進氣歧管長度對發動機性能的影響

宋占鋒，劉春東，張佳樂，張蘭娣，耿明超

1.河北建筑工程學院機械工程學院，河北張家口 075000；2.河北省機械基礎實驗教學示范中心，河北張家口 075000；3.張家口職業技術學院，河北張家口 075000

0 引言

空氣供給系統是汽車發動機的重要組成部分，其作用是為發動機提供新鮮空氣，空氣供給系統的結構優化決定著發動機工作過程中的動力性和經濟性，為發動機的平穩以及高效運行等提供重要保障，具有十分重要的意義。在空氣供給系統中，進氣歧管的長度是主要的結構參數，合理優化匹配發動機進氣歧管長度，可以有效地提高發動機充氣效率，從而提高發動機的輸出性能，降低燃油消耗率。對發動機進氣系統的優化改進與其他提升發動機性能的技術手段相比，成本較低且技術方案比較容易實現，具有良好的技術推廣和應用價值，經濟效益顯著。因此，為了有效提高發動機的整體輸出性能，專門開展進氣歧管長度變化對發動機輸出性能提升的分析研究，進而為新型發動機進氣系統開發設計提供理論支撐。

本文利用GT-Power仿真軟件，搭建了直列四缸發動機整機模型。基于構建的發動機模型模擬計算了不同轉速工況下，進氣歧管長度變化對發動機輸出扭矩、功率和燃油消耗率的影響，研究結論為發動機進氣歧管的結構優化和改進提供了理論參考。

1 發動機工作仿真模型的構建

利用GT-Power仿真軟件，構建了直列四缸發動機的仿真模型，模型主要由空氣進氣系統、空氣濾清器模型、燃油噴油器模型、氣缸模型、曲軸箱模型和燃燒廢氣排氣系統等組成，四缸發動機整機模型如圖1所示。

圖1 四缸發動機整機模型

GT-Power仿真模擬軟件是以一維CFD為基礎，利用有限容積法對熱流體展開模擬計算，在計算熱流體狀態時應用的熱力學基本控制方程有：

連續性方程：

(1)

動量方程：

(2)

能量方程：

(3)

式中:為氣體密度;為氣體流速;為進氣管壁的摩擦阻力;為進氣管截面積;為氣體壓力。

原始進氣系統的結構參數見表1。其中布置形式為側邊吸氣。

表1 原始進氣系統的結構參數

四缸汽油發動機的結構參數見表2。其中燃燒方式采用火花點燃，點火次序為1-3-4-2。

表2 四缸汽油發動機的結構參數

考慮到發動機實際運行的工作情況，選擇工質為空氣，設定發動機進氣溫度為300 K，進氣壓力為 100 kPa，開始運行和停機結束的環境參數一致。

2 仿真計算結果與分析

進氣歧管是發動機空氣供給系統中的重要部件，其長度不僅決定了發動機充氣效率而且直接影響著發動機的動力性和經濟性。基于構建的整機模型，選取進氣歧管長度分別為100、150、200 mm 3種，利用整機模型對發動機不同轉速工況下的輸出扭矩、功率和燃油消耗率進行了仿真模擬計算。

圖2給出了不同進氣歧管長度下發動機輸出扭矩隨轉速的變化規律。由圖可以看出，隨著進氣歧管長度的增加，發動機在低轉速區內的輸出扭矩峰值增大且扭矩峰值向低轉速區靠近。這是因為發動機在低轉速工況下，進氣歧管中氣體的流動速度小，氣體流速引起的進氣阻力小，進氣歧管越長，新鮮空氣進氣量越大，發動機輸出扭矩隨進氣歧管長度增加而增大，扭矩峰值向低轉速區移動;在發動機中高轉速工況下，隨著轉速的增加進氣歧管中氣流速度增大，進氣歧管越長進氣阻力越大、進氣諧振效應增強，在進氣阻力和諧振效應的共同作用下，發動機輸出扭矩的變化規律出現相反的變化趨勢。

圖2 不同進氣歧管長度下發動機輸出扭矩隨轉速的變化規律

圖3給出了不同進氣歧管長度下發動機輸出功率隨轉速的變化規律。由圖可以看出，隨著進氣歧管長度的增加，發動機在低轉速區內的輸出功率增大且功率峰值向低轉速區靠近；發動機在中高轉速工況下，發動機輸出功率隨著管長的增加而減小。這是因為發動機在低轉速工況下，進氣歧管中氣體的流動速度小，進氣阻力小，氣體不易形成諧振效應，發動機充氣效率提高，發動機輸出功率隨進氣歧管長度增加而增大;發動機在中高轉速工況下，進氣阻力隨進氣歧管加長而增大同時進氣諧振效應增強，在進氣阻力和諧振效應的共同作用下發動機充氣效率下降，進氣流量隨進氣歧管長度的增加而減少，從而使發動機輸出功率減小。

圖3 不同進氣歧管長度下發動機輸出功率隨轉速的變化規律

圖4給出了不同進氣歧管長度下發動機燃油消耗率隨轉速的變化規律。由圖可以看出，隨著進氣歧管長度的增加，發動機在低轉速工況下的燃油消耗率減小，燃油消耗率極值向低轉速區靠近；發動機在中高轉速工況下，燃油消耗率隨進氣歧管長度的加長而增大。這是因為發動機在低轉速工況下，進氣歧管長可以提高發動機充氣效率，進氣效率高可以使混合氣在氣缸內燃燒更加充分進而使發動機燃油消耗率下降；發動機在中高轉速工況下，進氣阻力和進氣諧振效應隨進氣歧管長度的增加而增強，發動機充氣效率下降，缸內混合氣燃燒過程惡化，發動機燃油消耗率升高。

圖4 不同進氣歧管長度下發動機燃油消耗率隨轉速的變化規律

3 結論

基于以上仿真計算結果及理論分析，可以得出以下結論：

(1)在計算選定的進氣歧管長度范圍內，進氣歧管長度對不同轉速下發動機的輸出扭矩、輸出功率和燃油消耗率都有顯著影響。

(2)在低轉速工況下，隨著進氣歧管長度增加，發動機扭矩峰值增大，輸出功率增大，燃油消耗率減小，扭矩峰值、功率峰值和燃油消耗率極值都向低轉速區靠近；在中高轉速工況下燃油消耗率隨著進氣歧管長度的增加而增大，燃油消耗率極值向低轉速區移動。

(3)優化設計發動機進氣歧管長度不僅可以提高發動機在不同轉速工況下的輸出扭矩和功率，還能有效降低發動機燃油消耗率，改善缸內燃燒過程，減少有害排放，提升發動機性能。