前置后驅車型用自然吸氣發(fā)動機塑料進氣歧管開發(fā)

劉錫鑫，馬江濤，胡志剛，劉玉明，于榮楓

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前置后驅車型用自然吸氣發(fā)動機塑料進氣歧管開發(fā)

劉錫鑫，馬江濤，胡志剛，劉玉明，于榮楓

（哈爾濱東安汽車發(fā)動機制造有限公司技術中心，黑龍江 哈爾濱 150066）

文章以某前置后驅車型自然吸氣發(fā)動機用塑料進氣歧管的開發(fā)為例，敘述了前置后驅車型用進氣歧管的結構特性。應用發(fā)動機一維性能仿真（AVL-BOOST）優(yōu)化進氣歧管參數(shù)（氣道長度）、應用Hypermesh進行有限元分析的前處理，CFD仿真（AVL-FIRE）模擬進氣歧管的流動特性，得到滿足兼顧低速扭矩與最大功率的進氣歧管結構。通過試驗驗證，新開發(fā)的進氣歧管性能滿足開發(fā)目標，性能曲線與仿真結果趨勢相同。通過文章的研究，可指導前置后驅車型自然吸氣發(fā)動機用塑料進氣歧管的開發(fā)工作。

前置后驅；塑料進氣歧管；BOOST；FIRE

引言

中國汽車市場正在向中、小城市發(fā)展，MPV以其多功能性在中、小城市占有很大的市場份額，而MPV車型中發(fā)動機的布置形式大部分為前置后驅。前置后驅車型用進氣歧管受到發(fā)動機布置形式的限制，與傳統(tǒng)的前置前驅布置形式有很大不同。

本文主要詳述了前置后驅發(fā)動機進氣系統(tǒng)中最關鍵零部件進氣歧管的開發(fā)過程，借助發(fā)動機一維性能仿真軟件AVL-BOOST，從理論上確定進氣歧管的設計參數(shù)；然后借助三維軟件CATIA，根據(jù)前置后驅發(fā)動機的布置形式及設計參數(shù)設計概念模型；最后利用CFD軟件AVL-FIRE對進氣歧管內氣道進行流體分析，確定流場內無異常的流動和壁面分離現(xiàn)象，進氣均勻性為0.33%。制作了快速樣件，在發(fā)動機臺架上做性能試驗，確認用上述理論方法得到的進氣歧管性能符合要求，仿真結果與試驗結果一致性較高。

1 發(fā)動機一維性能仿真

AVL-BOOST軟件用一維動力學為基礎，采用有限體積法進行數(shù)值計算，有限體積法是將計算區(qū)域劃分為有限個體積，體積中心為計算節(jié)點，通過對有限個體積的逐一積分導出偏微分方程的離散方案。有限體積法基本思想如圖1所示，通過t時刻的狀態(tài)值和相關截面的數(shù)值通量，可求出t+△t時刻的狀態(tài)值。其中關鍵為求出時間步長t中點時的關于質量、動量和能量的截面數(shù)值通量。

圖1 有限體積法基本思想

有限體積法常用于分析氣體在管路中的一維非定常流動，將管路定義為多個體積單元。對于每個體積單元，質量、動量和能量方程如下：

利用發(fā)動機一維仿真模擬軟件AVL-BOOST建立發(fā)動機數(shù)學模型，模型的重要參數(shù)與發(fā)動機實際情況相一致，建立的模型如圖2所示：

發(fā)動機的排量的為1.6L，穩(wěn)壓腔容積為排量的0.8倍~1.2倍[1]，所以先假設為1.2L，氣道截面變化參照前置前驅機型。進氣歧管的設計參照只剩下氣道長度，而且進氣歧管氣道長度是影響發(fā)動機性能的關鍵項目，將進氣歧管氣道長度作為變量，主要研究進氣歧管長度分別為400mm、420mm、440mm時對發(fā)動機性能的影響，參照圖3。

從圖3可以看出，隨著氣道長度的增加，發(fā)動機低速時的扭矩提升，最大功率下降。此項目發(fā)動機的開發(fā)目標是盡量兼顧低速扭矩，最大扭矩大于150Nm，最大功率大于80Kw。只有進氣歧管氣道長度為420mm能滿足開發(fā)目標，兼顧扭矩與功率，所以進氣歧管氣道長度為420mm。

圖3 進氣歧管長度對發(fā)動機性能的影響

2 進氣歧管結構設計

發(fā)動機在前置后驅車型上從車前方看為左邊為排氣系統(tǒng)，右邊為進氣系統(tǒng)。空濾普遍布置在整車的右側，空濾軟管從發(fā)動機搖臂室罩殼上端繞過連接到進氣歧管總進氣口，參照圖4，前置后驅車型發(fā)動機用進氣歧管總進氣口需布置在進氣歧管上端。同時考慮到滿足進氣歧管氣道長度為420mm，而且需滿足與整車邊界（整車碳罐、蓄電池等）間隙大于20mm、與發(fā)動機設計邊界（發(fā)電機、起動機等）的間隙大于10mm，進氣歧管需設計成蝸牛形狀，參照圖5。

圖4 前置后驅發(fā)動機布置形式

圖5 進氣歧管結構示意

3 CFD流體動力學仿真分析

根據(jù)初步設計的進氣歧管內氣道模型，對進氣歧管機型三維CFD仿真計算，確認進氣歧管的進氣均勻性，判斷流場內是否有異常流動和避免分離問題，優(yōu)化進氣歧管內氣道結構。本次分析應用Hypermesh與AVL-FIRE軟件完成，利用Hypermesh強大的網(wǎng)格劃分功能完成六面體網(wǎng)格的劃分，提高計算精度，共劃分為485466個網(wǎng)格，參照圖6。將Hypermesh劃分后的網(wǎng)格導入到AVL-FIRE軟件內進行仿真分析，計算當邊界條件為進氣歧管總進氣口與出氣口壓力差為2500Kpa時，進氣歧管內氣道的流場特性，進氣歧管速度場與壓力場參照圖7、圖8（進氣歧管氣道為對稱結構，僅分析兩個氣道）。進氣歧管不均勻性仿真結果參照表1。

圖6 進氣歧管內氣道網(wǎng)格劃分

圖7 進氣歧管速度場

圖8 進氣歧管壓力場

表1 進氣均勻性計算結果

CFD仿真計算結果顯示，在設定的分析條件下，氣道平均流量系數(shù)為0.867396，流量系數(shù)均衡性為±0.33%，滿足流量均勻性不大于±2.5%的要求，而且流暢內無異常的流動和避免分離現(xiàn)象，滿足塑料進氣歧管的設計要求。

4 試驗驗證

利用快速成型工藝制作塑料進氣歧管的手工件，裝配到發(fā)動機上，利用AVL發(fā)動機性能臺架測試發(fā)動機搭載塑料進氣歧管手工件后的性能指標，測試發(fā)動機性能時需聯(lián)合匹配標定工程師對發(fā)動機進行重新標定，試驗搭載情況見圖9。

圖9 進氣歧管手工件試驗

性能試驗結果與仿真結果對比見圖10，進氣歧管扭矩與功率試驗結果與仿真結果變化趨勢相同，最大誤差為5Nm，滿足進氣歧管開發(fā)目標。

圖10 試驗數(shù)據(jù)對比

5 結論

前置后驅車型用發(fā)動機進氣歧管的進氣口布置在進氣歧管上端，為減小進氣歧管的體積，采用蝸牛形狀結構，為后續(xù)前置后驅車新用進氣歧管做設計參考。

應用AVL-BOOST、Hypermesh、AVL-FIRE確定進氣歧管的設計參數(shù)與流體特性，數(shù)模建立準確的前提下，可指導進氣歧管的設計工作，減小工程師的工作量，是進氣歧管設計不可缺少的工具。

試驗驗證，搭載進氣歧管手工件的發(fā)動機性能與仿真分析的發(fā)動機性能趨勢相同，最大誤差為5Nm，進氣歧管滿足設計開發(fā)目標。

[1] 崔怡,高瑩,李君,楊思.進氣歧管結構對進氣不均勻性影響的仿真研究,2009（4）:37-40.

[2] 達道安.真空設計手冊[M.北京:國防工業(yè)出版社,2004,6.

[3] 王偉,鄧濤.橡膠Mooney-Rivlin模型中材料常數(shù)的確定[J].特種橡膠制品,2004（8）:8-10．

[4] Mooney R.A theory of large elastic deformation[J]. J Appl Phys, 1940,11:582-592.

[5] 曹金鳳,石亦平.ABAQUS有限元分析常見問題解答[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009,1.

Natural Inhalation Engine for Front and Back Drive Type Development of plastic intake manifold

Liu Xixin, Ma Jiangtao, Hu Zhigang, Liu Yuming, Yu Rongfeng

( Harbin Dongan Automobile Engine Manufacturing Co., Ltd.. Technology Center, Harbin Heilongjiang 150066 )

Taking the development of plastic intake manifold for a front-rear drive natural aspirated engine as an example, the paper describes the structural characteristics of intake manifold for front-rear drive. The application of the engine one-dimensional performance simulation(AVL-BOOST) to optimize the intake manifold parameters(airway length), the use of Hypermesh for finite element analysis, and the CFD simulation(AVL-FIRE) to simulate the flow characteristics of the intake manifold, The intake manifold structure with both low speed torque and maximum power is obtained. The results show that the performance of the newly developed intake manifold meets the development goal, and the performance curve is the same as the simulation result. Through the research of this paper, we can guide the development of plastic intake manifold for the natural aspirated engine of front-rear drive.

front-drive; Plastic intake manifold; BOOST; FIRE

U464

B

1671-7988(2018)20-77-03

U464

B

1671-7988(2018)20-77-03

劉錫鑫，就職于哈爾濱東安汽車發(fā)動機制造有限公司技術中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.027