排氣歧管形式和加工工藝對汽油機(jī)性能影響的探究

李建娜

摘要：汽油機(jī)的性能優(yōu)化對于一些汽車企業(yè)而言意義重大。本文中對容量1.6L的汽油機(jī)進(jìn)行改造，將原鑄造排氣歧管改為彎管式，能夠優(yōu)化排氣歧管的結(jié)構(gòu)，同時還能夠最大限度的減少排氣干涉，提升了排氣歧管的整體性能。通過研究能夠發(fā)現(xiàn)：排氣歧管形式以及加工工藝對于汽油機(jī)的性能有著直接影響作用，有利于優(yōu)化汽油機(jī)的整體性能。

關(guān)鍵詞：排氣歧管形式;加工工藝;汽油機(jī);性能

0? 引言

現(xiàn)階段，我國汽油機(jī)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，而由于汽油機(jī)在運行過程中，普遍存在無功損耗過大的問題，對于能源的消耗量巨大[1-2]。汽油機(jī)在道路交通領(lǐng)域中的應(yīng)用最為常見，車用汽油機(jī)在不斷更新?lián)Q代后，愈來愈注重汽車內(nèi)部發(fā)動機(jī)性能的提升。而在此過程中，需要對汽油機(jī)的排放進(jìn)行合理的優(yōu)化，才能夠減少進(jìn)排氣流動的阻力，達(dá)到排放控制的最大化。而針對汽車汽油機(jī)的改造，通常想要實現(xiàn)汽油機(jī)的性能優(yōu)化，則需重點對進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。而排氣歧管作為進(jìn)氣系統(tǒng)中一個關(guān)鍵部分，一些設(shè)計人員必須重視排氣歧管優(yōu)化設(shè)計，盡可能的避免采用鑄造排氣歧管方案，以免對進(jìn)氣系統(tǒng)造成不良影響。對此，本文主要以容量為1.6L的汽油機(jī)作為探究的對象。分析汽油機(jī)在優(yōu)化改造過程中，排氣歧管形式以及加工工藝對于汽油機(jī)整體性能所造成的影響。

1? 排氣歧管形式優(yōu)化設(shè)計

1.1 發(fā)動機(jī)原始的鑄造排氣歧管

本文中例舉的汽車發(fā)動機(jī)原始排氣歧管為鑄造式排氣歧管，其結(jié)構(gòu)見圖1。

通過觀察圖片能夠看出，該汽車發(fā)動機(jī)內(nèi)部的排氣歧管形式為傳統(tǒng)的歧管類型。其材料具有一定的強(qiáng)度，為高硅鉬球墨鑄鐵。此種材料在實際應(yīng)用中，由于自身的質(zhì)量較大，而且平均壁厚較為厚重，因此在進(jìn)行排氣時，難免會受到自身材料以及質(zhì)量的影響。而且，由于此種排氣歧管的形式較為特殊，考慮到在實際運行過程中，歧管可能會在熱、冷沖擊下，出現(xiàn)失效的情況，因此設(shè)計人員在歧管的一些特殊區(qū)域內(nèi)進(jìn)行了處理，對內(nèi)部的管壁進(jìn)行了加厚。這造成歧管內(nèi)部的壁厚增大，在運行過程中會對其性能產(chǎn)生影響[3-4]。表1為原始排氣歧管的參數(shù)表。

通過對歧管的內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行觀察，能夠發(fā)現(xiàn)，排氣歧管的各分支管從缸蓋出口到總管的管長較短，這造成在歧管運行過程中，并未能夠良好的發(fā)揮脈沖作用，不利于歧管的正常使用。另一方面，由于相鄰兩端分支管相連。在運行過程中，若其中一支出現(xiàn)故障問題，容易對其他歧管造成不良影響。而且，通過觀察還能夠發(fā)現(xiàn)，在歧管1、4缸進(jìn)行排氣行程時，此時2、3缸正處于進(jìn)氣狀態(tài)。進(jìn)而造成排氣歧管運行過程中，進(jìn)排氣門重疊角的存在，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)充氣效率降低。因此，為了保障發(fā)動機(jī)的充氣、排氣效率，優(yōu)化汽油機(jī)的整體性能，則需要對排氣歧管進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

1.2 新排氣歧管的初始設(shè)計

在設(shè)計過程中，需要綜合進(jìn)行考慮。首先，應(yīng)在原排氣歧管的基礎(chǔ)上，對新的排氣歧管接口尺寸進(jìn)行設(shè)計，以確保新的排氣歧管能夠正常的接入到另一端，避免后續(xù)對設(shè)備的其他零部件、接頭造成不良影響。與此同時，考慮對新的排氣歧管進(jìn)行安裝、制造所需的實際要求，還需對歧管的法蘭面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，從而能夠確保新的排氣歧管在安裝之后，能夠?qū)π職獾雷呦蛄己玫倪m應(yīng)，并且留有充足的螺栓安裝工具空間。而由于在新的排氣歧管優(yōu)化過程中，對于三元催化器空間位置的影響較小。因此，三元催化器空間位置、接口無需進(jìn)行變動，仍然沿用原設(shè)計。這樣做的好處是，能夠使設(shè)備維持較快的三元催化器起燃時間，提升運行效率。對于分支管的設(shè)計，需要考慮到氣流的走向，既要保證法蘭面螺栓安裝留有足夠的空間，同時還需考慮到在后續(xù)施工過程中，能夠便于工藝實施。因此，應(yīng)對排氣歧管的分支管整體長度、角度、半徑等內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，最終分支管匯合的位置應(yīng)具有統(tǒng)一性，確保各個分支管最終匯合到總管，其長度基本保持一致。否則將會對排氣流入三元催化器時速度的均勻性造成不良影響。

1.3 新排氣歧管改進(jìn)設(shè)計

在整體優(yōu)化方案中，為了能夠提升排氣歧管的排氣效率，確保歧管排氣均勻，流動性良好，需要從整體上進(jìn)行考慮。同時，還應(yīng)保證新的排氣歧管改進(jìn)完成后，不會對三效催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率造成不良影響。因此，為了確保改進(jìn)設(shè)計的合理性以及科學(xué)性，首先對排氣歧管進(jìn)行CFD分析。通過采取網(wǎng)格劃分的方式，借助相關(guān)分析軟件，將新的排氣歧管進(jìn)行總體分析。網(wǎng)格類型為混合六面/四面體。在進(jìn)行網(wǎng)格的單元劃分時，單個單元為1.5～2.5mm范圍內(nèi)，網(wǎng)格總數(shù)約為一百萬個。網(wǎng)格劃分完成后，將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入到AN-SYS FLUENT軟件中，進(jìn)行邊界條件加載。另外，采用理想的惰性氣體，對管道中的介質(zhì)類型進(jìn)行設(shè)定，并且借助標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對其進(jìn)行計算，最終能夠得到支管單獨排氣時三元催化器的流速均勻性。

2? 排氣歧管形式和加工工藝對汽油機(jī)性能影響

2.1 新設(shè)計排氣歧管對發(fā)動機(jī)性能的影響模擬預(yù)測

首先，在對新設(shè)計的排氣歧管進(jìn)行研究時，為了進(jìn)一步對比新設(shè)計沖壓焊接排氣歧管與原始鑄造排氣歧管對發(fā)動機(jī)性能的影響，借助熱力學(xué)分析軟件，對排氣歧管影響發(fā)動機(jī)性能進(jìn)行了模擬。在整個模擬實驗中，發(fā)動機(jī)模型的參數(shù)主要參考真實發(fā)動機(jī)的實際參數(shù)，由相關(guān)技術(shù)人員對其展開測量，并且將前期購入發(fā)動機(jī)時的實際運行參數(shù)作為參考，展開模型的驗證試驗。通過展開模擬計算，最終得出的試驗值誤差較小，不超過1.2%，因此也就說明本次實驗中所應(yīng)用的數(shù)據(jù)模型可用，具有一定的參考意義。為了更進(jìn)一步的了解排氣歧管對于發(fā)動機(jī)性能所造成的影響，針對新設(shè)計的排氣歧管中的兩個分支管進(jìn)行設(shè)計。將分支管進(jìn)行離散化處理，得到一種全新的一維模型，將模型進(jìn)行模擬計算，并將之帶入到發(fā)動機(jī)模型中，可以得到模擬真實運行狀態(tài)，發(fā)動機(jī)運行過程中的性能情況，得到該發(fā)動機(jī)1500～6000r/min。將模擬發(fā)動機(jī)運行情況的排氣歧管排氣情況進(jìn)行對照，能夠得到平均有效壓力對比。從中能夠看出，在原排氣歧管的基礎(chǔ)上，針對排氣歧管形式進(jìn)行優(yōu)化，能夠有效的提升發(fā)動機(jī)平均有效壓力，排氣歧管的排氣效果更好。尤其是針對一些彎曲的位置，此類區(qū)域為排氣歧管的中低速區(qū)域，可以得到顯著的性能提升。此外，通過對汽油機(jī)換氣過程進(jìn)行計算分析，能夠看出，電動機(jī)動力性能大幅度提升的根本原因就是由于排氣歧管的形式出現(xiàn)了變化。通過對排氣歧管形式進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)氣歧管出口的進(jìn)氣之類有了明顯提升。在進(jìn)氣行程中，優(yōu)化過的排氣歧管的空氣流動性有了明顯提升，同時空氣流通質(zhì)量有所增加。這是由于通過對排氣歧管的形式進(jìn)行重新設(shè)計，并且在安裝新設(shè)計排氣歧管后，有效的降低了原器官運行過程中受到第一缸的壓力影響，因此空氣質(zhì)量以及流動性大大增強(qiáng)。而且，通過觀察最終的模擬結(jié)果也能夠看出，在對原始的排氣歧管形式進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)后，其工藝性能有了明顯的提升，而且排氣歧管排氣道入口壓力更小，這樣一來，在運行換氣階段，更加有助于整個系統(tǒng)換氣過程的實現(xiàn)，具有良好的效果。

2.2 新設(shè)計排氣歧管性能的試驗驗證

為了更好的驗證設(shè)計后的排氣歧管性能，展開排氣歧管性能的試驗，對其結(jié)果進(jìn)行觀察，就可以直觀的了解到排氣歧管形式以及工藝對于汽油機(jī)性能所造成的影響。在試驗過程中，為了能夠更加還原真實的運行情況，將新設(shè)計排氣歧管制作出樣件。在制作完成后，將這些樣件進(jìn)行裝機(jī)，對發(fā)動機(jī)外特性進(jìn)行試驗。其中，排氣系統(tǒng)的背壓值為60kpa，進(jìn)氣系統(tǒng)的壓力數(shù)值為2.0kpa。

該排氣歧管主要應(yīng)用的材料為不銹鋼，在質(zhì)量上更加輕薄，而且管壁較薄，排氣歧管的壁厚為1.2mm，可以有效的保證空氣流通。與此同時，在設(shè)計過程中主要應(yīng)用彎管工藝，除此之外，在分支管匯合的位置應(yīng)用到了沖壓后焊接工藝。匯合的4支分支管的長度有所增加，使得分支管內(nèi)部的氣流緩沖空間更大，從而更好的利用排氣脈沖原理。在實際運行過程中，執(zhí)行進(jìn)氣流程時，可以實現(xiàn)大幅度進(jìn)氣，有效的提升了充氣效率。而且，通過對排氣歧管工藝進(jìn)行優(yōu)化，使之受干擾程度降到最低，有效的克服了氣缸之間存在的排氣干涉，最大限度的提升發(fā)電機(jī)運行的整體效率，從而優(yōu)化了汽油機(jī)的整體性能?？偟膩碚f，排氣歧管形式以及加工工藝的優(yōu)化，將會對汽油機(jī)的性能帶來直接影響。

3? 結(jié)論

綜上所述，本文主要以1.6L汽油機(jī)的優(yōu)化設(shè)計為例，通過對容量1.6L的汽油機(jī)進(jìn)行改造，將原鑄造排氣歧管改為彎管式，能夠優(yōu)化排氣歧管的結(jié)構(gòu)，同時還能夠最大限度的減少排氣干涉，提升了排氣歧管的整體性能。通過研究能夠發(fā)現(xiàn)：排氣歧管形式以及加工工藝對于汽油機(jī)的性能有著直接影響作用，有利于優(yōu)化汽油機(jī)的整體性能。對汽油機(jī)排氣歧管形式進(jìn)行優(yōu)化，并對其加工工藝進(jìn)行了改進(jìn)，采用數(shù)值模擬的方法，進(jìn)一步的提升了排氣歧管的排氣性能，有效的控制了設(shè)計改進(jìn)的實際成本，同時還能夠保證改進(jìn)之后的排氣歧管能夠更好的運行，具有良好的環(huán)保效益以及經(jīng)濟(jì)效益。通過對排氣歧管的材質(zhì)以及布置方式進(jìn)行優(yōu)化，提升了分支管的長度，最大限度的減少排氣歧管在實際運行過程中受到排氣干涉的影響，并且新的排氣歧管在性能上增加了扭矩特性，使得汽油機(jī)的低速扭矩大大提升，優(yōu)化了汽油機(jī)的整體性能。

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