进气歧管长度对发动机性能的影响

宋占锋，刘春东，张佳乐，张兰娣，耿明超

1.河北建筑工程学院机械工程学院，河北张家口 075000；2.河北省机械基础实验教学示范中心，河北张家口 075000；3.张家口职业技术学院，河北张家口 075000

0 引言

空气供给系统是汽车发动机的重要组成部分，其作用是为发动机提供新鲜空气，空气供给系统的结构优化决定着发动机工作过程中的动力性和经济性，为发动机的平稳以及高效运行等提供重要保障，具有十分重要的意义。在空气供给系统中，进气歧管的长度是主要的结构参数，合理优化匹配发动机进气歧管长度，可以有效地提高发动机充气效率，从而提高发动机的输出性能，降低燃油消耗率。对发动机进气系统的优化改进与其他提升发动机性能的技术手段相比，成本较低且技术方案比较容易实现，具有良好的技术推广和应用价值，经济效益显著。因此，为了有效提高发动机的整体输出性能，专门开展进气歧管长度变化对发动机输出性能提升的分析研究，进而为新型发动机进气系统开发设计提供理论支撑。

本文利用GT-Power仿真软件，搭建了直列四缸发动机整机模型。基于构建的发动机模型模拟计算了不同转速工况下，进气歧管长度变化对发动机输出扭矩、功率和燃油消耗率的影响，研究结论为发动机进气歧管的结构优化和改进提供了理论参考。

1 发动机工作仿真模型的构建

利用GT-Power仿真软件，构建了直列四缸发动机的仿真模型，模型主要由空气进气系统、空气滤清器模型、燃油喷油器模型、气缸模型、曲轴箱模型和燃烧废气排气系统等组成，四缸发动机整机模型如图1所示。

图1 四缸发动机整机模型

GT-Power仿真模拟软件是以一维CFD为基础，利用有限容积法对热流体展开模拟计算，在计算热流体状态时应用的热力学基本控制方程有：

连续性方程：

(1)

动量方程：

(2)

能量方程：

(3)

式中:为气体密度;为气体流速;为进气管壁的摩擦阻力;为进气管截面积;为气体压力。

原始进气系统的结构参数见表1。其中布置形式为侧边吸气。

表1 原始进气系统的结构参数

四缸汽油发动机的结构参数见表2。其中燃烧方式采用火花点燃，点火次序为1-3-4-2。

表2 四缸汽油发动机的结构参数

考虑到发动机实际运行的工作情况，选择工质为空气，设定发动机进气温度为300 K，进气压力为 100 kPa，开始运行和停机结束的环境参数一致。

2 仿真计算结果与分析

进气歧管是发动机空气供给系统中的重要部件，其长度不仅决定了发动机充气效率而且直接影响着发动机的动力性和经济性。基于构建的整机模型，选取进气歧管长度分别为100、150、200 mm 3种，利用整机模型对发动机不同转速工况下的输出扭矩、功率和燃油消耗率进行了仿真模拟计算。

图2给出了不同进气歧管长度下发动机输出扭矩随转速的变化规律。由图可以看出，随着进气歧管长度的增加，发动机在低转速区内的输出扭矩峰值增大且扭矩峰值向低转速区靠近。这是因为发动机在低转速工况下，进气歧管中气体的流动速度小，气体流速引起的进气阻力小，进气歧管越长，新鲜空气进气量越大，发动机输出扭矩随进气歧管长度增加而增大，扭矩峰值向低转速区移动;在发动机中高转速工况下，随着转速的增加进气歧管中气流速度增大，进气歧管越长进气阻力越大、进气谐振效应增强，在进气阻力和谐振效应的共同作用下，发动机输出扭矩的变化规律出现相反的变化趋势。

图2 不同进气歧管长度下发动机输出扭矩随转速的变化规律

图3给出了不同进气歧管长度下发动机输出功率随转速的变化规律。由图可以看出，随着进气歧管长度的增加，发动机在低转速区内的输出功率增大且功率峰值向低转速区靠近；发动机在中高转速工况下，发动机输出功率随着管长的增加而减小。这是因为发动机在低转速工况下，进气歧管中气体的流动速度小，进气阻力小，气体不易形成谐振效应，发动机充气效率提高，发动机输出功率随进气歧管长度增加而增大;发动机在中高转速工况下，进气阻力随进气歧管加长而增大同时进气谐振效应增强，在进气阻力和谐振效应的共同作用下发动机充气效率下降，进气流量随进气歧管长度的增加而减少，从而使发动机输出功率减小。

图3 不同进气歧管长度下发动机输出功率随转速的变化规律

图4给出了不同进气歧管长度下发动机燃油消耗率随转速的变化规律。由图可以看出，随着进气歧管长度的增加，发动机在低转速工况下的燃油消耗率减小，燃油消耗率极值向低转速区靠近；发动机在中高转速工况下，燃油消耗率随进气歧管长度的加长而增大。这是因为发动机在低转速工况下，进气歧管长可以提高发动机充气效率，进气效率高可以使混合气在气缸内燃烧更加充分进而使发动机燃油消耗率下降；发动机在中高转速工况下，进气阻力和进气谐振效应随进气歧管长度的增加而增强，发动机充气效率下降，缸内混合气燃烧过程恶化，发动机燃油消耗率升高。

图4 不同进气歧管长度下发动机燃油消耗率随转速的变化规律

3 结论

基于以上仿真计算结果及理论分析，可以得出以下结论：

(1)在计算选定的进气歧管长度范围内，进气歧管长度对不同转速下发动机的输出扭矩、输出功率和燃油消耗率都有显著影响。

(2)在低转速工况下，随着进气歧管长度增加，发动机扭矩峰值增大，输出功率增大，燃油消耗率减小，扭矩峰值、功率峰值和燃油消耗率极值都向低转速区靠近；在中高转速工况下燃油消耗率随着进气歧管长度的增加而增大，燃油消耗率极值向低转速区移动。

(3)优化设计发动机进气歧管长度不仅可以提高发动机在不同转速工况下的输出扭矩和功率，还能有效降低发动机燃油消耗率，改善缸内燃烧过程，减少有害排放，提升发动机性能。