某发动机进排气系统压力损失对性能的影响

付友 李慧军 孙飞 由毅

（盖斯特动力总成技术（苏州）有限责任公司）

进排气系统作为发动机的重要组成部分，对发动机的动力性、经济性及环保性起着至关重要的作用，其中重要的指标为排气背压与进气压损。排气背压的大小主要受排气歧管、废弃涡轮增压器、三元催化器及消声器等零部件结构的影响；进气压力损失的大小主要受整车进气管、空气滤清器、中冷器及进气歧管等零部件结构的影响。文章通过AVL-BOOST软件建立了某增压发动机一维热力学模型[1]，分析了排气背压与进气压力损失在不同压力损失时对发动机性能的影响[2]，为以后发动机进排气系统的设计提供了可参考值。

1 建立计算分析模型

1.1 发动机基本参数

发动机基本参数，如表1所示。

表1 某增压发动机基本参数

1.2 模型建立

测量某增压发动机实际进排气管路尺寸、进排气道长度及内径等参数，建立一维热力学分析模型，模型包括整车进气系统、空气滤清器、节流阀体、进气歧管、气缸参数（包含缸体和缸盖的参数）、排气歧管及整车三元催化器等主要零部件。热力学模型，如图1所示。

1.3 发动机相关零部件尺寸参数定义

1.3.1 空滤器基本参数

发动机空气滤清器的基本结构参数和相关特性参数，如表2所示。

表2 空滤器基本参数

1.3.2 进排气歧管基本参数

发动机1～4缸进气歧管管长均为73 mm，截面直径均为30 mm；排气歧管管长均为300 mm，截面直径均为28 mm。

1.3.3 发动机气缸内基本参数

发动机气缸参数主要对进排气门升程曲线和气道流量系数进行设置，并合理设置缸内燃烧参数。

图2示出该发动机基准进排气门升程曲线图，其中进气门最大升程为8mm，排气门最大升程为7.4mm。

上述气门升程曲线的基本情况，如表3所示。

表3 某增压发动机气门升程曲线基本情况

图3示出模拟计算中，该发动机的实际进排气道流量系数随着气门升程的变化关系。

发动机的基本燃烧参数，如表4所示。

表4 某增压发动机燃烧参数

该发动机缸内活塞顶部表面积5 000 mm2，气缸盖燃烧室表面积5 600 mm2，活塞Ⅰ环和Ⅱ环侧面积之和300 mm2。

1.3.4 涡轮增压器参数

涡轮增压器技术参数，如表5所示。

表5 某增压发动机涡轮增压器参数

1.3.5 中冷器参数

中冷器技术参数，如表6所示。

表6 某增压发动机中冷器参数

1.3.6 三元催化器参数

三元催化器技术参数，如表7所示。

表7 某增压发动机三元催化器参数

1.3.7 消音器参数

消音器出入口管长均为500 mm，体积5 L。

1.4 BOOST模拟边界条件及分析方法

1.4.1 边界条件

边界条件的选取对于模型分析结果影响较大，而环境参数又多变，选定一个合理的边界条件十分重要。根据发动机运转理想环境，进排气边界条件为进排气压力100 kPa，温度均为25℃，进气系统压力损失为5.2kPa@5500r/min，排气背压为40.9kPa@5500r/min。

1.4.2 分析方法

在模拟分析中，沿用了该增压发动机基础机型的缸内燃烧参数以及摩擦功数值。为了分析计算不同进气压力损失与排气背压对发动机性能的影响，分析排气背压时，设定进气压力损失为定值；反之，分析进气压力损失时，设定排气背压为定值。

2 分析计算结果

2.1 不同排气背压下发动机性能的数据

根据分析方法，发动机在进气压力损失为5.2 kPa，排气背压分别为27.6，40.9，47.9 kPa时的功率和扭矩，如图4和图5所示。

2.2 不同进气压力损失下发动机性能的数据

发动机在排气背压为40.9 kPa，进气压力损失分别为2.3，5.2，7.9，11.7 kPa时的功率和扭矩，如图6和图7所示。

根据不同排气背压及不同进气压力损失的分析计算数据，统计在不同进排气压力损失下的最大功率、最大扭矩及低速（1 500 r/min）扭矩数据，如表8所示。

表8 不同进排气压力损失时最大功率、最大扭矩及低速扭矩

3 结论

1）在进气压力损失一定时，随着排气背压的增大，发动机性能降低；在排气背压一定时，随着进气压力损失的增加，发动机的性能随之降低；

2）从低速扭矩的变化情况来看，发动机在低速工况时，随着进排气压力损失的改变，扭矩值变化幅度不大，说明进排气系统压力损失对发动机在中高速工况时的性能影响显著；

3）在发动机进排气系统开发中，排气背压建议不超过40 kPa，进气压力损失不超过6 kPa。