李晓君
（1.重庆小康动力有限公司，重庆 401147 ）
摘要：在发动机工作过程中，进、排气门按照配气相位有规律地间歇性地打开和关闭。在气门打开和关闭的时候，在气道口附件会形成一定的压力波。如果能够充分地利用这些压力波可以适当地提高发动机的进气和排气效率[1]。本文基于某款直喷增压发动机，介绍了排气歧管的设计方法，其中利用压力波的理论基础，通过计算得到排气歧管的管径为￠36mm，1、4缸的管长为170mm，2、4缸的管长为95mm；另一方面利用一维性能分析软件BOOST进行气体交换分析，通过分析检查各缸之间在既定的配气相位下不存在排气干涉现象；最后通过CFD分析工具进行稳态流场分析，其中1缸的压损最大，为16KPa，平均压损为14.25KPa，满足设计要求。
关键词：增压直喷汽油机；排气歧管设计；压力波；排气干涉
在发动机工作过程中，进、排气门按照配气相位有规律地间歇性地打开和关闭。在气门打开和关闭的时候，在气道口附件会形成一定的压力波。如果能够充分地利用这些压力波可以适当地提高发动机的进气和排气效率[1] ，在传统的排气歧管设计中，由于受限于整机尺寸和机舱布置空间，排气歧管的管长会进行方案的折中处理，设计的是否可行性主要依靠台架性能测试进行验证。
1 设计思路
本文基于某款直喷增压发动机，一方面利用压力波的理论基础，对排气歧管的主参数，包括管长和管径进行定义；另一方面利用一维性能分析软件BOOST进行气体交换分析，通过分析检查各缸之间是否存在排气干涉；最后根据发动机的空间边界和主参数的定义进行3D数据的绘制，并借助CFD分析工具进行稳态流畅分析。
2 排气歧管参数设计
2.1 排气歧管长度的计算
设排气歧管长度为,气体在管道中的流速为u，当地声速为c，根据波动效应，压力波从正压出发，返回负压波的时间为：
式中：
—— 进气管的有效长度，包括歧管长度和缸盖气道长度两部分，m；
c —— 当地声速，m/s；
u —— 气体在管道中的流速，可通过一维性能软件计算得到。
如果不考虑气门提前角和滞后角时，可将排气门的打开时间简化为
：[3]
则要求在负压波在排气门关闭前返回，需满足。
可得
：
（2）
同理，气门关闭时，在排气口形成负压波，需要进过2次往返，才能以负压波的形式返回，所需要的时间记为：
。
排气门从关闭到下一循环气门打开所需要的时间为：
满足排气门在打开后能返回负压波的条件需满足： （3）
通常按照上面计算得到的理论长度都比较长，而且还要综合考虑后排气系统的结构参数，
为此，我们通常将计算得到的理论长度进行整数倍的缩小，尽量使其满足发动机的布置空间。
综上，可根据理论计算得到：当发动机在1500r/min时，排气歧管理论长度为8.5m，分别为1、4缸管长170mm长度、2、3缸长度95mm的50倍、90倍。原则上倍数越大，随着压力波在排气管中反复传播，产生的作用力也越来越弱。但受布置边界的限制，只要按照倍数的取整就可避免各缸之间的干涉。
2.2 排气歧管管径的计算
为减小排气流从排气门至排气歧管的流动损失，我们在设计排气管时，通常将排气管直径与排气门开启时的最大截面积成一定的比例关系。在此我们根据经验公式：
在配气机构结构布置中计算过排气门最大截面积498.9 mm2；
计算得：d≈37.43～40.69mm。
在该设计中，考虑到低速扭矩的响应，同时为减小排气歧管管长折中带来的气体流速的影响，将管径的取值适当减小1~2mm，取值36mm。
3 排气歧管参数在一维性能中的分析
3.1 当发动机在初始配气相位，排气门打开时，缸内压力与排气道压力关系
通常在排气系统设计时，要求排气门打开时，气缸内的压力在0.3～0.6MPa以上[4]。为此，我们通过AVL_BOOST性能分析软件分析得到：在1000rpm条件下，当气门突然打开时，缸内压力为0.8MPa，见图1所示。
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图1 1000rpm条件下排气门打开时，缸内压力情况
4 排气歧管CFD分析
4.1 CFD分析
利用专业的CFD分析软件进行各缸压力和速度云图分析，进一步分析各管压损分布情况：
表2 排气歧管各管压损分布
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5 结论
本文基于某款增压直喷汽油机的排气歧管，介绍了歧管设计的方法，主要包括以下内容：
（1）在歧管的基本参数定义时，应用波动效应的理论基础，通过计算得到排气歧管的管长和管径参数，确保排气歧管与配气机构和正时机构的匹配，充分利用排气脉动效应提升低速扭矩的响应性。
（2）利用一维性能分软件进行气体交换分析，得到1000rpm下，排气门打开时的缸内最小压力满足设计要求；进一步分析在各转速条件下，进排气的压力情况，不存在排气干涉和排气倒流等现象。
（3）通过专业的CFD分析软件进行排气歧管的稳态分析，分析各缸压力和速度云图，且各缸的压损满足设计要求。
（4）针对排气歧管的强度、热应力、热疲劳等分析内容，本文没有涉及。
参 考 文 献
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[2] 李树臻．内燃机进、排歧管动态效应设计[J]．胜利油田职工大学学报
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