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发动机中的气体流动十分复杂，并具有三维、不定常流动和流动湍流性强等特点。

进气系统的优劣在很大程度上影响了发动机的动力性、经济性和排放性等性能指针[4]。

发动机进气歧管的尺寸、形状和布置等对进气阻力、进气均匀性以及充气效率影响非常大，进而影响发动机的动力性、经济性和排放特性[5]。

在现代发动机的研发中，提供足够的新鲜空气对发动机的性能指标有着重要的影响，因而进气歧管的设计变得十分重要[6]。

1.2进气歧管综述

1.2.1进气歧管的功用

简单的来说，进气歧管是将燃油混合气送入发动机缸盖的一个组件，起到引导空气流向的作用。

同时也是其它管路和较小附件的一个支撑体[7]。

一般来说，进气歧管在发动机上的作用主要有三点：

（1）发动机动力性能。

进气歧管属于发动机里面一个非常重要的组件，它直接影响到发动机的性能。

当发动机处于大功率的时候，就要燃烧更多的燃油，当然也就需要更多的空气，而另外在怠速稳定时，又需要调节空气量来保证少量燃油的燃烧，从而满足燃油经济性要求，这些都是通过进气歧管的总成系统来调节的。

总之，进气歧管设计的好坏对发动机的输出功率和扭矩有着直接影响。

（2）发动机噪音。

汽车和发动机产生的噪音中，进排气系统传递的压力波占很大比例。

歧管的几何形状对于由压力波产生的频率和振幅有重要的作用。

歧管部分设计要削弱压力波的振幅和作用于特殊的频率成分。

保证能够获得理想的声谱的同时不会对能够提高发动机性能的波产生不利的影响。

（3）发动机的排放。

发动机进气歧管内的非稳态流动的流体对排放水平有重要的影响。

提高涡流比可使燃烧加速并且完全，其结果可导致缸内最高燃烧压力和温度的升高，从而使NOX的排放明显增加，若减少涡流强度虽然可以减少NOX的排放，但是势必牺牲汽油机的动力性和经济性。

因此合理组织进气涡流对发动机的性能和排放是很至关重要的。

另外，进气歧管还有一个促进EGR废气、曲轴箱通风系统混合气与空气的混合作用，保证进气的均匀。

而且对于非增压发动机，它还是一个真空源，为真空系统零件提供真空的作用[8,9]。

1.2.2进气歧管的总成结构以及组成

进气歧管是发动机最关键部件之一，其核心功能是与进气道一起为发动机各缸提供充足均匀的混合气，是影响发动机动力性和油耗的关键因素；

除此之外，进气歧管还为发动机电喷系统主要传感器和执行器提供结构支撑，喷油器、油轨、进气压力传感器、温度传感器、碳罐、节气门体、可变进气阀、怠速控制、刹车助力等均安装在进气歧管上，使得进气歧管结构很复杂[10]。

进气歧管的结构是根据发动机的类型、布置形式以及其他一些因素决定的，不同类型的发动机对进气歧管的要求不一样，所以其结构也是不同的。

根据现有的发动机的类型，分为以下两类介绍：

1.2.2.1汽油机进气歧管

汽油机进气歧管分为自然吸气式和增压式两类，如下图所示。

图1-1自然吸气式汽油机进气歧管

图1-2增压式汽油机进气歧管

1.2.2.2柴油机进气歧管

柴油机进气歧管也可分为两类：

一般柴油机的进气歧管和带有可变涡流控制系统的柴油机进气歧管。

图1-3一般柴油机的进气歧管

图1-4带有可变涡流控制系统的柴油机进气歧管

1.3发动机进气歧管的发展现状及趋势

1.3.1进气歧管发展现状

传统的进气歧管是铸件，目前大多数进气歧管为铝合金材料制成，由于进气歧管结构复杂，一般都采用金属模砂型铸造，其表面粗糙、充气阻力大、质量大；

另外为满足发动机进气和电喷系统安装要求，金属进气歧管设计制造工艺越来越复杂，成品率很难保证[11]。

随着欧Ⅳ排放标准的临近，新型发动机进气歧管要求配备电控可变进气阀等复杂的内部控制机构，金属进气歧管已很难满足未来进气歧管的发展要求。

为了达到减轻质量降低油耗、提高发动机性能和降低排放等要求，欧洲的汽车商率先采用尼龙制造进气歧管，随后美国、日本、韩国相继开发塑料进气歧管[12]。

塑料进气歧管的国产化进程大致可分为以下三个阶段：

第一阶段为全部引进阶段。

20世纪90年代初，随着一些合资汽车企业的成立，国外较先进的发动机产品生产线随着一些引进车型被引入国内。

在这一阶段，塑料进气歧管作为发动机的重要部件，其核心技术由外资方控制，进口成本很高。

第二阶段主要表现为一些外资企业直接在国内生产。

在此阶段，外资企业将其在国外的塑料进气歧管生产线及全套模具转入到国内，利用国内廉价的劳动力，为其在国内的合资厂提供配套的塑料进气歧管，而塑料进气歧管的设计研发工作仍在国外。

第三阶段，随着国内汽车制造技术的不断进步，一些国内企业开始了塑料进气歧管的研制和开发工作。

塑料进气歧管是一种高技术含量的产品，其中包含了很多发动机方面的关键技术。

但目前国内大多数的塑料进气歧管生产企业过去只是普通塑料制品的生产厂，他们大都不具备设计和生产发动机的技术能力，因此只能仿制一些已经过时的塑料进气歧管，他们的技术水平良莠不齐。

总体而言，目前国内生产的塑料进气歧管普遍存在技术水平低下、难以满足发动机的工作要求的问题[13,14]。

1.3.2塑料进气歧管的优势

塑料进气歧管在设计和制造上要求非常高，性能要求非常苛刻，目前只有少数几个国家掌握该项技术。

但是由于塑料进气歧管的成本较低，质量较轻等优点，国内的主机厂、配套制造方对这方面技术表示相当的关注，预测未来的中国市场在塑料进气歧管方面将有很大的发展空间[15]。

塑料进气歧管的优点：

（1）轻量化。

与铝制进气歧管相比，塑料进气歧管质量降低40％一60％。

（2）降低成本。

塑料材质的产品其成本低于铝质产品，生产方式采用注塑成型、振动摩擦焊接的工艺，具有成型工序少、提高生产效率、节省加工时间、降低装配时间的特点。

（3）塑料进气歧管的内表面非常光滑，气流阻力小，可提高充气效率，燃油可充分燃烧。

由于塑料进气歧管的导热性低于铝进气歧管，使气体受热膨胀率降低，提高了气体的密度，使气体进入燃烧室的温度降低，这不仅改善了热起动性，提高发动机的效率和扭矩，同时冷启动时可以一定程度避免管内热量散失，加快提高气体温度改善了发动机的性能，减少废气排放。

（4）降低噪声。

这是因为塑料进气歧管普遍采用的材料尼龙（PA）本身具有减振消声和耐磨性。

（5）设计自由度大。

1.3.3塑料进气歧管的材料及产品要求

发动机周边零部件的塑料化发展缓慢，是由于发动机周边环境条件的影响所致。

由于发动机工作时所产生的热经过辐射、传导、对流以及受大气环境影响，发动机周边的温差范围是-40～140℃。

特别是当汽车行驶过后停车的瞬间，其最高温度要在140℃以上。

因此，塑料进气歧管件一般必须符合下列要求[16]：

（1）耐高温，塑料进气歧管与发动机缸盖直接连接，发动机缸盖温度可达130～150℃。

因此，要求塑料进气歧管材料能承受180℃的高温。

（2）高强度，除了要承受道路上飞沙的冲击，塑料歧管安装在发动机上，要承受汽车发动机振动负荷、节气门和传感器惯性力负荷、进气压力脉动负荷等，还要保证在发动机发生异常回火时不被高压脉动压力爆破。

（3）尺寸稳定性，进气歧管与发动机的连接尺寸公差要求很严格，歧管上各传感器、执行器等安装也要很准确。

（4）化学稳定性，塑料进气歧管在工作时直接接触汽油和防冻冷却液，汽油是很强的溶剂，冷却液中的乙二醇也会对塑料性能产生影响。

因此，塑料进气歧管材料要耐各种介质的腐蚀，即汽油、柴油、润滑油、长效冷冻液、制动液、蓄电池液、洗涤液、油中的各种添加剂、醇类、高温水及融雪剂的侵蚀，化学稳定性要求很高，需要经过严格测试。

（5）热老化稳定性，汽车发动机处于很苛刻的环境温度下工作，工作温度在一30～130℃往复变化，塑料材质必须能保证歧管的长期可靠性。

（6）良好的熔融流动性、成型性能，因为这些部件大多采用注塑成型，有的部件结构非常复杂，因此树脂必须要有良好的流动性，否则难以成型。

目前普遍采用的材料为尼龙PA6或PA66加25％～35％的玻纤的增强塑料。

尼龙的特点是耐高温、化学稳定性好，缺点是收缩率比较大，因此需加玻纤，减小收缩率。

尼龙耐乙二醇的性能也不太好，内部含冷却水道的歧管材料需采用专用抗乙二醇尼龙配方。

尼龙的另一个缺点是吸水性太强，吸水后尼龙强度下降近40％。

塑料进气歧管材料一直在发展中，目前为止尼龙还是最佳选择[17]。

1.3.4塑料进气歧管制造工艺的选择

塑料进气歧管制造工艺主要有熔芯法、振动摩擦焊、热板焊。

最近还出现了高温诱导焊和热电阻焊。

（1）熔芯注塑技术是应用最早、最成熟的塑料进气歧管生产工艺。

其原理是：

用低熔点的锡合金制成进气歧管的内腔芯核，然后将其装配进模具中，再向模具内注入尼龙材料。

注塑过程完成后，由尼龙注塑而成的进气歧管的外型即将内腔芯核包复在内。

此时，将内部带有金属芯核的进气歧管放入熔化池内，以使金属芯核熔化。

由于金属芯核的熔点比较低（一般110℃），而尼龙的熔点相对较高，因此在内部芯核熔化的过程中塑料进气歧管的外形保持不变。

熔芯法生产塑料进气歧管的优点是：

进气歧管的内壁完整光滑，从而提高了气体的流动性，能够最大限度地发挥发动机的性能；

由于是一次注塑成型，进气歧管的气密性好，成品率高；

熔芯过程可消除塑料进气歧管在注塑过程中产生的残余应力，使得进气歧管具有更好的机械性能。

熔芯法的缺点是：

在金属芯核的铸芯和熔芯过程中，要消耗大量的电能，因而使得熔芯法生产塑料进气歧管的成本相对较高。

（2）振动摩擦焊接技术也称为“多片焊接法”。

振动摩擦焊接的工作原理是：

利用在两个待焊工件接触面所产生的摩擦热能来使塑料熔化，热能来自一定压力下，一个工件在另一个表面以一定的位移或振幅往复的移动，一旦达到预期的焊接程度，振动就会停止，同时仍旧会有一定的压力施加于两个工件上，使刚刚焊接好的部分冷却、固化，从而形成紧密地结合。

振动摩擦焊主要优点是：

生产效率高、成本低。

振动摩擦焊缺点是焊缝处的强度低、外观不好、气体流动性相对较差。

热板焊对工艺要求很高，应用不是很广。

目前国际上塑料进气歧管最成熟的生产工艺是多片振动摩擦焊，生产效率高且成本低[18,19]。

1.4本课题研究意义及主要研究内容

汽车轻量化是汽车工业发展方向之一，也是汽车厂乃至国家技术进步和先进程度的重要标志。

传统的进气歧管是铸件，目前大多数进气歧管为铝合金材料制成，由于进气歧管结构复杂，一般都采用金属磨砂型铸造，其表面粗糙、充气阻力大、质量大，为了达到减轻质量降低油耗、提高发动机性能和降低排放等要求，欧洲的汽车商率先采用尼龙制造进气歧管，随后美国、日本、韩国各大汽车制造商相继开发塑料进气歧管。

塑料制品不仅能减少零件质量，而且能降低噪音。

车用塑料一直是人们在汽车零部件设计及开发中的有效途径和重要手段之一，而且在未来的十年里，解决现有许多汽车安全问题的关键还是在于塑料。

塑料不仅使发动机系统更容易设计和装配，而且也使发动机质量更轻,。

发动机塑料进气歧管可比铝进气歧管重量减轻５０％以上，发动机动力性能得到５％～１０％的提升，经济性和排放性也有相当改善，材料和制造成本都可得到降低。

本课题对C14DVVT发动机的进气歧管进行设计研究，采用先进的进气歧管设计方法，通过三维软件CATIA建立三维模型，然后再以STL格式导出进气歧管的计算域，之后将导出来的计算域导入商业化CFD软件FIRE中进行面网格、体网格的生成工作。

运用FIRE自带的网格生成工具生成进气歧管计算网格。

建立进气歧管内气体流动的守恒方程、选用合适的数值计算方法、对气体流动进行数值模拟分析运算。

监控各进气管道的质量流量、压力分布、气流速度等参数，分析各管道的进气分配均匀性和流动阻力分布，找出进气歧管设计的不合理之处，提出改进意见。

第二章进气歧管的设计流程概述

2.1一般设计流程

给定发动机的设计参数（功率、扭矩、缸径、喷油方式等），根据发动机的参数及布置形式初步计算出进气歧管的结构尺寸（管径、中心型线长度、稳压腔体积等），然后进行三维建模形成初步的模型，之后对三维模型进行CFD分析计算并提出优化建议完善模型，最终定型。

2.2概念设计

在概念设计阶段，根据前舱布置空间布局，加上设计输入建立一个进气管的概念模型。

这个概念模型只是因为布置需要而建立的模型，所以比较简单，而且不需要带很多特性信息。

一般需要的设计输入主要包括进气管与缸盖接触面的法兰面形状，进气管气道长度、气道截面和稳压腔大小等参数。

其中进气气道长度、气道截面和稳压腔大小等参数是根据发动机的性能设计要求，经验积累或者其它的进气管参考特征，初步制定出大概的形状[20]。

2.2.1概念设计阶段输入

a.缸盖进气面形状和固定螺栓孔位置

b.节流阀体安装法兰的位置

c.进气歧管周围件位置确定

d.CAE提供进气歧管一维计算参数：

进气歧管长度、截面积、稳压腔大小

2.2.2概念设计阶段输出

a.确定进气管气道

b.确定进气歧管结构形式

c.确定进气歧管的技术方案

2.3布置设计

详细的布置设计阶段。

由于到此阶段时，发动机大部分件的概念模型都已经完成，发动机的布局已经基本定型了，现在所做的都是细化工作，解决相关的干涉问题等。

在这个时候开始考虑并确定进气管的形式是整体式还是分体式，另外进气管缸盖进气面形状和固定螺栓孔位置，节流阀体安装法兰的位置，进气歧管周围件位置等都将确定，实际上一个较为详细的进气管外形轮廓基本上已经出来了。

这一阶段主要考虑间隙问题，进气管与周围件的间隙要求一般为与发动机本体上的零件间隙保证在5mm以上，与车身间隙保证在25mm以上。

如果两者间没有相对运动的则他们间的距离可以更小些。

进气管的布置主要根据发动机的布置，以及车辆前舱空间的大小来确定[21]。

2.4详细设计

紧接着进入产品的详细设计阶段，这一阶段主要是进一步完善设计模型，创建二维图纸，编写技术要求等。

这一阶段就是不停的完善设计模型，包括根据试验台架结果和模拟计算做适当修改，根据供应商的工艺反馈修改，零件间干涉检查修改等。

第三章进气歧管结构尺寸设计

3.1设计原则

进气歧管一般采用等长度设计原则，即每个气道的中心型线的长度保持相等，这样各缸的进气均匀性就比较好。

但由于布置等因素的影响，实际上长度可能并不相等。

气道的中心型线的长度指从进气歧管与缸盖结合法兰面到稳压舱中心这段的距离。

对于进气歧管而言，影响发动机性能的关键参数就是进气歧管长度，气道截面积大小，稳压舱体积大小。

一般而言，气道芯核的长度和截面直径影响发动机在中高速时的性能，而且对充气效率也有影响。

因为共振因素，大直径和短的管，能够将其峰值转移到更高的转速处。

另一方面，略微的减小直径，能够提高发动机中等转速的性能，而且小直径的发动机在高速运转时能起到节流作用。

由于这几个参数一般是模拟计算的结果输入，对于设计建模来说就一定要保证这几个参数的正确性，不能够随意更改[22]。

3.2参数选定

在开始进行进气歧管设计时，必须有的几个参数包括：

气道长度L，气道截面积大小S1，稳压腔体积V，节流阀体入口截面直径Φ1,发动机缸心距。

进气歧管结构参数说明见下图：

3.2.1稳压腔容积的选定

合适的稳压腔容积不仅可以利用谐振效应提高充气效率，还可以使稳压腔内的压力环境相对稳定，消除各缸进气干扰，为进气动力效应提供良好的条件，同时也可改善各缸的进气均匀性。

塑料进气歧管稳压腔的设计中，考虑到歧管在发动机及整车上的布置，充分利用塑料件成型容易、设计自由度大等优点，合理选择稳压腔容积，一般取0．8～1．2倍的发动机排量之间[23]。

此次设计的C14DVVT发动机排量为1.4L，稳压腔容积V设计定为1.68L，入口直径Ø

为70mm。

3.2.2歧管长度的选定

进气歧管长度直接影响充气效率，在进气歧管型腔优化计算中，需将进气歧管长度作为目标参数进行优化。

查阅专业资料得知随着歧管长度的增加，充气效率的峰值向低速区域偏移，中、低速区域的充气效率和扭矩增大，并且高速区油耗增大；

岐管长度越短，高速区功率、扭矩越大，同时油耗降低，但是中、低速区域，扭矩急剧下降[24]。

对于每一款发动机均存在一最佳管长，可以使发动机在某一转速区域内，进气过程中产生的正向压力波使得迸气过程结束时，气门处的压力高于正常的进气压力，进气充量得到提高。

塑料进气歧管型腔设计中，应充分考虑进气波动效应，使气流在发动机最大扭矩点转速附近能产生一次增压反射，以获得较好的惯性增压效果。

同时因长度受发动机在整车上安装空间的限制，还应兼顾其对进气流量和歧管模具制作难度带来的影响。

所以此次歧管长度L取为400mm。

3.2.3歧管直径的选定

查阅资料得知进气歧管的管径应根据管道摩擦和波动效应来选取。

从摩擦影响的角度来看，由于管道中的压力降与管径四次方的倒数成正比，因此希望管径较大[25]；

而从波动效果来看，则希望管径较小以增大波动的幅度。

仅考虑摩擦的影响，Kasmer给出了最小管径的估算公式：

（3—1）

式中：

d

为气缸直径，mm；

S为行程，mm；

n为汽油机转速，r／min。

根据大量的实验数据。

Engelaman总结出产生最佳波动效果的谐振管管径计算公式，即：

（3—2）

V

为气缸容积；

传统发动机进气歧管多用方形，这是因为方形断面表面面积大，有利于进气歧管内油膜的蒸发，同时从铸造工艺上考虑，方形也比圆形更简单一些。

但是，从单片塑料进气歧管的注塑工艺上考虑，半圆形断面更有利于脱模，同时因圆形断面对气流的阻力小，进气管道不易形成油膜，为了得到更高的气流速度，发动机塑料进气歧管多采用圆形断面[26,27]。

综合考虑此次管径采用方形。

设计过程中兼顾功率和扭矩的同时，初选管径约取0.8～1.0倍的进气门直径，还应注意歧管与发动机缸盖气道的结合以及歧管在稳压腔上的布置[28]。

长为50mm，宽为22mm，倒角半径分别取9mm和2.5mm，气道的间距L

=L

=30mm。

第四章进气歧管的三维建模

4.1三维软件CATIA介绍

CATIA是法国达索飞机公司在70年代开发的高档CAD/CAM软件，是世界上一种主流的CAD/CAE/CAM一体化软件。

CATIA是英文ComputerAided 

Tri-Dimensional 

Interactive 

Application（计算机辅助三维交互式应用）的缩写。

目前在中国由IBM公司代理销售。

CATIA的产品开发商Dassault 

Aviation 

是世界著名的航空航天企业，成立于1981年。

其产品以幻影2000和阵风战斗机最为著名。

而如今其在CAD/CAE/CAM 

以及PDM 

领域内的领导地位，已得到世界范围内的承认。

其销售利润从最开始的一百万美圆增长到现在的近二十亿美圆。

雇员人数由20人发展到2，000多人。

CATIA是CAD/CAE/CAM一体化软件，位居世界CAD/CAE/CAM领域的领导地位，广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子/电器、消费品行业，它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域，其特有的DMU电子样机模块功能及混合建模技术更是推动着企业竞争力和生产力的提高。

CATIA提供方便的解决方案，迎合所有工业领域的大、中、小型企业需要。

包括:

从大型的波音747飞机、火箭发动机到化妆品的包装盒，几乎涵盖了所有的制造业产品。

在世界上有超过13,000的用户在使用共13万套以上的CATIA为其工作，大到飞机、载人飞船和汽车，小到螺丝钉和钓鱼杆，CATIA可以根据不同规模、不同应用定制完全适合本企业的解决方案。

CATIA源于航空航天业，但其强大的功能以得到各行业的认可，在欧洲汽车业，已成为事实上的标准。

CATIA的著名用户包括在世界制造业中具有举足轻重的地位一大批知名企业，如波音、克莱斯勒、宝马、奔驰等。

在中国，CATIA也得到了广泛的应用。

哈尔滨、沈阳、西安、成都、景德镇、上海、贵阳等都选用CATIA做为其核心设计软件。

包括一汽集团、一汽大众、沈阳金杯、上海大众、北京吉普、武汉神龙在内的许多汽车公司都选用CATIA开