某汽油机进气歧管的优化设计

周波，雷蕾，王强，陈庚，赵真真

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

内燃机充量系数是衡量发动机性能的重要指标，而对于自然吸气发动机，提高充量系数方式主要有：降低进排气系统流动阻力、采用可变配气系统技术、合理利用进气谐振、减少对进气充量的加热。充量系数越高，发动机动力性越强。而进气歧管长度和直径对整个转速的动力性影响不均衡，进气管长度的增加或管径的减小，可使充量系数的峰值向发动机低速一侧移动，反之则向高速移动。为此，本文从进气歧管结构出发，通过AVL-BOOST模拟软件搭建分析模型，采用多因素优化计算法寻找某汽油机外特性下额定工况的最优动力性结果，同时保证其他工况动力性不降低。这可以为发动机进气歧管的设计提供一定的指导意义[1-4]。

1 分析模型

采用AVL_BOOST一维发动机性能分析软件搭建仿真分析模型，如图1所示。

本文依据台架试验数据对模型进行标定，标定结果如图2所示，进排气边界、动力性和经济性指标的标定值与试验值误差控制在 3%以内，标定结果验证了模型搭建的准确性和可靠性，为下一步优化分析奠定了基础。

2 优化设计分析

2.1 变量设计

优化分析采用AVL_BOOST自带多因素优化计算（DoE）分析模块，分析进气歧管长度、歧管入口直径、进气 VVT角、排气 VVT角四个因素下额定工况的最佳动力性。优化结构与整车匹配布置相结合，优化分析设计时保证进气歧管出口直径固定不变，变量上下限值结合实际设置，优化设计变量设置如表1所示。

图1 BOOST分析模型

图2 模型标定结果

表1 优化设计变量

2.2 结果分析

经过分析得到进气歧管长度、歧管入口直径、进气VVT角、排气VVT角对目标值的影响规律，如下图 3所示，图中圆圈颜色和大小代表不同分析结果。

图3 优化设计结果

从优化结果得出，该工况下进气歧管长度与直径组合对目标值贡献存在线性关系，即小直径+小长度和大直径+大长度都会有较优的目标值，数值接近；对应最优目标值时，进排气VVT角在实际控制范围。

考虑整车布置，最终确定进气歧管结构尺寸为：进气歧管长度为（原长度+70）mm、入口直径为（原直径+11）mm、进气VVT角为-13°，排气VVT角为30°。

3 弯曲设计

在内燃机进气流动中，由于进气的管道壁面较光滑，其沿程压力损失并不大，进气流动的局部压力损失是影响进气损失的主要原因，因此，降低局部压力损失对提高充量系数有明显作用[1]。确定进气歧管长度和直径后，为了使进气损失尽可能小，歧管弯曲设计尽可能圆滑过度，三维设计效果如下图4所示。

图4 弯曲设计图

4 优化前后对比

优化结构与实际整车布置相适应，对比原进气歧管和优化进气歧管外特性下的动力性，结果如图5所示。从对比结果可以看出，优化后额定工况的净功率提升4kW，同时外特性下其他转速的动力性得到了保持。

图5 优化前后动力性对比

5 结论

（1）与原进气歧管相比，优化后的进气歧管不仅提升了外特性下额定工况的净功率4kW，还保证了其他工况的动力性不降低，进一步弥补了发动机高速、低俗性能的不足；

（2）CAE优化分析为实际开发设计提供指导，提高了设计效率，同时缩短了开发周期。