排氣歧管結構形式對發動機性能影響的試驗

王亞飛 崔振偉 吳喜慶 韓艷輝

（1.中國第一汽車股份有限公司天津技術開發分公司；2.中國第一汽車股份有限公司技術中心）

隨著我國汽車工業的快速發展，為解決能源供需矛盾，國家對乘用車的燃油消耗限值要求越來越嚴格。排氣歧管作為發動機排氣系統的重要部件之一，其結構設計的合理性對發動機動力性和燃油經濟性會產生直接影響。排氣歧管設計不合理，會使發動機功率和扭矩明顯下降，油耗也會增加。基于以上問題，文章主要針對不同結構形式的排氣歧管進行了模擬分析和臺架試驗對比，驗證了其對汽油發動機動力性和燃油經濟性的影響程度，從而為以后發動機排氣歧管的設計和優化提供一定的指導。

1 結構形式

文章分別設計了2種結構形式的排氣歧管，主要區別在于催化器上方歧管部分的結構和工藝形式，如圖1所示。方案1的歧管采用按4-1的連接形式布置的沖壓鋼板焊接形式，歧管分為上下2個半殼，由不銹鋼鋼板沖壓而成，然后將2個半殼焊接在一起；方案2的歧管采用不銹鋼鋼管焊接形式，由4根鋼管折彎后采用4-2-1的連接形式焊接在一起。

圖1 2種方案排氣歧管結構對比

方案1的優點在于管徑變化靈活，各支管合并方便，成本較低；缺點在于受沖壓工藝的限制，歧管無法進行復雜的空間布置，各支管長度差異較大。方案2的優點在于空間布置靈活，各支管長度差異較小，且可以實現1-4氣道、2-3氣道合并的4-2-1布局形式，有利于減小排氣干擾；缺點在于排氣歧管需要占據較大的布置空間，且較長的歧管結構使排氣溫度有所下降，不利于催化器快速達到最佳工作溫度[1]。

文章主要探討不同結構形式的排氣歧管對發動機動力性和燃油經濟性的影響程度。為了減少其他因素的影響，這2種方案的排氣歧管采用相同的催化轉化器載體，且排氣入口和出口的位置也相同。

2 模擬分析

為了分析2種方案排氣性能的好壞，利用STAR-CCM+軟件分別對2種方案排氣歧管進行模擬分析，邊界條件為：氣體在排氣管內的流動視為穩態、絕熱的不可壓縮湍流；采用標準的k-ε湍流模型模擬湍流；排氣管的內壁面認為是水力光滑的；三元催化器載體采用多孔介質模型處理；采用非耦合隱式算法，二階求解精度。

2.1 排氣壓降損失分析

排氣壓降損失是反映排氣系統流通性好壞的一個重要指標，壓降損失越小，排氣阻力就越小，發動機廢氣流通性就越好，就更有利于發動機動力性和燃油經濟性的提高[2]。

通過對2種方案進行模擬分析，分別得到它們各部分的壓降損失值，計算結果，如表1所示。從表1可以看出，壓降損失主要集中在排氣歧管入口至催化器本體段。在排氣歧管入口至催化器上端處（即各支管段），方案1的壓降損失明顯高于方案2，尤其是1缸和3缸的壓降損失高出1倍左右。在催化器本體段，2種方案壓降損失相差不大，方案1略優于方案2。在催化器下端至排氣歧管出口處，2種方案壓降損失都很小，且相差不大。綜合來看，排氣歧管各支管段是造成2種方案壓降損失差異的主要部位，采用沖壓形式的方案1受工藝限制的原因，4個支管差異較大，各支管在排氣時存在干擾，是導致排氣壓降損失較大的主要原因，而方案2的各彎管走向較方案1更合理，壓降損失也更小。

表1 2種排氣歧管方案的各缸壓降損失對比 kPa

2.2 排氣均勻性分析

各缸排氣壓降損失的均勻性影響發動機排氣過程的穩定性。各缸壓降損失越不均勻，則排氣壓力差異就越大，發動機排氣就越不穩定。受不穩定排氣影響，發動機工作穩定性也會下降，導致功率和扭矩下降，油耗增加。

壓降損失相對偏差值能夠較好地反映出各缸排氣壓降損失的均勻性，壓降損失相對偏差值計算公式為：

式中：Ki——第i缸壓降損失相對偏差，%；

Pi——第i缸排氣總壓損，kPa；

n——缸數，此處n=4。

圖2示出2種排氣歧管方案的各缸壓損相對偏差計算結果。從圖2中可以看出，方案1中各缸壓降損失相對偏差較大，均大于方案2。尤其是1缸、2缸和4缸，壓降損失都超過了12%，而方案2均在4%以內。方案1各支管長度差異較大，而方案2各支管長度比較均勻，使得各缸壓降損失相對偏差較小，排氣均勻性更好，更有利于提高發動機動力性與燃油經濟性。

圖2 2種排氣歧管方案的各缸壓損相對偏差計算結果

2.3 排氣干擾分析

如果排氣歧管結構布置和各支管長度不合理，不同氣缸之間的排氣諧波就會相互影響，當某缸排氣門剛打開時，正好趕上其他缸排氣傳過來的壓力波峰值，使該缸歧管內壓力過大，就會影響廢氣順利排出。由此造成壓降損失增大，影響發動機動力性和經濟性[3-6]。

圖3示出2種方案的排氣歧管排氣流動軌跡線圖。從圖3可以看出，在方案1中，前3缸在排氣時對第4缸都有一定干擾，尤其是第3缸排氣后對即將排氣的第4缸干擾較大，影響第4缸廢氣順利排出，其他各缸干擾相對較小。在方案2中，1缸與4缸排氣支管相互連通，2缸與3缸排氣支管相互連通，排氣時相互連通的兩缸有一定干擾。但根據四缸發動機1-3-4-2的點火順序，方案2的4-2-1布置形式避開了即將點火的相鄰兩缸產生的排氣干擾。較小的排氣干擾也是方案2排氣壓降損失較小的原因之一，同時也有利于排氣噪聲的降低。

圖3 排氣歧管排氣流場軌跡線圖

3 試驗驗證

通過模擬分析可知，方案2在提高發動機動力性和燃油經濟性上更有優勢。為了驗證分析結果的正確性，以及這2種方案對發動機動力性和燃油經濟性的影響程度，文章分別將2種方案的排氣歧管樣件搭載到同一臺發動機上進行了臺架試驗。所搭載發動機為排量1.3 L的直列四缸汽油機，進氣方式為自然吸氣，冷卻方式為水冷，壓縮比為10.9。

臺架試驗分別驗證了發動機不同轉速時的功率、扭矩、燃油消耗率和排氣背壓等值。為了更直觀地比較，將試驗結果繪制為曲線圖，如圖4和圖5所示。從圖4可以看出，在低轉速時2種方案排氣歧管對扭矩的影響較小，在2 500 r/min以上時，方案2扭矩值均高于方案1，平均高出0.9 N·m左右。2種方案對功率的影響比較小，在2 500 r/min以上時方案2功率比方案1平均高出0.38 kW左右。從圖5可以看出，在低轉速時，方案2燃油消耗率略微高于方案1，在2 500 r/min以上時，方案2燃油消耗率表現較好，平均比方案1低5.2 g/kW·h左右。排氣背壓方面，轉速越高，方案1與方案2背壓差異越大，在2 500 r/min以上，方案2較方案1排氣背壓低1～2 kPa。在排氣壓降損失、排氣均勻性及排氣干擾方面的良好表現，使得方案2在臺架試驗中排氣背壓要低于方案1，而較低的排氣背壓使得搭載方案2的發動機功率和扭矩更高，燃油消耗率更低。

圖4 發動機外特性扭矩與功率對比曲線

圖5 發動機外特性燃油消耗率與排氣背壓對比曲線

4 結論

研究結果表明，采用4-2-1布置形式的不銹鋼鋼管焊接的排氣歧管在排氣壓降損失、排氣均勻性及各缸排氣干擾上均優于采用4-1布置形式的沖壓鋼板焊接的排氣歧管，不銹鋼鋼管焊接形式的排氣歧管在臺架試驗中性能表現也更佳。相比沖壓鋼板焊接形式的排氣歧管，搭載不銹鋼鋼管焊接形式的排氣歧管的某1.3 L發動機，在轉速為2 500 r/min以上時扭矩平均提升0.9 N·m左右，功率平均提升0.38 kW左右，燃油消耗率平均降低5.2 g/kW·h左右。匹配該排氣歧管的發動機在動力性和燃油經濟性上均優于匹配沖壓鋼板焊接形式排氣歧管的發動機，尤其當轉速升高，排氣量增大時，這種優勢更加明顯。