前置后驱车型用自然吸气发动机塑料进气歧管开发

刘锡鑫，马江涛，胡志刚，刘玉明，于荣枫



前置后驱车型用自然吸气发动机塑料进气歧管开发

刘锡鑫，马江涛，胡志刚，刘玉明，于荣枫

（哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心，黑龙江 哈尔滨 150066）

文章以某前置后驱车型自然吸气发动机用塑料进气歧管的开发为例，叙述了前置后驱车型用进气歧管的结构特性。应用发动机一维性能仿真（AVL-BOOST）优化进气歧管参数（气道长度）、应用Hypermesh进行有限元分析的前处理，CFD仿真（AVL-FIRE）模拟进气歧管的流动特性，得到满足兼顾低速扭矩与最大功率的进气歧管结构。通过试验验证，新开发的进气歧管性能满足开发目标，性能曲线与仿真结果趋势相同。通过文章的研究，可指导前置后驱车型自然吸气发动机用塑料进气歧管的开发工作。

前置后驱；塑料进气歧管；BOOST；FIRE

引言

中国汽车市场正在向中、小城市发展，MPV以其多功能性在中、小城市占有很大的市场份额，而MPV车型中发动机的布置形式大部分为前置后驱。前置后驱车型用进气歧管受到发动机布置形式的限制，与传统的前置前驱布置形式有很大不同。

本文主要详述了前置后驱发动机进气系统中最关键零部件进气歧管的开发过程，借助发动机一维性能仿真软件AVL-BOOST，从理论上确定进气歧管的设计参数；然后借助三维软件CATIA，根据前置后驱发动机的布置形式及设计参数设计概念模型；最后利用CFD软件AVL-FIRE对进气歧管内气道进行流体分析，确定流场内无异常的流动和壁面分离现象，进气均匀性为0.33%。制作了快速样件，在发动机台架上做性能试验，确认用上述理论方法得到的进气歧管性能符合要求，仿真结果与试验结果一致性较高。

1 发动机一维性能仿真

AVL-BOOST软件用一维动力学为基础，采用有限体积法进行数值计算，有限体积法是将计算区域划分为有限个体积，体积中心为计算节点，通过对有限个体积的逐一积分导出偏微分方程的离散方案。有限体积法基本思想如图1所示，通过t时刻的状态值和相关截面的数值通量，可求出t+△t时刻的状态值。其中关键为求出时间步长t中点时的关于质量、动量和能量的截面数值通量。

图1 有限体积法基本思想

有限体积法常用于分析气体在管路中的一维非定常流动，将管路定义为多个体积单元。对于每个体积单元，质量、动量和能量方程如下：

利用发动机一维仿真模拟软件AVL-BOOST建立发动机数学模型，模型的重要参数与发动机实际情况相一致，建立的模型如图2所示：

发动机的排量的为1.6L，稳压腔容积为排量的0.8倍~1.2倍[1]，所以先假设为1.2L，气道截面变化参照前置前驱机型。进气歧管的设计参照只剩下气道长度，而且进气歧管气道长度是影响发动机性能的关键项目，将进气歧管气道长度作为变量，主要研究进气歧管长度分别为400mm、420mm、440mm时对发动机性能的影响，参照图3。

从图3可以看出，随着气道长度的增加，发动机低速时的扭矩提升，最大功率下降。此项目发动机的开发目标是尽量兼顾低速扭矩，最大扭矩大于150Nm，最大功率大于80Kw。只有进气歧管气道长度为420mm能满足开发目标，兼顾扭矩与功率，所以进气歧管气道长度为420mm。

图3 进气歧管长度对发动机性能的影响

2 进气歧管结构设计

发动机在前置后驱车型上从车前方看为左边为排气系统，右边为进气系统。空滤普遍布置在整车的右侧，空滤软管从发动机摇臂室罩壳上端绕过连接到进气歧管总进气口，参照图4，前置后驱车型发动机用进气歧管总进气口需布置在进气歧管上端。同时考虑到满足进气歧管气道长度为420mm，而且需满足与整车边界（整车碳罐、蓄电池等）间隙大于20mm、与发动机设计边界（发电机、起动机等）的间隙大于10mm，进气歧管需设计成蜗牛形状，参照图5。

图4 前置后驱发动机布置形式

图5 进气歧管结构示意

3 CFD流体动力学仿真分析

根据初步设计的进气歧管内气道模型，对进气歧管机型三维CFD仿真计算，确认进气歧管的进气均匀性，判断流场内是否有异常流动和避免分离问题，优化进气歧管内气道结构。本次分析应用Hypermesh与AVL-FIRE软件完成，利用Hypermesh强大的网格划分功能完成六面体网格的划分，提高计算精度，共划分为485466个网格，参照图6。将Hypermesh划分后的网格导入到AVL-FIRE软件内进行仿真分析，计算当边界条件为进气歧管总进气口与出气口压力差为2500Kpa时，进气歧管内气道的流场特性，进气歧管速度场与压力场参照图7、图8（进气歧管气道为对称结构，仅分析两个气道）。进气歧管不均匀性仿真结果参照表1。

图6 进气歧管内气道网格划分

图7 进气歧管速度场

图8 进气歧管压力场

表1 进气均匀性计算结果

CFD仿真计算结果显示，在设定的分析条件下，气道平均流量系数为0.867396，流量系数均衡性为±0.33%，满足流量均匀性不大于±2.5%的要求，而且流畅内无异常的流动和避免分离现象，满足塑料进气歧管的设计要求。

4 试验验证

利用快速成型工艺制作塑料进气歧管的手工件，装配到发动机上，利用AVL发动机性能台架测试发动机搭载塑料进气歧管手工件后的性能指标，测试发动机性能时需联合匹配标定工程师对发动机进行重新标定，试验搭载情况见图9。

图9 进气歧管手工件试验

性能试验结果与仿真结果对比见图10，进气歧管扭矩与功率试验结果与仿真结果变化趋势相同，最大误差为5Nm，满足进气歧管开发目标。

图10 试验数据对比

5 结论

前置后驱车型用发动机进气歧管的进气口布置在进气歧管上端，为减小进气歧管的体积，采用蜗牛形状结构，为后续前置后驱车新用进气歧管做设计参考。

应用AVL-BOOST、Hypermesh、AVL-FIRE确定进气歧管的设计参数与流体特性，数模建立准确的前提下，可指导进气歧管的设计工作，减小工程师的工作量，是进气歧管设计不可缺少的工具。

试验验证，搭载进气歧管手工件的发动机性能与仿真分析的发动机性能趋势相同，最大误差为5Nm，进气歧管满足设计开发目标。

[1] 崔怡,高莹,李君,杨思.进气歧管结构对进气不均匀性影响的仿真研究,2009（4）:37-40.

[2] 达道安.真空设计手册[M.北京:国防工业出版社,2004,6.

[3] 王伟,邓涛.橡胶Mooney-Rivlin模型中材料常数的确定[J].特种橡胶制品,2004（8）:8-10．

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

[5] 曹金凤,石亦平.ABAQUS有限元分析常见问题解答[M].北京:机械工业出版社,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

刘锡鑫，就职于哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.027