某汽油機進氣歧管的優化設計

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

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

1 分析模型

采用AVL_BOOST一維發動機性能分析軟件搭建仿真分析模型，如圖1所示。

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

2 優化設計分析

2.1 變量設計

優化分析采用AVL_BOOST自帶多因素優化計算（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。優化結構與整車匹配布置相結合，優化分析設計時保證進氣歧管出口直徑固定不變，變量上下限值結合實際設置，優化設計變量設置如表1所示。

圖1 BOOST分析模型

圖2 模型標定結果

表1 優化設計變量

2.2 結果分析

經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律，如下圖 3所示，圖中圓圈顏色和大小代表不同分析結果。

圖3 優化設計結果

從優化結果得出，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系，即小直徑+小長度和大直徑+大長度都會有較優的目標值，數值接近；對應最優目標值時，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構尺寸為：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 彎曲設計

在內燃機進氣流動中，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，歧管彎曲設計盡可能圓滑過度，三維設計效果如下圖4所示。

圖4 彎曲設計圖

4 優化前后對比

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

圖5 優化前后動力性對比

5 結論

（1）與原進氣歧管相比，優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，進一步彌補了發動機高速、低俗性能的不足；

（2）CAE優化分析為實際開發設計提供指導，提高了設計效率，同時縮短了開發周期。