可變進氣歧管設計開發及試驗驗證

胡景彥，周大權，郭如強，馬學建

(1.寧波市鄞州德來特技術有限公司，浙江寧波 315100; 2.沈陽大學機械工程學院，遼寧沈陽 200100)

0 引言

隨著國家對環境保護意識和措施越來越加強，汽車作為主要的環境污染源之一被國家強制性標準化要求，發動機目前排放要求達到國Ⅵ階段，油耗法規要達到國Ⅳ階段。排放和油耗的嚴格控制，要求發動機內凈化水平進一步提升，作為進氣系統主要零部件的進氣歧管在此項改進中承擔著主要的責任。進氣歧管采用可變技術，可以讓發動機適當小型化，同時提升發動機動力性能，使發動機輸出扭矩更大；同時，發動機常用關鍵工況點油耗可以降低5%左右。可變進氣歧管技術正大量快速地應用于各款發動機設計優化開發中。

文中采用正向設計開發手段。目前正向開發流程是國內外最優秀的開發方式，結合CAE模擬分析的手段進行流體均勻性分析計算、壓損流場分析計算、強度分析計算、密封分析及模態NVH分析計算等，后續采用快速樣件試制方法，快速樣件完成后進行樣件單體流量試驗，滿足進氣歧管單體性能后再用于發動機熱力學性能試驗驗證。

1 設計目標確定

1.1 發動機設計開發目標

以正向設計為流程，首先需要確定所要完成的設計開發目標。設計開發目標分為兩個，一個是發動機本體設計開發目標，另外一個是進氣歧管設計開發目標。首先確定發動機本體設計開發目標，如表1所示。

表1 發動機主要參數及指標

發動機本體主要指標包括發動機額定功率、發動機最大扭矩、低速扭矩、發動機關鍵點油耗等，體現了該款發動機主要的性能目標水平。

1.2 進氣歧管設計開發目標

進氣歧管設計目標主要是考察歧管自身的性能，主要包括歧管最大流量要求，可變歧管長、短管尺寸要求，可變機構方式，壓力損失，均勻性，質量，強度可靠性以及NVH模態指標等，如表2所示。

表2 發動機主要參數及指標

2 進氣歧管正向設計

2.1 機艙布置

根據現有整車發動機機艙空間，進氣系統部分空間定義明確，劃定好完整的設計邊界，在此邊界上進行進氣歧管相關設計優化，保證設計完成的進氣歧管系統滿足整個機艙空間布置、間隙以及空濾器接口、缸蓋接口等要求。圖1為發動機機艙空間示意圖。

圖1 發動機機艙空間

2.2 進氣歧管概念設計

圖2是進氣歧管概念設計過程示意圖。以機艙布置為基礎，按照進氣歧管長度、等效直徑、曲率等要求對進氣歧管進行概念設計。

進氣歧管概念設計目標要達到空間布置與歧管參數性能要求的最優化。

圖2 進氣歧管概念設計

2.3 焊接軌跡面設計

根據歧管骨架線及焊接寬度、壓力角要求，設計進氣歧管的焊接面。根據不同供應商制造、生產工藝、焊接設備等的不同要求進行焊接筋尺寸設計，通常情況下焊接壓力角不得大于60°，焊接寬度要求大于4 mm(見圖3)。

圖3 進氣歧管焊接設計

2.4 內腔設計

根據焊接面、歧管線型和截面要求設計出歧管內腔。根據焊接筋寬度要求，歧管之間的間距要求不小于12.2 mm。歧管的內腔設計是關鍵所在，是發動機功率、扭矩和油耗的保證，包括歧管內腔長度、直徑以及穩壓腔的設計。進氣歧管內腔設計如圖4所示。

圖4 進氣歧管內腔設計

2.5 穩壓腔優化、可變翻板設計

根據進氣歧管概念參數設計進氣歧管穩壓腔，同時布置可變翻板，可變翻板是進氣歧管實現可變功能的保證，可變翻板的布置是第一步，也是實現最佳可變過程的基礎。穩壓腔容積滿足性能和可靠性要求，翻板位置需滿足流量分配比例要求。圖5為穩壓腔及可變翻板示意圖。

圖5 穩壓腔、可變翻板布置

2.6 真空腔設計

根據進氣歧管性能和真空度要求設計進氣歧管真空腔，真空腔為進氣歧管可變機構提供真空，實現進氣歧管可變機構的機械旋轉力，從而實現進氣歧管可變機構的正常工作，所以進氣歧管真空腔大小選擇非常重要，以便真空腔根據真空度要求布置容積大小，一般大于0.6 L。圖6為真空腔示意圖。

圖6 真空腔設計

2.7 外形設計

在滿足進氣歧管熱力學性能的歧管長度、直徑、容積等要求和進氣歧管CFD分析壓力損失和均勻性要求基礎上，開展進氣歧管外形設計。圖7所示為外形設計示意圖。

最佳的外形設計，首先要滿足空間要求，同時還要滿足進氣歧管強度可靠性要求。

2.8 模具、焊接筋設計

外形設計定型后，進行進氣歧管模具分片、焊接筋設計。前面焊接軌跡面的設計是初步概念，模具、焊接筋的設計需要細化設計結構，需要達到滿足模具開發和焊接制造量產的需求。此處的設計根據不同設備工藝要求進行相應優化調整。圖8所示為模具、焊接筋設計結構示意圖。

圖7 外形設計

圖8 模具、焊接筋設計

2.9 可變機構設計

模具分片設計完成后，進行可變機構設計，包括可變閥片、轉軸以及控制機構等。可變機構的設計是可變進氣歧管設計難點，主要是可變機構閥片可靠性設計非常困難，不合理的設計經常出現磨損、抖動NVH問題等，所以可變機構閥片零部件材料使用、設計結構、配合間隙需要作為設計重點項。表3所示為可變機構主要零部件材料定義和主要的結構尺寸。

表3 可變機構零部件匯總

同時，可變機構還需要承擔長、短管流量的分配比例，所以可變結構的位置精度要求較高，可變機構采用真空執行器的動作實現長短管可變切換。圖9所示為可變機構示意圖。圖10所示為可變機構閥片零部件示意圖。

圖9 可變機構設計

圖10 可變機構閥片組件

2.10 總成裝配

可變進氣歧管零部件設計完成，進行總成裝配。進氣歧管總成零部件包括進氣歧管本體、密封圈、螺栓、可變機構(見圖11)。

圖11 進氣歧管總成

總成裝配是進氣歧管系統完整的組件，實現了空間布置滿足要求、裝配工藝滿足要求、維修拆卸滿足要求等各個方面的功能性要求。

2.11 設計審核

設計審核包括多項檢查條目，有空間間隙檢查、模具制造檢查、設計壁厚檢查、閥片開啟功能檢查、配合檢查等。

2.11.1 拔模檢查

拔模角度是模具設計的基本要求，拔模的設計要滿足拔模角度要求，檢查進氣歧管分片是否存在倒扣不正常拔模問題。圖12為拔模角度示意圖。

圖12 拔模角度

2.11.2 壁厚檢查

正向的設計壁厚一定是均勻分布的，基本壁厚是一致的，一般國內制造水平，塑料進氣歧管基本壁厚在2.5～3 mm，有些特殊結構會造成局部壁厚較大。壁厚檢查確認各個位置進氣歧管壁厚合理性，同時有效控制進氣歧管本體質量。圖13所示為進氣歧管壁厚示意圖。

圖13 進氣歧管壁厚

2.11.3 焊接筋檢查

焊接筋的設計要求一般根據不同制造廠商有一定差異，所以焊接筋設計前需要廠家輸入焊接筋結構要求。根據模具廠家要求，進行焊接筋結構設計，一般要求為壓力角不得大于60°，焊接寬度要求大于4 mm。圖14為焊接筋結構尺寸示意圖。

圖14 焊接筋結構尺寸

2.11.4 出模檢查

塑料模具開模費用較高，一套較復雜的進氣歧管模具需要100多萬，這么高額的開模費用需要模具設計環節考慮完善，模具設計不存在問題，所以出模檢查為重點開展工作內容。該款進氣歧管主體為3片，圖15為進氣歧管出模檢查示意圖。

圖15 出模檢查

2.11.5 可變閥片開啟功能檢查

可變閥片開啟角度直接影響進氣歧管可變的效果，會對發動機功率、扭矩和油耗產生一定影響。可變閥片必須保證開啟角度按設計要求執行，開啟鎖止位置滿足設計角度要求。圖16為閥片開啟位置角度示意圖。

圖16 閥片開啟位置

2.11.6 安裝配合檢查

進氣歧管安裝配合檢查主要包括兩個結合面：進氣歧管與缸蓋結合面檢查，進氣歧管與節氣門安裝檢查。圖17所示為進氣歧管接口配合檢查。

圖17 進氣歧管接口配合

在進氣方向上，缸蓋與歧管接口應配合合理，保持氣流順暢，減少節流損失。進氣歧管與節氣門配合也需要保證氣流流通損失最小化，保證兩個相關聯零部件配合滿足要求。

2.11.7 整機裝配檢查

此項工作主要檢查進氣歧管在發動機整機上裝配的可行性，以及與發動機各個周邊零部件間隙尺寸，同時保證進氣歧管與發動機相關零件的間隙，間隙要求不小于10 mm。圖18所示為進氣歧管裝配圖。

圖18 進氣歧管裝配圖

2.11.8 機艙布置檢查

機艙布置檢查是進氣歧管布局設計最后的環節。前期的設計在給定的要求空間內完成，此項檢查工作主要是校核確認設計邊界是否滿足整車的設計要求。進氣歧管與機艙的間隙要求不小于25 mm。同時要檢查進氣歧管在機艙內裝配的工藝性、維修拆卸工藝性等。圖19為進氣歧管機艙布置示意圖。

圖19 進氣歧管機艙布置

2.12 詳細2D設計

詳細設計階段主要的工作是完成進氣歧管的圖紙，同時還需要進行相關公差尺寸校核，例如密封圈壓縮量校核、螺栓定位銷尺寸公差校核、結合面尺寸公差校核等，但最重要的工作內容還是用于歧管制造的2D圖紙。2D圖紙包括詳細的尺寸定義、關鍵尺寸形位公差和尺寸公差要求。進氣歧管圖紙主要包括進氣歧管總成圖紙主要用于指導總成配合。進氣歧管零部件圖紙主要用于指導定義各個零部件尺寸結構尺寸及相應的公差要求、裝配位置要求等。圖20所示為進氣歧管2D圖紙示意圖。

圖20 進氣歧管2D圖紙

3 CAE計算分析

3.1 熱力學計算分析

熱力學計算分析從正向設計的概念階段就需要同步開展。概念階段完成進氣歧管直徑、長度、穩壓腔容積的尺寸選配，同時計算出長短管流量分配比例。布局階段對以上概念階段所定義的參數變化進行確認分析，得到最終滿足性能要求的進氣歧管結構參數，進氣歧管布局設計也保證與布局修正后的結構尺寸一致。

3.1.1 進氣歧管長度計算與分析

進氣歧管長度計算分析需要把進氣歧管長度設置為變量，長度尺寸需要在滿足空間要求的前提下進行改進，通過熱力學分析來進行一系列進氣歧管長度計算分析。一般進氣歧管長度變化應該在50～100 mm以內，先進行大長度尺寸變化選配，之后依據合適尺寸再進行詳細長度選配計算，一般在50 mm變化以內選擇進氣歧管最佳長度尺寸。圖21所示為進氣歧管長度選配計算分析。

圖21 進氣歧管長度選配

3.1.2 進氣歧管直徑計算與分析

進氣歧管直徑是進氣歧管設計的主要影響結構，比進氣歧管長度要敏感很多，而且影響效果大于長度，所以進氣歧管直徑的選擇需要精細化，一般直徑變化為0.5 mm，而且隨著進氣歧管長度變化對進氣歧管直徑進行相應的變化，找到進氣歧管隨長度變化直徑最佳的直徑變化規律和最合適的直徑數值。如圖22所示為進氣歧管直徑選配計算分析結果。

3.1.3 進氣歧管容積計算與分析

進氣歧管的容積是占有進氣歧管空間最大的一部分，進氣歧管容積的選配對于性能影響不敏感，一般規律是大容積有利于高速性能，小容積有利于中低速性能。但容積大小會影響進氣歧管本體強度和模態，影響到整機的可靠性和NVH性能。一般情況下在保證發動機性能前提下，進氣歧管容積盡量選擇小型化，以保證進氣歧管的爆破強度較高要求。圖23所示為進氣歧管容積計算分析結果。

圖22 進氣歧管直徑選配

圖23 進氣歧管扭矩隨容積和轉速變化對比

3.1.4 發動機性能預測

根據進氣歧管各個參數選配最佳結果，得出進氣歧管最終選配結構尺寸方案，對其進行發動機整體性能計算分析，得出可變進氣歧管發動機外特性性能，同時可得到長短管切換轉速為4 500 r/min，為ECU控制提供依據。由發動機性能模擬課件，可變進氣歧管使發動機性能提升幅度接近8%以上，尤其扭矩曲線形狀也進行了一定優化，如圖24所示。

圖24 發動機扭矩隨轉速和進氣歧管長度變化對比

3.2 CFD計算分析

3.2.1 短管狀態壓損計算分析

短管工況一般都是4 500 r/min以上高速工況，該歧管壓損對發動機高速影響較大，所以短管壓損控制至關重要。圖25為短管壓損計算分析結果。

圖25 短管壓損計算結果

3.2.2 長管狀態壓損計算分析

長管工況一般都是4 500 r/min以下中低速工況，該歧管均勻性對中低速扭矩和油耗影響較大，主要保證長管的均勻性水平。圖26為長管壓損均勻性計算分析結果。

圖26 長管壓損均勻性計算結果

3.2.3 流場流速計算分析

根據長短管流速計算分析可以評估進氣歧管整個流場狀態，對壓力損失、流動分離、壓損不合理部位進行詳細診斷，進行最優化設計。圖27為流場流速計算分析結果。

圖27 流場流速計算結果

3.2.4 流量分配計算分析

此可變進氣歧管可變狀態為短管使用狀態，短管狀態閥片開啟，此時流經長、短管流量有個比例分配，比例分配根據發動機性能要求選取(見第3.1節熱力學分析結果)，此進氣歧管設計優化后流量比例分配為90%(流經短管流量占比)，作為最佳流量分配狀態進行設計開發。表4為流量分配計算分析結果。

表4 流量分配計算結果

3.3 強度計算分析

為保證進氣歧管可靠性，對進氣歧管強度進行計算分析，主要考察進氣歧管焊接筋強度、腔體強度。一般進氣歧管強度最薄弱的環節是穩壓腔體，對穩壓腔體進行加強筋設計，提升腔體本體強度。圖28所示為進氣歧管強度計算結果。

圖28 進氣歧管強度計算結果

3.4 模態計算分析

作為進氣歧管零部件，支架連接的設計也很關鍵，需要保證連接后的NVH性能，不能引起共振和其他NVH問題。一般要求四缸機第一階模態頻率目標值大于240 Hz，此款進氣歧管模態結果為243.4 Hz, NVH性能滿足要求，如圖29所示。

圖29 模態計算結果(第一階模態243.4 Hz)

4 試驗驗證

4.1 歧管本體流量試驗

進氣歧管樣件試制完成后，在發動機裝配之前，需要對進氣歧管樣件進行單體試驗，驗證進氣歧管本體是否滿足設計要求。進氣歧管本體試驗的內容包括進氣歧管壓損試驗檢測和進氣歧管均勻性試驗檢測。圖30所示為進氣歧管流量試驗結果。

圖30 進氣歧管流量試驗結果

4.2 發動機外特性試驗

進氣歧管檢測合格后，進行發動機整機裝配，需要開展發動機性能驗證試驗，發動機性能驗證包括功率、扭矩、油耗等各個方面。進氣歧管在發動機整機上主要進行外特性和萬有特性兩類試驗，外特性試驗是首先完成的試驗，確認進氣歧管對應的發動機功率、扭矩的性能水平，來評判發動機功率和扭矩是否滿足目標要求。圖31所示為發動機外特性試驗結果。

圖31 外特性試驗結果

4.3 發動機萬有特性試驗

萬有特性油耗試驗結果如圖32所示。

圖32 萬有特性油耗試驗結果

發動機萬有特性試驗是發動機全MAP測試，可以體現發動機油耗水平以及關鍵油耗區域。該款可變進氣歧管油耗測試顯示，最大油耗降低5%，關鍵油耗區域油耗率降低幅度在3%左右。圖32所示為發動機萬有特性油耗MAP圖。萬有特性最低油耗率為242 g/(kW·h)，滿足最低油耗目標要求。

5 結論

通過上述設計、CAE分析、零部件試驗、發動機試驗全過程展示，說明了可變進氣歧管設計開發流程和相應的標準。既有理論分析論證，又有設計經驗的展示，同時進行了有力的實驗驗證過程，充分展示了可變進氣歧管技術開發的全程規范化工作，也充分說明了開展一款優秀進氣歧管設計開發的完善的工作內容和工作方法。