST分析模型

圖2 模型標定結(jié)果

表1 優(yōu)化設(shè)計變量

2.2 結(jié)果分析

經(jīng)過分析得到進氣歧管長度、歧管入口直徑、進氣VVT角、排氣VVT角對目標值的影響規(guī)律，如下圖 3所示，圖中圓圈顏色和大小代表不同分析結(jié)果。

圖3 優(yōu)化設(shè)計結(jié)果

從優(yōu)化結(jié)果得出，該工況下進氣歧管長度與直徑組合對目標值貢獻存在線性關(guān)系，即小直徑+小長度和大直徑+大長度都會有較優(yōu)的目標值，數(shù)值接近；對應(yīng)最優(yōu)目標值時，進排氣VVT角在實際控制范圍。

考慮整車布置，最終確定進氣歧管結(jié)構(gòu)尺寸為：進氣歧管長度為（原長度+70）mm、入口直徑為（原直徑+11）mm、進氣VVT角為-13°，排氣VVT角為30°。

3 彎曲設(shè)計

在內(nèi)燃機進氣流動中，由于進氣的管道壁面較光滑，其沿程壓力損失并不大，進氣流動的局部壓力損失是影響進氣損失的主要原因，因此，降低局部壓力損失對提高充量系數(shù)有明顯作用[1]。確定進氣歧管長度和直徑后，為了使進氣損失盡可能小，歧管彎曲設(shè)計盡可能圓滑過度，三維設(shè)計效果如下圖4所示。

圖4 彎曲設(shè)計圖

4 優(yōu)化前后對比

優(yōu)化結(jié)構(gòu)與實際整車布置相適應(yīng)，對比原進氣歧管和優(yōu)化進氣歧管外特性下的動力性，結(jié)果如圖5所示。從對比結(jié)果可以看出，優(yōu)化后額定工況的凈功率提升4kW，同時外特性下其他轉(zhuǎn)速的動力性得到了保持。

圖5 優(yōu)化前后動力性對比

5 結(jié)論

（1）與原進氣歧管相比，優(yōu)化后的進氣歧管不僅提升了外特性下額定工況的凈功率4kW，還保證了其他工況的動力性不降低，進一步彌補了發(fā)動機高速、低俗性能的不足；

（2）CAE優(yōu)化分析為實際開發(fā)設(shè)計提供指導(dǎo)，提高了設(shè)計效率，同時縮短了開發(fā)周期。