進氣管長度在發動機不同轉速下對其動力性能的影響

鐘海杰，楊秀芳，袁 淳，周仲德，錢威威

Zhong Haijie, Yang Xiufang, Yuan Chun,Zhou Zhongde, Qian Weiwei

（浙江農林大學 工程學院，浙江 杭州 311300）

1 實驗意義以及基本原理

國內外很多學者已經對汽車進氣管長度對發動機動力性的影響進行研究，并得出了影響規律，但在實際應用中，由于發動機參數不同，進氣系統結果差異，有必要對進氣系統進行另外的計算分析，通過改良實驗，更好地理解發動機本身結構對其動力性的影響，尋求提高發動機動力性的方法，為實際優化工作做參考。

提高汽車發動機動力性能是工程師的目標之一，發動機換氣過程的好壞，直接影響發動機的動力性。同樣大小的氣缸容積，在相同的進氣狀態下若能吸入更多的空氣，則可以允許噴入更多的燃料，在同樣的燃燒條件下產生更多的有用功，提高發動機的動力性。如圖 1所示，國內外許多研究者對發動機進氣管道內氣體的流動特性進行過研究，研究結果表明，管道長度影響進氣管內壓力波的振動頻率，并得出進氣管道長度與振動頻率的關系式

由式（1）可知管道長度與振動頻率成反比，改變進氣系統管道的長度可以改變進氣振動頻率。縮短管道長度則振動頻率增大，使得進氣振動點向高轉速移動，反之則向低轉速移動，可以利用這一特性提高特定轉速下氣缸充氣效率和改善發動機動力性。

雖然式（1）很簡單，可以看出在不同發動機轉速下進氣管長度應該如何變化，但無法從中直觀看出改變進氣管長度后發動機輸出功率、轉矩、油耗等的變化量，所以沒有實際意義，因此，必須采用另外的更直觀的測量方式。

2 可變進氣管的設計與優化

2.1 發動機參數

本次實驗，采用別克賽歐1.6L汽油發動機，這是一款自然吸氣、多點燃油電控噴射的直列四缸發動機，主要性能參數如表1所示。

表1 發動機主要性能參數

2.2 實驗方式的選擇

通過發動機的速度特性實驗可以得到功率Pe、轉矩Me、耗油量Gf及燃油消耗率ge與轉速n之間的關系

從式（2）、（3）可知，只要測得不同進氣管長度條件下的n、Pe或Me、Gf或ge就可以比較準確地找出進氣管長度對發動機動力性的影響，這正是所需要的。因此，決定采用該方法，即不同進氣管長度下的發動機速度特性以及負荷特性進行分析。

由于在發動機進氣系統中，進氣總管長度、進氣歧管長度對性能都會產生影響，本次實驗中選擇改變進氣總管長度來進行分析。

為了防止其他因素對實驗造成干擾，在實驗前必須先讓發動機穩定運轉一段時間。此外，因為在更換進氣管時可能會對其他系統產生影響，所以每次實驗都重復3次。

2.3 實驗數據的分析

圖2、圖3是在進氣管長度分別為100 mm、250 mm和400 mm的情況下發動機轉矩Me和燃油消耗率ge隨轉速n變化的曲線。通過對比可知，隨著進氣管長度的增加，最大轉矩對應的轉速向左移動，也就是說，低速時長進氣管可以使轉矩增加比較快，在2500 r/min左右時，400 mm長進氣管對應的轉矩比100 mm時提高10%左右。而在中高速區域，顯然短進氣管提供的轉矩更大，如在5500 r/min時，使用100 mm長度的進氣管可以比400 mm的進氣管多提供33%的轉矩。另外，從圖3可知，改變進氣管長度對燃油消耗率的影響并不大，不超過2.2%，相對于進氣管長度對轉矩的影響幾乎可以不計。

為了更直觀地了解不同轉速下進氣管長度對發動機動力性的影響，需要對實驗數據重新進行整理。

圖4、圖5是不同發動機轉速下，發動機轉矩Me和燃油消耗率ge隨進氣管長度變化的曲線。從圖4可以看出，當轉速在3000 r/min以下時，隨著進氣管長度的增加，轉矩也在不斷變大；在4000 r/min及以上時，轉矩總體呈現下降趨勢，也就是說在中低轉速時采用長進氣管，高速時采用短進氣管可以明顯增大轉矩從而提高動力性。計算可知，當中低轉速采用400～450 mm的長進氣管時，可以使轉矩增加14%；當高速時采用100～200 mm的短進氣管可以使轉矩增加 20%，這對于汽車的動力性而言是很大的提升。另一方面，從圖 5的燃油消耗率曲線可以看到，隨著進氣管長度的增加，燃油消耗率有先下降后上升的趨勢，但總體來說，進氣管長度相對于發動機轉速對燃油消耗率的影響很小，最大不超過2.1%，由于發動機一般在中低轉速下運行，因此進氣管長度選擇在400～450 mm之間時，會使發動機具有比較好的動力性，此時雖然燃油消耗率會有一定增加，但不超過5 g/kW·h。如果在某些時候發動機需要高速運行，則進氣管長度在100～200 mm時能提供更大的動力性，同樣燃油消耗量的增加也很少。

3 結論及建議

文中實驗通過分析發動機在不同長度進氣管下的速度特性，得出進氣管長度對發動機動力性有較大的影響，并初步確定了不同長度進氣管的切入點。實驗表明：在不同發動機轉速下適當改變進氣管長度能達到優化進氣過程的目的，從而能有效提高發動機的動力性和燃油經濟性。具體而言，當發動機運行在中低轉速（小于3000 r/min），采用長進氣管；當發動機運行在高速（大于4000 r/min），采用短進氣管。這樣不管在低速還是高速都可以獲得較大的轉矩和較低的燃油消耗率，從而改善發動機動力性和燃油經濟性。

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