电喷发动机进气管的同步设计与开发

电喷发动机进气管的同步设计与开发

1发动机进气管的设计进气管是电动汽车与汽油机之间最大的元件之一。电喷发动机因进气管中只有空气流过,所以在进行进气管结构设计时,应充分考虑进气管的动态效应(惯性效应和波动效应)以提高充气效率,此外还要考虑进气均匀性。进气系统与发动机进行良好的动态匹配,使发动机的扭矩特性可在较宽广的转速范围内有较大的提高。在实际应用中,有按特定转速区域,利用进气时的惯性效应和波动效应设计的具有特定长度的进气管,也有可变长度的进气管。实践证明,这些设计改善了进气性能,提高了发动机的动力性,降低了油耗。为了使EQ486i、EQ491i进气管的开发达到高效率、高质量、低成本、低风险,开发工作采用同步过程进行:(1)利用GT-POWER软件模拟发动机工作过程,通过优化计算,获取进气管基本结构参数;(2)利用Pro/E三维设计软件设计进气管三维实体模型;(3)利用快速原型制造技术,按三维实体模型的输出数据制作原型样件;(4)利用原型样件进行发动机热机试验,考核各项性能指标;(5)利用选定的设计方案进行试制、试验,完成定型。2开发准备过程2.1进气管结构优化计算通过发动机工作过程仿真计算,分析不同进气歧管长度对发动机扭矩点转速的影响来确定与目标扭矩点转速相对应的进气歧管长度,同时考虑稳压腔容积对发动机扭矩特性的影响。本文利用GT-POWER软件模拟发动机的工作过程,该软件以一维流体力学为基础,充分考虑燃料的多种热力学性质,用有限体积法进行数值计算,并且能够处理一些结构因素(如分歧、合流、弯曲等部分)对流动的影响。以发动机各缸充气效率和进气均匀性为考核目标,对进气管结构进行优化计算。在进气歧管的结构参数中,决定波动效应对进气影响的主要结构参数是进气歧管的长度。为确保利用波动效应,应尽量保证足够大的稳压腔容积。进气管主要参数对发动机进气性能的影响归纳为:(1)进气管进气口直径,决定总进气量,根据节气门直径确定。(2)进气歧管直径,决定各缸的进气量,根据进气道入口直径确定。(3)进气歧管长度,影响动态效应的作用。在进气管优化计算中,将其作为目标参数进行优化。(4)稳压腔容积,影响波动(谐振)效应。合适的稳压腔容积不仅可以利用波动效应提高充气效率,而且可以使稳压腔内的压力环境相对稳定,为利用动态效应提供良好条件,同时消除各缸进气互相干扰,提高进气均匀性。(5)进气口方向,影响进气均匀性。通过对各种因素的分析,确定进气管优化计算的优化目标参数为进气歧管长度和稳压腔等效直径。2.1.1进气管统一结构的设计电喷发动机的进气系统主要由空气滤清器、节气门、稳压腔、进气歧管和气门组成。软件中没有现成的空气滤清器模型,这里将其作为管子元件处理,空气滤清器的流量损失通过定义空滤器和过桥管的孔连接件中的正向流量系数和反向流量系数实现。进气管模型用软件提供的元件构建,如图1所示,进气管稳压腔用四个直角分流器(inman1～4)构建,四个歧管则分别用管子元件(inrun1～4)构建。由于稳压腔等效直径和进气管歧管长度为优化计算的目标参数,所以在定义直角分流器(inman1～4)和管子与元件(inrun1～4)的模型参数时,将直角分流器(inman1～4)直径设定为可变参数,参数代号为:Dman,将管子元件(inrun1～4)的长度设定为可变参数,参数代号为:Lrun。在对发动机工作过程进行模拟计算之前,需要定义发动机的工况、结果输出,以及对可变参数(Dman、Lrun)赋值。根据实际需要设定发动机不同的工况,如油门全开时不同的转速工况等。输出结果可设定为能直接反应进气管性能的充气效率和各缸进气均匀性等,以及反应进气管内部气体波动情况的稳压腔、歧管压力曲线等,这些结果都将成为评定进气管设计性能的依据。2.1.2计算结果对比图2为EQ486i汽油机和EQ491i汽油机的工作过程模拟计算结果与试验数据的对比。由图可见,计算误差都在7%以下,而多数工况下的计算误差不超过5%,模拟计算的充气效率结果与试验结果变化规律基本一致,软件模拟计算误差在工程允许范围之内。2.1.3中小型高速区透气性能各因素分析由图3可知,Lrun=200mm时,最大充气效率点出现在5500r/min,曲线比较平滑,但在多数转速下充气效率比400mm时小。Lrun=400mm时,最大充气效率点出现在4500r/min,3000r/min以上均保持较高水平,低速区也不明显低于其它歧管长度下的充气效率。Lrun=600mm时,最大充气效率点出现在4000r/min,最大充气效率绝对值最高,但高速区充气效率下降较多。通过分析可以判断Lrun=400mm时的充气效率曲线为最优。从图4中曲线可以看出:当中、低速时(≤3000r/min),Dman对充气效率影响明显,转速为1500r/min时,Dman=100mm充气效率明显较高,而在2000r/min附近随稳压腔容积增大,充气效率又下降。在中高速区Dman对充气效率影响变小,尤其是高速区充气效率无明显变化,差值不大。所以在进气管结构紧凑的前提下,可以根据实际设计状况将稳压腔直径取在Φ70mm左右。2.2严格控制进气管结构在利用Pro/E软件进行进气管设计时,设计平台是发动机总成,甚至包括整车边界,可保证进气管结构紧凑、合理,避免干涉。进气管三维实体模型是全参数模型,模型中包含了进气管的所有数据信息,在设计过程中,可以利用软件的分析功能分析进气歧管的空间长度和稳压腔的容积,不但可以精确保证这两项设计要素,而且可以使进气管的外形结构更加合理。2.2.1设计的外观分析进气管结构,可将进气管分为以下四个部分:进气管与缸盖连接法兰,进气歧管,稳压腔,附属结构。进气管设计造型过程如图5所示。2.2.2进气管结构方案稳压腔进气口有多种方案。对于小排量电喷发动机,通常采用轴向进气,进气方向与各歧管进气方向垂直,对于大排量发动机,通常采用径向进气(假设稳压腔为圆柱体),进气方向与各歧管进气方向平行,还要考虑整车或发动机布置要求。为确定稳压腔进气口结构,对多种方案进行比较,通过试验确定。图6为四种不同进气方案的进气管,它们结构有所不同,但Lrun、Dman相同。图6a为福特电喷发动机进气管,采用轴向进气,歧管进气口方向与稳压腔进气口方向垂直。图6b为水平长稳压腔方案,径向进气,进气口位于稳压腔长度方向中部,进气口方向与歧管进气口方向相同,气体进入稳压腔后直吹2、3歧管进气口,为减小因气流直吹2、3歧管口而造成的对各缸进气均匀性的影响,将2、3歧管进气口的距离加大,使稳压腔进气口和歧管进气口没有重叠面积。图6c为垂直方案,径向进气,将进气口布置在稳压腔顶部,通过弯管水平接出。歧管进气口方向也与稳压腔进气口方向垂直。图6d为水平短稳压腔方案,径向进气,短稳压腔结构,四个歧管靠在一起,间距极小。为减小稳压腔进气口和歧管进气口的重叠面积,将稳压腔进气口上移至与稳压腔顶部相切。同时,为减小气流直吹2、3歧管进气口,加大稳压腔的宽度,使稳压腔进气口和歧管进气口间的距离增大,加大气流散发空间。2.3重组结构的速度成型采用先进的快速原型制造技术(rapidprototyping简称RP技术)制作进气管样件,其基本成形原理为“分层制造,逐层叠加”,可以在不使用任何刀具、模具、及工装卡具的情况下,快速、直接地制造任意复杂形状的实体样件。这样不仅可以在短时间内完成多种方案的进气管样件制作,而且大大降低了试制费用,同时可以保证进气管结构与设计相符,误差仅为0.2mm。图7为RP工作流程。将Pro/E软件中进气管数据模型转化为STL数据格式,STL文件是CAD软件与快速原型切片软件的接口数据软件,其格式是对实体模型进行表面三角处理,用三角形逼近模型曲面,一个曲面中的三角形(元素)越多,精度越高,在Pro/E软件中,STL的精度是以三角形面对曲面间的最大弦高(chordheight)表示,建议值取0.1～0.01之间,如果STL精度不够,成型实体的表面会有明显的三角形特征,若精度超过成型精度则没有实际意义,而且会造成STL文件过大,数据处理困难。将转化完成的STL文件输入到快速原型设备中用切片软件进行模型切片,快速成型机按照软件中每一切片的形状固化一层ABS材料,每一层的叠加即可完成实物样件,然后进行后期固化处理(见图8)。利用激光烧结法制作快速原型样件,单件进气管约需六天。2.4不同模型条件下分离出不同负荷时的通气均匀性偏差为验证进气管稳压腔进气口位置及方向对发动机性能的影响,对每一种结构的进气管进行热机试验。采用空燃比分析仪测试各缸过量空气系数λ。图9为福特方案、水平长稳压腔方案、垂直方案分别在2000r/min、3500r/min、5000r/min转速下不同负荷时的进气均匀性偏差曲线。由于水平短稳压腔方案采集数据点与上述三种方案不同,进气均匀性偏差曲线在图10中给出。福特OHC420i发动机进气管作为成熟产品,经试验验证其各缸进气均匀性满足设计要求,所以在考核其它各种方案时将福特方案进气管进气均匀性偏差作为评判标准。从2000r/min进气均匀性偏差曲线中可看出:垂直进气方案进气均匀性偏差曲线与福特方案偏差曲线交错,在10%、50%、100%负荷时高于福特方案,但偏差不超过8%,在40%、80%负荷时偏差小于福特方案。水平进气方案(长稳压腔)进气均匀性偏差在所有负荷范围内小于福特方案,均匀性偏差最大不超过5.5%。从3500r/min进气均匀性偏差曲线中可看出:由于转速升高,三种方案的进气均匀性都保持在较好水平,最大均匀性偏差也不超过4.5%。在此转速下,垂直进气方案除在60%负荷时偏差小于福特方案,其它负荷范围内均高于福特方案。水平进气方案(长稳压腔)方案均匀性偏差最高不超过3.5%,与福特方案相近。从5000r/min进气均匀性偏差曲线中可看出:三种方案进气均匀性偏差在低负荷时最高,数值基本相同,在7%附近,但不超过7%。垂直进气方案均匀性偏差除在40%负荷时比福特方案高外,其余负荷范围内均低于福特方案。水平长稳压腔方案均匀性偏差在中小负荷(10%、40%、60%)时高于福特方案,在高负荷时(90%、100%)低于福特方案。从图10中可以看出:2000r/min时,均匀性偏差值最高,但不超过6%,3600r/min时均匀性偏差值最高不超过4.5%,在高负荷时不高于3%,转速在4000r/min以上时,进气均匀性偏差不超过3%。从上述数据分析可以得出:与福特方案进气管相比,其余三种方案进气管在不同转速、不同负荷时的进气均匀性偏差均满足设计要求,这说明进气均匀也正是电喷发动机进气管的特点。考虑到空间布置与工艺性,EQ491i采用图6b方案,EQ486i采用图6d方案。3高效的进气管结构设计(1)以EQ491i、EQ486i进气管设计与开发为