進氣歧管的曲通出氣結構對發動機進氣流量的研究

閔 熳 張亞洲 宋志輝

(1.寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司,寧波 315336;2.浙江吉利動力總成有限公司,寧波 315800)

0 前言

進氣歧管是發動機的關鍵零部件之一,它的作用主要是將空氣均勻地分配到各缸進氣道中。進氣歧管的結構直接影響發動機各缸內的進氣量及進氣的均勻性。為滿足日益嚴苛的排放法規,現代轎車的發動機都采用強制曲軸箱通風(PCV)系統。在部分負荷工況時,節氣門半開,進氣歧管內負壓較大,此時PCV閥導通,曲軸箱竄氣經部分負荷油氣分離器進行油氣分離后通過PCV閥和曲軸強制通風管進入進氣歧管,再重新進入各缸內燃燒[1]。為保證曲軸箱廢氣的均勻性,在進氣歧管上設計單獨的曲通出氣結構,如圖1所示。

圖1 某機型進氣歧管上曲通出氣結構

1 臺架發動機性能不足問題

1.1 進氣歧管結構比較

某機型在進行發動機臺架標定驗證時發現發動機性能低于開發目標,對比臺架標定開發時發動機搭載的零部件狀態,發現只有進氣歧管狀態不一致,具體差異表現為曲通出氣結構及穩壓腔避讓坑不一致,如圖2所示。

圖2 2種進氣歧管的差異

1.2 進氣歧管多方位比較

為驗證2種進氣歧管的差異,進行多方驗證對比：

(1)內腔對比,對內腔進行點云掃描對比(不包含曲通出氣結構),如圖3所示。圖3中,D x、D y、D z分別表示X、Y、Z3個方向的偏差,D表示3個方向偏差的矢量和。當D x＞0.5 mm、D y＞0.5 mm或D z＞0.5 mm時,判斷該擬合點為存在明顯差異的點,從各點掃描結果來看,A002、A019工況點存在明顯差異,主要表現在穩壓腔1缸避讓坑處。

(2)穩態CFD對比,控制邊界條件一致,均為入口總壓力0、出口靜態壓力-0.002 5 MPa,且出口拉伸40 mm。因上述內腔點云掃描結果主要差異點在內腔1缸避讓坑處,故以此處對比1缸。1缸流線分布如圖4所示。對比流線分布顏色可以看出,兩者無明顯差異。

圖3 A型進氣歧管與B型進氣歧管內腔點云掃描擬合圖

各缸流量系數計算結果如表1所列,2種進氣歧管均滿足各缸均勻性要求(±2%以內),且流量系數差異最大為-0.43%,可認為A、B 2種進氣歧管穩壓腔一致,即B進氣歧管的內腔避讓坑對進氣流量系數并無影響。

(3)瞬態計算流體力學(CFD)對比,控制邊界條件一致,模擬工況為發動機轉速2 000 r/min,平均有效壓力(BMEP)為0.2 MPa,曲通入口的常質量流量設定為2.494×10-5kg/s。2種進氣歧管瞬態CFD分析結果見圖5。圖5為1個循環內各缸的曲通流量曲線,結果顯示2種進氣歧管曲通氣體主要分布在3缸和4缸。平均燃油偏差結果見表2,表2顯示出2種進氣歧管的平均燃油耗均不符合要求(＜2%),但B歧管平均燃油量偏差表現相較A歧管較好。理的曲通出氣結構影響了進氣歧管的進氣流量,從而進一步影響發動機性能表現。結合穩態CFD及瞬態CFD分析結果,B型進氣歧管曲通出氣結構的氣流與進氣歧管主進氣氣流方向垂直,即2個氣流方向產生干涉,進而影響進氣流量。為驗證B型進氣歧管曲通出氣結構對進氣流量的影響,進行了下氣道試驗。

圖4 2種進氣歧管流速分布圖比較

表1 各缸穩態CFD分析結果

圖5 2種進氣歧管在1個循環內各缸的曲通流量曲線

表2 各缸瞬態CFD分析結果

首先封堵B型進氣歧管的曲通出氣結構的2個出口,并與A型進氣歧管氣道試驗進行對比,試驗過程控制環境溫度及濕度不變,采用定壓差測流量的方法,分別測試0.001 MPa、0.002 5 MPa、0.004 MPa、0.005 MPa、0.006 MPa壓差下的流量,如圖6所示。

(4)氣道試驗對比,氣道試驗在內燃機氣道穩流試驗臺臺架上進行,試驗過程中保持環境溫度、濕度一致,采用定壓差測流量的測試方法,分別測試0.001 MPa、0.0025 MPa、0.004 MPa、0.005 MPa、0.006 MPa壓差下的流量,并換算成流量系數,結果如表3所示,A進氣歧管各壓差下的進氣流量均優于B進氣歧管,最高差異率為3.98%,即在相同邊界條件下,A進氣歧管平均進氣量較B進氣歧管多,因此采用A進氣歧管進入發動機的混合氣較多,進而會影響發動機性能(表4)。

圖6 封堵曲通出氣結構的B型進氣歧管

2 優化方向

從上述分析及氣道試驗結果來看,進氣歧管不合

試驗結果可以看出,封堵曲通出氣結構出口后,B型進氣歧管與A型進氣歧管流量系數最大偏差為1.67%,滿足±2%產品偏差范圍,可認為兩者屬于同一款產品。

從上述驗證可以看出,B型進氣歧管進氣流量低主要是曲通出氣結構所致。在后續進氣歧管產品曲通出氣結構設計時,需關注出氣的氣流方向,同時,需考慮曲通廢氣進入各缸的均勻性。

表3 氣道試驗結果(優化前)

表4 氣道試驗結果(優化后)

3 結束語

本文通過結合進氣歧管CFD分析及氣道試驗驗證可以看出,進氣歧管穩態CFD及瞬態CFD分析并不能真實地反映進氣歧管樣件的氣流分布情況,CFD分析僅能作為優化參考方向,實際氣流分布情況需以氣道試驗驗證為準,進而指出了進氣歧管曲通出氣結構對發動機進氣流量的影響。后續進氣歧管曲通出氣結構的設計需同步考慮以下幾點：

(1)需考慮曲通廢氣氣流方向與進氣歧管主通道氣流方向的角度;

(2)需考慮曲通廢氣的各缸均勻性,并輔以瞬態CFD分析進行設計優化;

(3)進氣歧管曲通出氣結構設計完后,需同步進行CFD分析及氣道試驗驗證,最終以氣道試驗結果為準。