LJ465Q发动机可变长度进气系统的研究分析＊

文代志 姜峰 梁钦付 叶浩鸣

（1.柳州五菱汽车有限责任公司；2.广西科技大学）

LJ465Q发动机可变长度进气系统的研究分析＊

文代志1姜峰2梁钦付2叶浩鸣2

（1.柳州五菱汽车有限责任公司；2.广西科技大学）

为了研究可变进气系统对LJ465Q发动机动力性和经济性的影响，利用仿真软件GT-Power建立该发动机工作过程仿真模型，并进行发动机台架试验。经对比，试验值与仿真值吻合。在此基础上分析进气总管与进气歧管的不同管长方案对该发动机进气外特性、功率等的影响，提出一种发动机可变长度进气系统的研究方法并进行了试验验证。

1 前言

进气系统设计是发动机设计的重要环节之一，充气效率作为进气系统的重要评价指标，同时也是影响发动机动力性、经济性以及排放性的一个重要指标[1]。在发动机其它结构参数特定的条件下，可变进气系统能够使发动机的进气系统适合较宽的转速范围，使发动机在不同工况范围内有更好的充气效率，并且能够保证发动机在高速工况下具有较高的流通性能，在低速工况下缸内气体具有较强的涡流和滚流运动，从而提高发动机的功率、转矩，降低燃油消耗率和排放指标。

本文以LJ465Q发动机为研究对象，首先建立发动机工程过程模型，在台架上测得试验数据进而对所建仿真模型进行验证，利用验证后的模型对进气管管长不同方案进行仿真研究，分析可变进气系统对LJ465Q发动机动力性和经济性的影响。

2 发动机进气系统的压力波谐振增压机理

发动机进气系统的压力波谐振增压机理为：发动机正常工作时进气系统因气门规律性的开启、关闭而致使进气管中存在来回传播的压力波。正确利用空气系统的动态效应，可使正压力波在进气门关闭之前到达，提高进气终了压力，从而提高发动机的进气效率。发动机的谐振效应模式包括进气歧管系统的综合效应和进气系统的整体动态效应[2]。

进气歧管系统综合效应的数学模型描述为[3]：

式中，n为低谐振转速；a为声速；φse为进气门有效开启角，φse=φ1+φ2-φ3，其中φ1、φ2为进气门提前开启角、迟闭角，φ3为进气门无效开启角，φ3=2×（14～16）；F为进气歧管的横截面积；L为歧管长度；Vh为单缸发动机排量。

进气系统整体动态效应的数学模型描述为[4]：

式中，ne为高谐振转速；S为进气总管的截面积；Lz为进气总管长度；V为集中容积，V=Vb+iVp+iVh/2，其中Vb是谐振腔容积，i是缸数，Vp是一根进气歧管连同进气道的容积。

发动机的谐振转速是指充气效率最高点所对应的转速。多缸发动机充气效率随转速变化而出现在进气外特性曲线上，一般会出现进气歧管系统综合效应和进气系统整体动态效应，产生高、低两个谐振转速点，共同影响多缸发动机的充气效率。

3 发动机性能试验

试验设备有CWF250电涡流测功机、普联FC-2000型发动机台架测试系统等。性能试验在该发动机台架测试系统上进行。LJ465Q发动机的主要技术参数见表1。

表1 LJ465Q发动机技术参数

4 模型建立及分析

4.1 模型的建立

以LJ465Q发动机为研究对象，利用GT-Power软件分析可变长度进气歧管的结构参数，根据该发动机的几何结构参数建立其工作过程仿真模型。

4.2 模型的验证

在全负荷工况下利用GT-Power软件仿真计算发动机各转速条件下的功率、转矩和燃油消耗率值，与相同工况条件下发动机台架上试验数据进行对比，如图1～图3所示。

由图1～图3可知，仿真值与试验值存在一定偏差。功率的最大偏差为3%；燃油消耗率偏差达到5%，这是由仿真建模时所用燃烧模型缺乏相应的实测数据而用经验参数代替造成的；转矩偏差达到7%，主要是因为在计算过程中忽略了压力波衰减及进气相位等对充气效率的影响。通过比较，仿真值与试验值基本吻合，表明该模型能准确进行可变长度进气系统的分析研究。

4.3 进气总管长度对发动机性能的影响

进气门开启与关闭会使进气管内的气流产生压力波。压力波从进气门开始以当地声速传播到敞开管端，又反射传回进气门，如此反复往返振荡。缩短进气管长度，则振荡周期缩短。为了提高低速转矩以提高加速性，应加长进气管长度；反之，为了提高高速转矩以提高额定功率，应减小进气管长度。为了解决进气总管长度对发动机高速性能和低速性能的矛盾，采用可变进气系统，且可变进气管长度不能过长，否则会影响发动机高速性能或低速性能[5～7]。

为了研究进气总管长度的变化对发动机性能的影响趋势。分别选取进气总管长度值原长、1.2倍原长、1.4倍原长进行仿真计算，得出进气外特性、发动机功率曲线如图4和图5所示。

由图4可知，随着进气总管长度由原长增加到1.2倍原长、1.4倍原长，低谐振转速向左移动，高谐振转速位置不变，对应的充气效率值也变化不大。这验证了整体进气系统的动态效应机理，即进气总管长度主要决定低谐振转速点，在整体进气系统的动态效应中起着决定性作用[6]。

由图5可知，在中低转速下，随着进气总管长度增加，功率增大，这是由于充气效率提高，进气量增加，提高了发动机的动力性。在转速3 600 r/min以上时进气总管长度变化对发动机功率影响较小，其主要是由于充气效率变化不大。在中低转速范围内，1.2倍原长与1.4倍原长的发动机功率变化不明显。因此，选取进气总管1.2倍原长的方案能满足中低转速区功率的要求。

4.4 进气歧管长度对发动机性能的影响

同理，为了研究进气歧管长度变化对发动机性能的影响趋势，选取进气歧管长度值原长、1.2倍原长、1.4倍原长作为仿真计算方案，得出进气外特性、发动机功率曲线如图6和图7所示。

由图6可知，随着进气歧管长度由原长增加到1.2倍原长、1.4倍原长，低谐振转速点基本不变，而高谐振转速点向左移动，高转速区所对应的充气效率有较大提升。这是因为进气歧管管长增加使iVp增大，集中容积V也相应增加；在其它条件不变的情况下，进气歧管管长增加间接对高谐振转速向低转速方向移动产生较大的影响。由图6可验证进气歧管系统的动态效应机理：进气歧管长度主要决定高谐振转速点，在进气系统的动态效应中起主要作用。

由图7可知，在中高转速下，随着进气歧管长度的增加，功率增大，其中功率最大提高幅度为2.8%，在低转速区不同进气歧管长度对功率值影响较小。在中高转速范围内，进气歧管的长度并非随管长的线性增长而相应线性地提高发动机的性能。由图7还可看出，由原长增加到1.2倍原长时的功率增量比1.2倍原长增加到1.4倍原长的功率增量大，这表明从提高发动机性能而言，发动机只在某一范围内存在着比较合适的管长。针对LJ465Q发动机，其进气歧管在中高转速区选取原长1.2倍长度比较合理。

5 可变长度进气系统的设想及实现方式

由图4与图6可知，在转速范围内充气效率出现两个谐振转速点，分别对应为高、低谐振转速下的最佳充气效率。利用进气总管管长、进气歧管管长与充气效率的关系，缩短进气总管的管长，使低谐振转速点向右移动；增加进气歧管的管长，使高谐振转速点向左移动。由此可得出：最佳进气系统管长（进气总管长度加进气歧管长度）可提升中等转速范围的充气效率，即高、低两谐振转速点往中等转速靠拢达到理想的重合点。

对于图8所示的可变长度进气系统，只需要谐振腔在合理的控制策略下左右移动便能实现这一设想。该结构将进气歧管与进气总管分为两部分，进气总管的一端与谐振腔的左侧组成一不可活动的整体，进气歧管的一端与谐振腔的右侧为一体，由部分进气总管、谐振腔和部分进气歧管组成可滑移的谐振腔，并通过可滑移谐振腔来回滑动以实现进气总管与进气歧管管长的改变。

6 试验验证

综合可变进气系统的计算结果，1.2倍原长进气总管能满足中低转速区功率的要求，1.2倍原长进气歧管在中高转速区比较合理，对不同长度的进气总管和进气歧管的结果进行综合确定选择一种新进气系统，即1.2倍原长进气总管和1.2倍原长进气歧管。

使用UG建立3D模型，然后利用快速成型技术制作出新进气系统的样品，装配到LJ465Q发动机台架上进行性能试验。图9为新进气系统与原发动机进气系统的试验结果对比。

由图9可见，该新进气系统能够在较宽转速范围内提高发动机的充气效率，进而改善该发动机的动力性、经济性和排放性能。

7 结束语

a.利用GT-Power软件建立了LJ465Q发动机工作过程仿真模型，并进行了发动机台架试验，仿真值与试验值基本吻合，表明可变长度进气系统仿真计算是可行的。

b.多缸发动机充气效率随转速变化的进气外特性曲线上会出现高、低谐振转速下两个峰值，两峰值点受进气总管管长与进气歧管管长的影响。其中进气总管管长主要决定低谐振转速点，进气歧管管长主要决定高谐振转速点。

c.提出了一种可变长度进气系统的结构设想并进行了试验验证，表明合适的进气系统管长可提升中等转速范围的充气效率。

1周龙保.内燃机学.北京：机械工业出版社，2005.

2王建昕，帅石金.汽车发动机原理.北京：清华大学出版社，2012.

3刘峥，张扬军.内燃机一维非定常流动.北京：清华大学出版社，2007.

4张小燕，詹章松.发动机可变长度进气歧管系统的优化设计研究.内燃机，2007，（1）：21～24.

5余国核，阎祥安，冯淑杰.进气谐振对单缸发动机动力性能影响的试验研究.内燃机工程，2004，25（1）:27～34.

6敖颖.汽油机可变进气歧管系统研究:[学位论文].长春：吉林大学，2008.

7 Liu J P，Bingham J F.A study on the in take pressure wave actions and volumetric efficiency-speed characteristics of multicylinder engines.Transaction of CSICE，1997，15（2）: 138～139.

（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为2014年3月1日。

Research on LJ465Q Engine Variable Length Intake System

Wen Daizhi1，Jiang Feng2，Liang Qinfu2，Ye Haoming2
（1.Liuzhou Wuling Automotive Industry Corporation Ltd;2.Guangxi University of Science and Technology）

In order to study the effect on the power and fuel economy of LJ465Q engine of the variable intake system，the engine working process simulation model is established with software GT-Power and perform engine bench test.The comparison indicates that the test results match well with simulation results.On the basis of the test results，we have analyzed the impact on the external characteristic and power of the engine with different length schemes of inlet pipe and intake manifold.We put forward an engine variable length intake system and make the experimental verification.

Engine,Variable length intake system,External characteristic of air intake

发动机可变长度进气系统进气外特性

U464.134+.4

A

1000-3703（2014）08-0020-04

广西自然科学基金项目（2013GXNSFAA019317）；车辆动力与新能源重点研发中心建设项目（桂教科研(2013）8号）；广西科技大学科学基金项目（校科自1307109）；广西重点实验室建设项目（14-A-01-04）。