进气歧管对柴油机工作过程的影响分析

龙爱军，刘善锷，陈煌熙，周宏涛，赵湘衡，罗锐

进气歧管对柴油机工作过程的影响分析

龙爱军，刘善锷，陈煌熙，周宏涛，赵湘衡，罗锐

（湖南南车时代电动汽车股份有限公司，湖南株洲412007）

运用AVL BOOST软件对发动机的工作过程进行模拟计算，分析进气外接管的长度、进气歧管长度对发动机进气过程压力波及充气效率的影响，最终提出优化方案并在试验中验证。

直喷式柴油机；进气歧管；充气效率；工作过程

对于自然吸气发动机，提高充气效率能显著改善发动机的性能。提高充气效率有许多措施，如改变进排气的流通特性、优化配气凸轮、增大进排气阀的流通截面等。其中通过优化进气管的长度实现惯性增压，提高发动机的充气效率，使混合气的形成和燃烧完善是一种简单而有效的办法［1-4］。

本文在高压共轨直喷式双缸柴油机上进行大量实验研究。实验结果表明，通过模拟计算优化进气外接管的长度和进气歧管的长度，利用进气脉冲和谐振可以大幅度提高在标准大气模拟试验时发动机中、高转速下的充气效率。

1　进气波动效应理论

利用进气系统的不稳定流动来提高充气效率是一种简单而有效的方法。其实质是通过提高进气门处气流的压力和速度，以增大内燃机气缸内的充气效率。对充气效率产生的影响主要决定于从下止点开始到进气门关闭这一期间内压力波的特性。

我们所要研究的就是，在匹配增压器的前提下，利用进气管中气体的不稳定流动来增加从下止点开始到进气门关闭这一期间内的进气压力，这种增压方式叫气体动力增压。

气体动力增压的基本原理：当进气门急速打开时，由于活塞的真空吸入作用，使得在进气门的入口处产生一个膨胀波，并在进气歧管内向开口端传播。膨胀波在开口端反射回来压缩波，即反射回来后进气管中的压力大于大气压。如果在进气门即将关闭时，刚好有一个正的压力波传到进气门处，则可使更多的、额外的气流进入气缸，使进气量增多，达到增压的目的。这种利用本循环吸气产生的膨胀波，达到开口端后反射回压力波，以达到增压目的的动力现象叫动力增压，又称惯性增压。

进气过程的动力增压就是利用进气系统（主要是进气歧管）内的压力波动，选择适当的进气支管长度和直径、适当的配气相位。当活塞下移进气时，产生的负压力波传至进气管口后，反射成正压力波。在进气门关闭前，刚好有一个正的最高压力传至气门入口。这时可燃混合气将以较大密度进入气缸内，使充入的新鲜充量增加［5-8］。进气惯性效应最大的条件是在进气的有效持续期ts的后半部分，即在（1/3～1/2）ts的时间内就有一次反射的正压力波与波动的周期相配合。因为进气压力波动的周期是与进气管的实际路程密切相关的。若进气管道的当量长度为Ls，压力波的传播速度为a，则压力波在进气管内传递一个往复来回的时间te：te=2Ls/a。

当te=1/3～1/2 ts时，即1/3～1/2 ts=2Ls/a。因为ts=θs/6n，所以Ls的范围为aθs/36n～aθs/24n。式中：a为进气管中的声速，m/s；θs为进气门持续开启的有效角，CA；n为发动机的转速，r/min。

式中：L为气缸的进气管道长度，m；Vh为气缸的工作容积，代入上式后得到：

这个公式表明，实现进气惯性效应时，进气系统结构参数与发动机转速、气缸工作容积及配气相位角之间的相互约束关系。

利用进气门关闭后进气管中形成压力波动效应来达到增大进气充量的方法，这是另一类型的动力增压。其原理：在进气门迅速关闭时，使进气管内正在流动的空气在气门处受到滞止而产生正压力波，此压力波以音速a（当管内气体一速度u流动时，压力波传播速度为a-u）向进气管的开口端传播。在开口端反射的负压力也以音速a（考虑气体流速时为a-u）向进气门处传播，如果此时进气门仍然关闭着，则此压力波重新向开口端传播，又从开口端反射为正压力波，再返回进气门处，这样往返传播。如果在下一循环的进气门关闭之前刚好有一正压力波峰传来，那么就可得到增压的效果。显然，这种动力增压是利用进气门关闭后进气管内的压力波动效应。如果配合不好，则会在进气门关闭之时传来负压力波，反而使进气量减少。

对于波动效应，在进气歧管内气体压力波完成一次振动有两个来回，其频率为fb，波动效应的次数为

式中：a为进气管中的声速，m/s；L为气缸的进气管道长度，m；n为发动机的转速，r/min。

当q=1.5，2.5，…时，正压力波正好与进气门开启时间同步，可以提高充气效率。

2　缸内燃烧模型的建立

仿真发动机为一款两缸四气门柴油机，匹配增压中冷装置、废气再循环系统（EGR）和高压共轨燃油系统，排量为1.0 L，缸径×行程为85×95mm，压缩比为16.5，直喷ω型燃烧室，最大转矩/转速为125/2 200 N·m/（r/min），标定功率/转速为41/4 000 kW/（r/min）。

AVLBOOST是一个建立整台发动机模型的应用软件。它不仅可以在设计阶段预测发动机的稳态性能，而且还可以分析成型发动机的热力学过程［9］。

柴油机工作过程的数值计算：从柴油机各系统的物理模型出发，利用微分方程对各系统进行数学描述，然后编制计算程序，用计算机求解微分方程，从而求得各参数的变化规律。它既能在设计新型发动机之前对其性能进行预测，又能为改善现有发动机的性能提供优化方案［10-11］。

根据柴油机技术参数建立热力学仿真模型，如图1所示。模型中，SB1、SB2为系统边界；CL1和CO1分别为空气滤清器和冷却器；TC1为涡轮增压器，包括压气机和涡轮机；PL1、PL2分别为排气稳压腔进气稳压腔；C1、C2为气缸；1-22为连接管道；MP1-MP10为各处的测量点；J为节点编号；TH1为节气门（方便EGR废气的引入）。

式中：pe为柴油机的功率，kW；be为燃油消耗率，g/（kW· h）；n为柴油机的转速，r/min；i为柴油机的气缸数；τ为柴油机的行程数。

1）平均指示压力：

循环喷油量的确定：

式中：pmi为平均指示压力，Pa；Wi为发动机一个工作循环的指示功，J；Vs为发动机气缸工作容积，m3；Q1为得到指示功Wi所消耗的热量，J；ηit为指示热效率；Hu为燃料的低热值，kJ/kg；φc为充量系数；φa为过量空气系数；l为化学计量空燃比；Ps为进气管压力，Pa；Ts为进气管温度，K。

由以上公式可知，发动机的平均指示压力与充量系数成正比。

2）平均机械损失压力：在发动机循环模拟计算中，为了得到柴油机的有效参数，需确定平均机械损失压力pmm或机械效率ηm的数值。迄今为止，提出的pmm计算公式不少，但由于机型和运行条件的差别，目前很难建立适用于各种机型的通用公式。本次模拟计算的平均机械损失压力通过经验公式来求得：

pmm=D-0.2（0.00855vm+0.078 9pme-0.021 4）

式中：D为气缸直径，m；vm为活塞平均速度，m/s；pme为平均有效压力，MPa。

图2为根据以上公式计算得到的平均机械损失压力，通过经验得到的平均机械损失压力与实际情况的误差较大。本次计算中，通过建立模型得到的结果文件对模型原有的平均机械损失压力进行修正，最后得到一个较为准确的平均机械损失压力。

3　结果分析

3.1进气歧管长度对进气压力波影响分析

进气歧管长度的增加或管径的减小，可使充量系数的峰值向发动机低速一侧运动，反之，则向高速一侧移动，这一现象就是进气谐振的结果。在发动机进气过程中，活塞的下行运动导致在进气歧管内产生膨胀波。该膨胀波在进气歧管的开口端发射，形成压缩波可以使得发动机进气过程将要结束时，进气门处的压力高于正常的进气压力，从而增加发动机的进气量，提高充量系数。

可运用公式对进气歧管的当量长度Ls进行估算

式中：n为柴油机的转速，r/min；a为进气管中的声速，m/s；θs为进气门持续开启的有效角，CA；Ls为进气歧管的当量长度，m。

由以上公式可知，在柴油机工作的相应每个转速下都有一个最佳的进气歧管长度，取转速为2 000 r/min、3 000 r/min时，分别求得进气歧管的当量长度为300 mm、100mm。通过AVL-Boost软件，可以得到不同转速下的压力波形图，如图3和图4所示。

从图3和图4可知，相同曲轴转角下随着转速的升高其初始进气压力也升高。另外，其进气歧管长度为100mm和300mm，影响其进气压力的峰值。

3.2进气歧管结构多目标优化

进气管结构的优化采用AVL软件自带的优化软件，以进气歧管的长度和进气管直径为设计变量，以缸内进气的质量流量为目标函数，求质量流量最大时的进气管直径和长度。

图5为用AVL优化软件Design Explorer对进气歧管结构优化时，设计的进气歧管长度-直径数据分布点。在软件模拟计算过程中，将对以上各点进行模拟计算，并求取目标函数的最佳值。

图6为软件模拟计算得出的以进气质量流量为目标函数，以进气歧管直径为设计变量的数据分布图。由图6可知，在进气歧管直径为20～30mm时，进气质量流量的值较大。随着进气歧管直径的增加，目标函数的值呈现下降的趋势。

图7为以进气歧管长度为优化变量，进气质量流量为设计目标函数的优化结果。由图7可知，进气歧管长度在100～150mm，时，目标函数的值取得较大。

4　结论

1）建立了该高压共轨直喷式双缸柴油机的热力学仿真模型，并将该模拟计算值作为分析的依据，从而为优化发动机的相关性能提供了一定的参考作用。

2）通过模拟计算优化进气外接管的长度和进气歧管的长度，利用进气脉冲和谐振可以大幅度提高在标准大气模拟试验时，发动机中、高转速下的充气效率。

3）实验结果表明，在进气歧管直径为20～30mm时，进气质量流量的值较大。随着进气歧管直径的增加，进气质量流量的值呈现下降的趋势。进气歧管长度在100～150mm时，进气质量流量的值取得较大。

［1］李云清，庹化金.循环模拟技术在可变长度进气管设计中的应用［J］.内燃机与动力装置，2007，（5）：1-4.

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［4］张雪林，阮仁宇，许涛.可变进气歧管优化设计［J］.北京汽车，2013，（1）：17-19.

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［10］许元默，帅石金，王建昕.进气歧管对电喷汽油机充气效率的影响［J］.内燃机工程，2004，（1）：27-33.

［11］李艳红，蔡忆昔，王玉昆.柴油机工作过程参数优化方法及其应用［J］.小型内燃机与摩托车，2003，（5）：28-30.

修改稿日期：2015-04-27

Im pact Analysisof Intake-manifold on DieselEngineW ork Process

Long Aijun，Liu Shan'e，Chen Huangxi，Zhou Hongtao，Zhao Xiangheng，Luo Rui
（Hunan CSR TimesElectric Vehicle Co.，Ltd，Zhuzhou 412007，China）

The authorsuse AVLBOOST software to simulate the engineworking process，and analyze the influence of intake pipe length，intakemanifold length on the engine intake process pressurewaveand inflation efficiency.Finally they put forward the optimization schemewhich isvalidated through test.

direct injection dieselengine；intake-manifold；inflation efficiency；working process

U464.134+.4

B

1006-3331（2015）05-0040-04

龙爱军（1986-），男，设计师；从事底盘技术设计与研究工作。