基于CFD分析的某发动机进气歧管结构优化

龙彪，陈良，黄英铭，朱晨虹，占文锋，邵发科

(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州 511434)

0 引言

进气歧管作为发动机进气系统的关键零部件，具有将新鲜空气分配到各个缸盖进气道的重要作用，其布置形式和流通结构对进气阻力、进气均匀性和缸内混合气运动有着很大的影响，进而影响发动机的动力性、经济性和排放特性[1-3]。随着大众对车辆舒适性的要求越来越高，整车对发动机的NVH(Noise Vibration Harshness)性能要求也越来越严格。设计合理的进气歧管不仅具有较低的流动噪声，还可以使发动机各缸输出更加均匀，改善发动机乃至整车的NVH性能，因此，进气歧管的设计已成为保证发动机动力性、经济性、排放特性和NVH性能的关键技术之一。

进气歧管的布置形式通常受发动机整机布置限制，因此，要使进气歧管获得良好的流通性能和进气均匀性，其结构设计变得十分关键。目前常采用CAD/CFD相结合的设计方法，先利用CAD(Computer Aided Design)软件建立进气歧管三维模型，再通过CFD(Computational Fluid Dynamics)软件分析模型内部流动，进而对不合理的结构进行改进，以获得进气阻力低、流通性能好且进气均匀性好的进气歧管。该方法效率高，可有效缩短进气歧管产品开发周期和降低产品开发费用[4-5]。

1 模型建立

1.1 实体模型

对于进气歧管三维CFD分析，大量学者都只针对进气歧管结构本身进行流动分析，很少考虑进气歧管前节气门对进气歧管内部流动的影响和进气歧管与缸盖气道相配合的效果。因此，文中将结合节气门与缸盖气道对进气歧管内部结构进行分析和设计优化。图1为某发动机进气歧管、节气门和缸盖气道内腔三维数模，为了避免在模型的进出口边界出现回流情况，在进出口处进行延伸。p1、p2、p3、p4分别表示节气门前、进气歧管入口、缸盖气道入口和缸盖气道出口截面总压。计算过程中，当分析某一缸进气流动时，其他3个缸盖气道可省略，以减少计算内存、缩短计算时间。

图1 三维模型

1.2 网格划分

在CAD软件中将节气门体、进气歧管、缸盖气道进行装配，而后提取内腔，利用CFD分析软件提供的前处理工具对模型进行网格划分，生成以六面体为主的混合网格。考虑到近壁面边界层影响，对近壁面网格进行加密，边界层采用3层网格。单个气道模型的网格数约为53万，主体网格尺寸为2 mm。

1.3 求解参数设置

计算工况采用额定工况，稳态计算，节气门全开，流动为可压缩黏性湍流流动，空气采用理想气体状态方程，湍流模型选择Realizableκ-εTwo-Layer模型，壁面函数采用Two-Layer ALL y+ Wall Treatment。残差小于0.000 1，认为计算收敛。

1.4 边界设置

进气歧管稳态CFD计算有两种评价方法：方法一为压损及压损差异性评价方法，进、出口分别采用压力、质量流量边界；方法二为质量流量和进气不均匀度评价方法，进、出口都采用压力边界。两种方法原理类似，追求较小的压损就对应着较大的质量流量，但进、出口压损变化较大时，流动区域内总的进气压力(进气密度)和流速变化不大，所以质量流量变化不大。因此，相对来说，压损对不同流通结构的差异性反映更为敏感，但质量流量能够直观地展示进气量，更方便评价所设计的产品能否满足实际需求。因此，在计算分析及设计优化过程中，先采用方法一优化结构取得较优的压损，然后采用方法二进行验证，综合两种评价结果确定最终数据并制作样件，最后通过试验进行确认。边界根据一维仿真结果设置，具体如下：

入口边界：滞止入口，设置总压；

方法一出口边界：质量流量出口，设置质量流量值；

方法二出口边界：压力出口，将用方法一计算所得出口压力均值设置为出口压力。

计算时一个支管出口打开，其他3个支管出口关闭(即设置为壁面边界)，共计算4个工况。

1.5 评价指标

压损差异性εp:

进气不均匀度σmax[6]:

式中：pi和pm分别代表第i缸压损和平均压损；Qmax、Qmin和Qm分别代表各缸中的最大质量流量、最小质量流量和各缸平均质量流量。

2 计算结果分析

如前所述，先采用方法一对进气歧管的结构流通性能进行分析，结果如图2所示。2缸和3缸的总体压损和歧管压损都明显高于1缸和4缸，进气歧管压损差异性比总体压损差异性还大，说明压损差异性主要是由于进气歧管进气不均匀造成的。歧管压损差异性更大也表明，进气歧管造成的进气不均匀性还需要缸盖气道进行补偿，说明进气歧管的结构需要优化以改善与缸盖气道配合。

图2 原始模型压损及压损差异性

从图3(对称结构展示1缸和2缸)所示总压分布来看，造成进气歧管压损的部位主要在稳压腔与歧管气道入口连接处，这对于各缸来说都是一致的。

图3 原始模型1缸和2缸表面总压分布

图4所示流线图清晰地表明，由于歧管稳压腔入口距离两侧歧管气道入口较远，且由于稳压腔的圆弧结构对气流起到了很好的引导作用，1缸和4缸气流较为顺畅。反观2缸和3缸，由于受空间布置限制，歧管稳压腔入口距离中间两个歧管气道入口距离很短，且由于节气门的导流作用，稳压腔没有起到很好的稳流效果，气流撞击稳压腔壁面产生了流动分离，在稳压腔内形成了较大的涡流，增加了流动损失。这也是图2中2缸和3缸压损明显比1缸和4缸压损大很多的原因。

图4 原始模型1缸和2缸流线分布

3 结构优化及结果分析

根据仿真结果分析，对进气歧管结构进行优化，优化方向为在保证1缸和4缸压损不增加的前提下降低2缸和3缸的压损。如图5所示，歧管气道采用变截面结构，增大歧管气道入口与稳压腔的流动截面积，并在稳压腔内1缸与2缸气道之间以及3缸与4缸气道之间增加导流板。

图5 优化前后进气歧管结构对比

优化后计算结果如图6所示，优化后总体压损差异性大幅降低，这主要得益于歧管压损差异性大幅降低，且歧管压损差异性和总体压损差异性相近，说明改进后的进气歧管结构与缸盖气道配合合理。优化后1缸和4缸总体压损和歧管压损没有增加，2缸和3缸总体压损和歧管压损降低到与1缸和4缸相近，说明结构改进之后有效改善了中间两缸的进气流动，使整体进气均匀性提高。优化前、后的结果表明，进气歧管结构设计的好坏对其流通性能和进气均匀性具有重要的影响。

图6 优化前后压损和压损差异性对比

优化完成后，采用方法二对进气歧管的流通性能进行验证，结果表明优化后的进气量和进气不均匀度在合格范围以内。采用优化后的方案制作样件并开展试验，气道稳流试验台测得的进气不均匀度比仿真结果高0.52%，偏差较小。这是由于样件制作及装配不可避免会产生偏差，但实际产品进气不均匀度仍然在合格范围内，这也验证了仿真结果的准确性和有效性。此外，发动机外特性试验结果表明，所设计的进气歧管满足发动机最大进气量、最大功率和扭矩的要求。

4 结论

利用CAD/CFD相结合的手段对某发动机进气歧管产品开发开展了结构设计和优化工作，结果表明：结构优化后的进气歧管具有良好的进气均匀性，满足发动机最大进气量、最大功率和扭矩的要求；进气歧管的进气均匀性对发动机整体进气均匀性具有关键作用；进气歧管空间布置受限的情况下，通过合理的结构设计也可以获得较好的流通性能和进气均匀性。

参考文献:

[1]陈家瑞.汽车构造(上册)[M].北京:机械工业出版社,2009:190-193.

[2]李军,武磊,向璐.基于star-ccm+进气歧管的稳态CFD分析[J].湘潭大学自然科学学报,2015(2):97-101.

LI J,WU L,XIANG L.Based on star-ccm+Steady CFD Analysis of the Intake Manifold[J].Natural Science Journal of Xiangtan University,2015(2):97-101.

[3]宁珺,党丰玲,阳娜,等.进气歧管结构对气流动影响的数值模拟[J].汽车科技,2011(5)：32-36.

NING J,DANG F L,YANG N,et al.Effect of Parameters of Intake Manifold Structure on Characteristics of Intake Flow Based on Simulation[J].Auto Sci-Tech,2011(5):32-36.

[4]CHALET D,CHESSE P.Fluid Dynamic Modeling of Junctions in Internal Combustion Engine Inlet and Exhaust Systems[J].Journal of Thermal Science,2010(19):410-418.

[5]穆芳影,张超,王宏大，等.某发动机进气歧管CFD分析[J].汽车零部件,2015(6):50-52.

MU F Y,ZHANG C,WANG H D,et al.CFD Analysis for the Intake Manifold of an Engine[J].Automobile Parts,2015(6):50-52.

[6]黎宏苗,刘震涛,孙正，等.汽油机进气歧管数值计算方法研究[J].机电工程,2013(11):1340-1344.

LI H M,LIU Z T,SUN Z,et al.Numerical Computed Methods for Intake Manifolds in Gasoline Engine[J].Journal of Mechanical Engineering,2013(11):1340-1344.