柴油發動機進氣支管優化設計實驗分析

吳章友

摘 要：為了充分發揮進氣支管作用，實現各缸進氣道空氣的均勻分布，可以通過對進氣支管直徑和長短的調節氣缸空氣量。該文就從柴油發動機進氣管直徑和長度設計加以分析研究，不斷進行發動機排放特性、經濟性、動力性的優化，提高管道進氣品質。

關鍵詞：進氣支管 優化目標 仿真試驗

中圖分類號：TK423 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）03（b）-0065-02

該文筆者利用仿真試驗進一步了解了結構參數優化設計，通過進氣支管長度、直徑變量設計，來達到優化柴油發動機排放特性、經濟性和動力性的目的。下面我們就從進氣支管空氣均勻分配的角度對各缸進氣道進行研究，了解進氣支管特點，優化柴油發動機性能。

1 進氣支管作用

進氣支管是保證各缸進氣道空氣含量的關鍵，支管長度、直徑決定了氣缸的進氣阻力和空氣量，是燃料在發動機氣缸燃燒情況的主要影響因素。因此，我們必須要優化進氣支管設計，不斷提升柴油發動機性能。

通過先進的軟件模擬系統建立了極為相似的仿真模型，并以柴油發動機仿真參數為基礎進行了仿真模型數據分析，并將這一分析結果作為柴油發動機的改進方向和基本理論依據。

2 建立發動機仿真平臺

發動機模擬軟件BOOST是以整臺發動機為模型建立的發動機模擬運行程序。下面我們就利用該軟件進行發動機仿真模擬試驗，建立BOOST發動機仿真模型為基礎的仿真模型，以四缸渦輪增壓柴油發動機為例，并將該發動機主要技術參數列示如表1所示。

3 進氣支管長度可能對發動機性能影響

進氣支管調節首先要將進氣支管直徑固定為40 mm開始，根據試驗分析了解進氣支管長度對發動機性能產生的影響。下面我們就針對全負荷發動機工作運行進行分析，選擇1 000、1 600、2 000、2 400、2 800、3 200、3 600 r/min幾個固定轉速，進行發動機性能測試。根據仿真試驗了解到3 200 r/min時的發動機功率能夠達到最大。

3.1 進氣支管長度對充量系數影響

經過仿真試驗了解到，當2 400 r/min時，發動機充量系數達到最低；而發動機轉數低于2 400 r/min進氣支管長300 mm時，其充量系數達到最大。在轉速維持不變的情況下，支管長度并不會對充量系數影響不大。

3.2 進氣支管長度對動力性能影響

通過仿真試驗結果可知：發動機轉速低于2 400 r/min時，支管長度600 mm功率最大。這也說明進氣支管長度對發動機性能產生著直接的影響。

3.3 進氣支管長度對經濟性能影響

根據試驗結果，我們能夠看到當發動機轉速1 000～2 400 r/min時，發動機燃油效率值呈現逐漸降低的趨勢；發動機轉速在2 400～3 200 r/min、支管長度600 mm燃油消耗能達到最低。

3.4 進氣支管長度對排放性能影響

3.4.1 氮氧化物（NOx）

通過試驗結果我們可以發現：當發動機轉速在1 000～2 400 r/min時，氮氧化物的排放量呈逐漸增加的趨勢，若是適當調整進氣支管長度，并將其調至300 mm時，氮氧化物的排放可至最低；而轉速在2 400～3 600 r/min時、支管長700 mm，氮氧化物排放量可達最低。由此我們可以得出結論，進氣支管長度會影響碳煙排放。

3.4.2 碳煙（Soot）

仿真試驗結果表明：不同轉速時，碳煙排放量有明顯的變化，當轉速低于2 400 r/min、管長700 mm時碳煙排放量最低，轉速為2 400～3 200 r/min、管長為600 mm碳煙排量放最低；轉速為3 200～3 600 r/min、管長為300 mm碳煙排量放最低。進氣支管長度對碳煙排放的影響。

4 進氣支管直徑對發動機性能的影響

綜合考慮進氣支管長度對發動機動力性、經濟性、排放特性影響因素，我們選擇了固定的進氣支管長度為 600 mm，對進氣支管不同直徑進行仿真實驗分析，研究進氣支管不同直徑對發動機性能的影響。

4.1 不同直徑進氣支管對充量系數的影響

通過仿真試驗結果可知：轉速低于2 400 r/min、進氣支管直徑為44 mm時充量系數最大，轉速2 400～3 600 r/min、進氣支管直徑為38 mm時充量系數最大。進氣支管直徑對充量系數的影響。

4.2 不同直徑進氣支管對動力性能的影響

仿真試驗結果表明：發動機轉速低于2 600 r/min、進氣支管直徑為38 mm時發動機的有效功率最大；當發動機轉速為2 600～3 600 r/min、進氣支管直徑為44 mm時其有效功率最大。此為進氣支管直徑對有效功率的影響。仿真試驗結果表明：發動機轉速低于2 800 r/min、進氣支管直徑為38 mm時有效燃油消耗率最低；發動機轉速在2 800～3 600 r/min之間、進氣支管直徑為44 mm時其有效燃油消耗率也為最低。此為進氣支管直徑對有效燃油消耗率的影響。

柴油機具有熱效率高、功率大、壽命長等優點，應用已越來越廣。對柴油機而言，其缸內良好的空氣運動將促進燃燒過程中空氣與未燃燃料的混合，提高燃燒速率，增強發動機的動力性、經濟性，降低燃燒噪聲和有害氣體的排放。以某型直噴式柴油機為研究對象，針對其進氣道流量系數偏低而渦流比偏高的問題，對進氣道進行了優化設計。一方面提高進氣道的流量系數，保證柴油機的動力性能；另一方面降低進氣道的渦流比，保證多孔噴油器的油束在燃燒室內空間分布更加合理。

經過上述分析，我們能夠了解到進氣支管長度在300 mm、直徑40 mm時，發動機充氣系數能夠達到最大；當進氣支管長600 mm、直徑44 mm時，發動機充量系數最大。

5 結語

通過上述分析研究可以了解到，進氣支管長度和直徑將會直接影響發動機的動力、經濟性能、降低碳煙排放量。因此，我們要從柴油發動機實際運行情況出發，進行發動機進氣支管的優化設計，不斷提升發動機使用性能，降低柴油碳煙排放量。

參考文獻

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