进气歧管设计

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进气歧管总成设计指南
Part Design Guideline of Intake Manifold
编 制： 郭 栋 审 核： 江 雪 峰 批 准： 杨 俊 伟 日 期： 2007.9
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目录
一 进气歧管概述 (3)
1.1 进气歧管的功用................................................................................................................3 1.2适用范围.............................................................................................................................3 1.3 进气歧管的总成结构以及组成. (3)
二、进气歧管开发流程 (6)
2.1开发流程.............................................................................................................................6 2.2概念设计.............................................................................................................................7 2.3布置设计.............................................................................................................................7 2.4详细设计.. (8)
三、进气歧管设计 (9)
3.1 设计原则............................................................................................................................9 3.2 分析计算..........................................................................................................................10 3.3 参数选定..........................................................................................................................11 3.4 设计方案的选定..............................................................................................................16 3.5 材料的选择......................................................................................................................16 3.6 技术要求..........................................................................................................................17 3.7 试验验证.. (17)
四、进气歧管建模.....................................................................................................17 五、进气歧管的一些先进技术 (19)
5.1 我公司应用的一些先进技术..........................................................................................19 5.2 目前在世界上应用的一些先进技术 (22)
六、进气歧管开发过程中的问题和解决措施 (26)
6.1 进气歧管支架断裂..........................................................................................................26 6.2 摆臂脱落..........................................................................................................................27 6.3 金属进气管和支架断裂..................................................................................................27 6.4 进气歧管总成装配干涉.. (28)
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一 进气歧管概述 1.1 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。

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，但是势必牺牲柴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。

1.2适用范围
本设计指南主要针对所有汽车发动机的进气歧管的设计编写的，适用于所有汽车发动机的进气歧管的设计。

1.3 进气歧管的总成结构以及组成
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：
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1.3.1汽油机
1.3.1.1 自然吸气式
1.3.1.2 增压式
1.3.3柴油机
1.3.3.1 一般柴油机的进气歧管
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1.3.3.2 带有可变涡流控制系统的柴油机进气歧管
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二、进气歧管开发流程 2.1
开发流程
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2.2概念设计
在概念设计阶段，设计人员主要做的就是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。

我们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。

其中进气管气道长度、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，再加上由CAE 计算部门根据发动机设计参数和指标，初步制订的。

概念设计阶段输入
1、缸盖进气面形状和固定螺栓孔位置
2、节流阀体安装法兰的位置
3、进气歧管周围件位置确定
4、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 概念设计阶段输出
1：确定进气管气道 2：确定进气歧管结构形式 3：确定进气歧管的技术方案
2.3布置设计
然后我们转入较为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。

在这个时候我们就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。

例如我们的S11前舱短小，但是相对高度又比较高，所以我们将进气管向上弯曲布置，而对于B11前舱比较长而高度方向上纵身不够，因此采用向前弯曲的布置走向，如下图所示。

实际上发动机总设计师已经替我们完成了这部分的布置工作，我们只需要建立模型进行验证，确保进气管与周边零件的间隙合理没有干涉等。

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S11前舱侧视图 B11前舱侧视图
2.4详细设计
紧接着我们就进入了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。

下面我们主要讲一下在完善数模和图纸的时候注意的一些问题： 铸造的工艺性
进气歧管的芯子和外模的设计中，要考虑其铸造的工艺性，一般来说，进气歧管的模具主要就是两部分，一个是砂芯的模具，一个是外模的模具。

对于结构复杂的进气歧管，可以增加分模方向、增加砂芯和设计滑块等方法设计模具，解决难以分模的位置的成型问题。

还有需要注意的就是模具的定位问题，例如在稳压腔上增加一个清沙的工艺孔，这个孔增加了砂芯定位的准确性的同时还有利于出砂。

设计过程中可以随时检查模型的分模信
息，并及时调整和修改。

定位基准的选择
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对于进气管其定位基准主要分为初定位基准和加工基准。

初定位基准一般采用六点来表示，即A1，A2，A3，B1，B2，C1。

A1，A2，A3三点确定基准面A，B1，B2两点确定基准面B，C1确定基准面C，这三个基准面是相互垂直的。

它一般体现在进气管的毛坯模型上，毛坯尺寸就与这几个基准发生关系，它同时也是加工基准的参考基准。

对于初基准点的放置位置，一般是选择在气道口等关键部位，主要目的是一是为了方便检
查毛坯是否合格，二是为了保证加工位置正确。

但实际上我们会特地设计几个安放凸台面来放置这些基准点，这些凸台面也可以用来作为夹具的装夹点用，如右图所示。

加工基准一般指的是最早加工的两销一面。

两销（或孔）定出基准轴E 和F,其中基准轴F 为辅助基准。

基准轴E 尺寸位置度标注为，基准轴F 尺寸位置度
标注为。

面指第一刀加工出的面，它定出基准面D，基准面D 一般与初
基准中的基准面A 平行，基准D 与基准A 间的尺寸标注形式为XX±XX。

各基准间尺寸采用理论值标注，即< XX >。

三、进气歧管设计 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
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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。

3.2 分析计算
对于设计部门来说，前期的计算分析虽然是由CAE 部门做的工作，但是我们需要对计算的原理和计算结果的评价要有一定的能力。

目前这方面的工作对于我们来说还是比较欠缺的，下面简单介绍一下CAE 在进气歧管设计中需要的计算。

目前进气歧管的性能计算CAE 方法有：一维热力学计算、三维CFD 计算、一维热力学
和三维CFD 耦合计算。

一维模拟主要分析进气歧管支管长度，直径以及谐振箱容积对发动机性能的影响。

三维计算则主要分析进气歧管结构对流通性和进气均匀性的影响。

一维模型中主要考虑了进气歧管的动态效应，比较符合发动机的实际工况，且计算速度快。

但计算分析中将进气歧管简化为一维的管道，不能体现三维结构对发动机性能的影响。

三维模型的计算域是实际的流域，能够体现三维结构的影响，但是模型中没有考虑进气歧管的动
态效应，不能计算发动机的实际工况。

一维热力学和三维CFD 耦合计算能够综合实际工况和实际结构对发动机性能的影响。

2.6.1 发动机性能分析（一维热力学计算）
本文件所有内容及图片，其所有权归奇瑞汽车有限公司拥有，未经奇瑞汽车有限公司许可，不得以任何形式复制此文件（包括其中部分或整体），以及提供给第三方，否则奇瑞汽车有限公司有权追究其法律责任 2.6.2 进气均匀性分析（三维CFD 计算）
3.3 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
在发动机进气歧管的设计中，以下四个参数是很重要的：
1、 进气管总口直径
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此参数是由CAE 部门根据确定好的发动机的一些基本参数（如发动机的排量、功率等）计算获得的。

在实际的应用中，进气歧管总口的结构形式有两种：
1、一种是在管口加工出一个法兰面来安装节流阀体，汽油机的进气歧管都是采用这种结构的，有些柴油机（索菲姆欧四版）为了达到对进气气流的精确控制，改善发动机的排放也使用这种结构。

加装节流阀体后，进气总管的入口直径等于节流阀体出口直径再加上2mm（加2mm 的原因是根据流体流向的原理，一般是入口直径要比出口直径要小，目的是为了防止出现节流）。

因为节流阀体都是选用的供应商的现成产品，所以进气总管的直径的确
定是根据原先计算的结果和供应商的现有产品的类型综合考虑加以确定。

如下图的Bosch
节流阀体直径选型图
2、另外一种是与软管通过卡箍直接连接的，一些排放水平比较低的柴油机（索菲姆欧三版）和在进气总管后采取控制策略的柴油机（例如我公司的 1.0DTI、1.3DTI、1.9DTI）使用的是这种结构。

此种结构的进气歧管的进气总管的直径可以参照节流阀体的直径的选定。

此参数的选定对于汽油机和柴油机来说计算原理都相同。

不同的是增压机的充量密度比较大，可以根据密度的差异调节总口直径的大小。

具体的尺寸值的确定还是需要CAE 部门的计算分析支持。

2、进气支管直径 进气支管的直径影响发动机各缸的进气量。

进气支管的横截面积的选定，必须保证在怠速时产生的最小气流速度能够支承并使较重燃油颗粒悬浮在气流中。

但是过大的气流速
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进气支管直径的确定是有CAE 部门用BOOST 软件计算得到的。

也可以参考下面的公
式，粗略估算：
此参数的选定适用于各种类型的发动机，不论是汽油机还是柴油机，是否增压，其计算的基本原理是一样的。

3、进气支管长度 进气歧管长度影响动力进气效应。

此参数的选定也是有CAE 部门用BOOST 软件计算获得的。

对于增压和非增压发动机，进气支管长度的对于性能的影响是完全不同的。

下面具体说明进气支管长度分别对两种类型的发动机的作用原理进行阐述：
1、对于增压发动机（包括汽油机和柴油机）来说，因为进气压力不再是负压，所以对于进气歧管的动力进气效应要求不高，进气支管的长度较长反而会提高进气阻力，所以很多增压柴油机的进气歧管只是做成了一个稳压腔的结构安装在缸盖上，进气支管长度就是缸盖上气道的长度。

2、对于非增压发动机来说，由于进气压力是负压，所以进气歧管的动力进气效应对于发动机的性能影响很大，此参数的合理选取将对发动机充气效率有很大帮助，在进气管结构优化计算中，将进气歧管长度作为目标参数进行优化。

由于非增压柴油机现在应用的很少，所以我们在这里主要介绍一下自然吸气式的汽油机的动力进气效应原理。

根据压力波的动态效应理论，在管长不变的时候，最佳充气效率Фc 所对应的转速n
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与气门发出第一个疏波到反射回压缩波的时间Δt 有关。

ΔT 所对应的曲轴转角称为波动系数φt，有
φt=6n Δt=6nL e /a
式中，L e 为Δt 时间中压力波传播的当量长度。

因为循环动态效应的最佳Φt 值，大约是进气门开启持续角φs 的一半左右，即φt=φs/2。

代入上式，可以估算充气效率峰值Фc 所对应的转速为
n=a φs/（12L e ）
非增压汽油机转速与进气支管长度的关系大体如下图所示：
我们在设计进气歧管的时候，对于长度不变的进气歧管来说长度一般都取折中的一个值。

现在有很多可变长度的进气歧管，其原理就是根据动力进气效应分别在低速和高速设计了不同的进气支管长度，甚至还有把进气支管长度设计成连续可调的，以满足不同转速下所需要的不同的进气支管长度。

4、稳压腔容积 稳压腔的容积影响进气的谐振效应。

此参数的选择也是由CAE 部门用BOOST 软件计算获得的。

对与不同种类的发动机，其作用也是有所差别的。

本文件所有内容及图片，其所有权归奇瑞汽车有限公司拥有，未经奇瑞汽车有限公司许可，不得以任何形式复制此文件（包括其中部分或整体），以及提供给第三方，否则奇瑞汽车有限公司有权追究其法律责任 1、对于增压发动机（包括增压汽油机和增压柴油机）来说，稳压腔的作用是提供一个相对稳定的压力环境，消除各缸进气干扰，可改善各缸进气的均匀性。

2、对于非增压发动机（包括自然吸气的汽油机和自然吸气的柴油机）来说，除了在增压发动机中提到的作用外，还有谐振进气的作用。

他是根据赫尔姆兹谐振原理设计的。

最简单的赫尔姆兹谐振系统，是由一个球型容器和容器上一个突出的管子组成。

球型容器相当于进气主管和通往进气道、汽缸的进气歧管，而球型容器上突出的管子成为谐振进气管。

该容器和管子的谐振频率由下式所得：
下图为进气系统频谱分析和压力谐振曲线：
从上图可以看到，不同的稳压腔的容积对应的谐振的频率是不同的，合理选用稳压腔的容积可以改善进气的谐振效应。

目前也有将稳压腔的容积设计成可变的进气歧管。

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在确定了进气歧管的基本参数以后，接下来就开始考虑进气歧管的结构了，不同的参数和不同的布置形式，其结构形式也不一样。

根据结构的复杂程度和铸造的难易程度可以分为整体式和分体式：
整体式 优点：减少垫片螺栓等连接件可降低成本，此外气道不存在连接处减少节流损失。

缺点：铸造工艺难度大；成品率低，整体式进气歧管设计主要适用于气道长度较短，结构设计简单的进气歧管。

分体式 优点：铸造相对简单，铸造成品率相对高些。

缺点：增加上下体连接的垫片和螺栓，装配工艺相对复杂，上下体连接处对进气有一
定的损失。

分体式进气歧管设计主要适用进气歧管气道较长，一般整体式铸造不出来。

注：整体式和分体式的结构只是在选用金属材料，采用重力铸造的进气歧管的设计中需要考虑的，对于塑料进气歧管因为其成型方法不同，它是采用分片注塑，然后焊接成型的。

塑料进气歧管的结构一般由供应商设计，但是参数是由我们确定。

3.5 材料的选择
对于进气歧管材料选择我们主要从进气歧管工作的环境条件，成本，重量三个方面进行考虑即可。

另外进气歧管是发动机里面另外一个比较重的部件，而且通过减轻进气歧管的重量来降低发动机的重量也是一个比较好的方法。

尤其是那些采用可变进气长度的进气歧管，用
本文件所有内容及图片，其所有权归奇瑞汽车有限公司拥有，未经奇瑞汽车有限公司许可，不得以任何形式复制此文件（包括其中部分或整体），以及提供给第三方，否则奇瑞汽车有限公司有权追究其法律责任 铝合金代替铸铁只是第一步。

现在很多汽车制造厂都转向使用热塑性塑料如尼龙(Nylon 66) 或其它耐热塑料来制造进气歧管（如上图的Porsche Boxster 发动机进气歧管）。

由于塑料比较便宜，重量轻而且有较好的流通性，一般采用塑料进气歧管发动机的功率要提高几个百分点，因此是一个比较理想的材料，选用塑料作为进气歧管材料也是未来的一个趋势。

但是塑料进气歧管制造工艺难度比较大，而且且塑料进气歧管的可靠性不是很好，另外一个最大的缺点就是噪音问题，尤其是对豪华轿车来说是很不好的，于是有的厂家便选择镁合金材料，尽管镁合金材料有点昂贵而且耐热性不够好，但是它比铝合金要轻，何况进气歧管的温度不是很高，而且像大多数金属一样，空气在镁管里流动的噪音比塑料管要小。

目前国内进气歧管材料一般采用铝合金，采用重力铸造技术。

选择铝合金材料时通常要考虑发动机的功率扭距和振动情况等选择铝合金的机械性能，常见的铝合金材料有ZL104、ZL101A、AlSi9Cu1、AlSi10Mg 等。

我们公司现在采用的材料是供应商建议的材料：AlSi9Cu1Mg。

AVL 的原始设计材料为：G AlSi6Cu4 – DIN EN 1706或者G AlSi8Cu3 DIN EN 1706:1998-06。

3.6 技术要求 目前我公司应用的进气歧管绝大多数是铝合金的进气歧管，在开发过程中也形成了相应的零部件技术要求，详细信息可参见附录《TPS-铝合金进气歧管》。

对于塑料进气歧管和镁合金进气歧管的应用很少，所以没有制定相应的标准规范，所以在此略过。

3.7 试验验证
目前我公司应用的进气歧管绝大多数是铝合金的进气歧管，在开发过程中也形成了相应的零部件技术要求，详细信息可参见附录《铝合金进气歧管试验验证规范》。

对于塑料进气歧管和镁合金进气歧管的应用很少，所以没有制定相应的标准规范，所以在此略过。

四、进气歧管建模
这里主要讲的是使用PTC 公司的Pro/E 软件如何进行进气管的三维建模。

由于进气管是一个比较复杂的零件，因此Pro/E 软件要求带有高级曲面模块和拷贝几何模块。

而且对于Pro/E 来说采用有效的建模顺序和建模方法，能够大大的提高建模的速度。

因为在Pro/E。