汽车排气系统对发动机性能影响很大,继而影响整车的动力性及经济性。“以已有动力总成为基础和对标车为目标的汽车开发模式”存在对标车型底盘与现有发动机匹配差的问题,故而设计时需要对发动机排气系统、悬置系统等子系统进行适应性调整。为保证新开发车型的动力性和经济性以及排放性能,对这类产品发动机的排气系统性能进行分析与改进设计具有非常重要的工程意义。论文以企业某SUV为对象,起初搭载A发动机,根据系列化要求,升级改用与A发动机同平台不同排量的B发动机,整车期望排气管路基本沿用,这样整车改动量最小。要求排气系统满足发动机性能要求,即排气背压值不能大于目标值。为此,运用CFD和FEA方法,对排气岐管进行分析设计,最后通过试验验证,解决了企业实际问题,为企业提供一种快速有效的优化分析方法。本文主要内容如下:1.首先根据借用A发动机的排气系统三维模型,提取内部流道,建立与B发动机相配的CFD分析模型,排气背压的CFD分析值与试验值分别为60.5kPa和60.9kPa,数据一致性较好,但均高于55kPa的设计目标,表明该CFD模型可行,但不能将A发动机的排气系统简单移植到B发动机上。然后,利用该CFD模型在STAR CCM+中分析了排气歧管的稳态内流场,得到了排气歧管内流场和歧管内表面温度和换热系数,结果发现该排气歧管前端速度均匀性差、气流吹覆面积低、氧传感器速度差异性大;利用ABQUAS对排气歧管进行流固耦合的FEA热分析,获得歧管温度场分布、热应力、热变形、热模态以及热塑性特性,结果排气歧管最高热应力超过材料屈服极限,表明排气歧管结构存在优化空间。2.基于CFD和FEA分析结果,排气背压高于55kPa的设计指标,结合整车布置及相关设计要求,对排气歧管进行了合理的结构改进设计,并将改进前后的歧管进行对比分析,结果表明,改进后的排气歧管各方面性能指标较原方案好,排气系统背压分析结果为52.2 kPa,满足理论设计要求。3.对结构改进后的排气系统先后进行了台架试验和整车试验等实际工程试验。试验结果排气背压53.2kPa,较原方案降低了7-8 kPa,且排气歧管未出现裂纹、断裂等现象。验证了CFD分析和FEA分析结果的正确性,表明理论分析方法可行,能指导实际工程问题。
