进气歧管管长对自然吸气发动机的影响分析

张子庆，杨嘉，平银生

(上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海 200438)

0 前言

随着世界各国对环境保护的日益重视，节能减排已经成为各整车厂重点攻关的任务。混合气加浓和进排气扫气作为提升发动机性能的常规技术措施，已经无法满足“国六”标准对实际行驶污染物排放(RDE)的要求，这意味着由于排放法规的限制，发动机性能将受到严重影响。如何在满足排放法规要求的前提下尽可能提升发动机性能，保证良好的车辆驾驶性能，已成为整车厂面临的主要挑战，具有非常重要的意义。

进气歧管是发动机重要的部件，连接着节气门和气缸盖，通常由进气短管、稳压腔和连接各气缸的支管组成，在发动机进气系统中具有重要作用。众多研究表明，进气歧管管长对发动机性能有着非常重要的影响。VAUGHAN等在Suzuki GSXR-600发动机上研究了可变进气歧管对其性能的影响，结果表明，相比基础机型，可变进气歧管方案使发动机最大功率增加了22%，最大扭矩提升了5%。TAYLOR等研究了进气歧管长度对1.4 L缸内直喷增压汽油机性能和燃油经济性的影响，结果显示，合适的进气歧管管长能够提升扭矩和响应性，并且能够降低燃油耗。MALKHEDE等研究了进气歧管长度对充气效率的影响，发现充气效率与进气歧管长度和发动机转速有某种函数关系。ZHANG等利用一维和三维仿真手段研究了进气歧管管长和腔体形状对阿特金森发动机性能的影响，结果表明，合理的进气歧管长度和腔体形状能够提升发动机最佳热效率并显著扩大经济燃油耗区的范围。

不同发动机的缸径、行程、压缩比、布置空间等结构与尺寸参数不尽相同，为了提高发动机的性能，进气歧管需要结合发动机的具体情况进行有针对性的设计优化。为提升某自主研发的1.5 L自然吸气发动机性能，使之能在满足RDE法规的前提下尽可能不损失整车驾驶性能，同时保证良好的燃油耗和排放水平，在概念设计阶段，利用一维计算机辅助工程 (CAE)仿真并分析了不同长度进气歧管对发动机性能的影响，快速筛选出最优方案；在设计验证阶段，通过对CAE优选方案在发动机台架上进行了测试试验，为最终确定进气歧管管长方案提供了依据。

1 研究方案及仿真分析

1.1 研究方案

为制定合理的研究方案，通过对同排量、同类型的8种发动机分析，1.5 L自然吸气发动机进气歧管管长范围为300～500 mm，如图1所示。结合整车前舱布置空间确定管长限值，即当进气歧管管长达到450 mm时尚能满足行人保护面要求，但管长继续增加时进气歧管将与行人保护面冲突，影响进气歧管的安装，如图2所示。综上分析，将进气歧管管长预选方案范围定为300～450 mm，每隔50 mm长度间隔进行CAE分析，即有300 mm、350 mm、400 mm和450 mm共4组长度方案。

图1 发动机进气歧管管长对标数据

图2 进气歧管与行人保护面

1.2 计算模型及边界条件

为研究进气歧管管长对发动机性能的影响，根据发动机相关参数(见表1)，利用一维发动机性能仿真软件GT-Power搭建包含进排气系统的仿真模块，如图3所示。

表1 发动机基本信息

图3 GT-Power仿真模块

鉴于车辆需要满足“国六”排放法规的RDE工况要求，相比于新欧洲驾驶循环(NEDC)工况和全球统一轻型车测试循环(WLTC)工况，RDE工况发动机转速的运行范围更宽，其中中低速、大负荷工况也处于常用工况。为避免整车实际应用时排放超标，仿真时将发动机转速4 000 r/min以下的过量空气系数均设定为1，即不进行混合气加浓和扫气。同时，为合理评估进气歧管管长对发动机性能的影响，在可变气门正时(VVT)可调范围内进行了进排气相位扫描，确保各转速下VVT处于性能最优位置；通过调整点火角保证不同长度进气歧管方案在相同发动机转速下拥有同样的燃烧效率。

1.3 仿真分析

图4和图5分别为不同进气歧管管长方案下外特性扭矩曲线和对应的充气效率。由图4、图5可知：扭矩与充气效率正相关，发动机相同转速下充气效率越高，扭矩越大。

图4 外特性扭矩

图5 外特性充气效率

当发动机转速不超过3 000 r/min时，相同转速下不同进气歧管管长方案的扭矩表现无明显差异，主要原因是此时充气效率对300～450 mm内的管长不敏感；当发动机转速为1 000～2 500 r/min时，相同转速下不同管长充气效率差异不超过0.5%；当发动机转速为3 000～4 500 r/min时，管长越长，扭矩越大，充气效率表现为同样的趋势，管长和充气效率正相关。当发动机转速为4 000 r/min时，450 mm方案的扭矩比300 mm方案大6.6 N·m，对应的充气效率提升4.5%；当发动机转速大于4 500 r/min时发动机扭矩开始下降，此时与发动机转速为3 000～4 500 r/min时的情况刚好相反，管长越长，扭矩下降越快；发动机转速为6 000 r/min时，450 mm方案扭矩比其他方案低，由图5可知，此时管长越长，充气效率衰减越快，导致450 mm方案进气量减少，扭矩快速下降。分析原因为管长改变了进气惯性和压力波频率，发动机不同转速下表现出不同的调谐效应改变了发动机进气管内压力，从而影响了充气效率。压力变动幅度与发动机转速和管长相关，不同管长方案和转速表现出的充气压力绝对值存在差异，但管长对充气效率改变趋势影响保持一致。

在4个管长方案中，350 mm方案无论是最大扭矩还是发动机在高转速时的功率表现均不突出，处于中间水平；300 mm方案虽然在发动机转速为3 000 r/min时的扭矩最大，但是在转速为3 000～4 500 r/min时扭矩偏低，导致在转速4 000 r/min时扭矩曲线呈现明显的凹坑形态；450 mm方案拥有发动机全转速段最优的扭矩表现，虽然在6 000 r/min转速时扭矩最小，但与其他方案相比，扭矩相差小于1%；400 mm方案的扭矩表现在发动机全转速段较为均衡，拥有较优异的中高速段扭矩。对于发动机性能开发要求，其性能除了需要满足最大扭矩和功率目标外，还要确保拥有较高的中低速扭矩，并避免出现扭矩曲线凹坑，以保证所装配的车辆具备良好的驾驶平顺性。基于这一目标，400 mm和450 mm方案拥有较为优秀的性能表现，因此选取这2个方案作为下一步试验验证及分析的研究方案。

2 试验方案及验证

2.1 试验方案

为验证CAE分析结论并进一步从燃油耗、排放等维度对400 mm和450 mm方案进行评估，制作了450 mm和400 mm管长的进气歧管样件，并在发动机台架上进行测试。这2个方案样件均通过了三维计算流体力学(CFD)仿真及设计优化，确保进气不均匀性都满足<5%的设计要求，避免由于各缸进气不均匀性对试验结果产生影响。

CAE分析结论的可靠性通过外特性试验予以评估，燃油耗和排放结果通过发动机实际常用运行工况进行评估。为合理确定燃油耗和排放对比试验的工况，节省试验资源，通过整车RDE工况仿真得到了发动机的实际运行工况，在考虑各负荷平衡和运行时间权重后选取了3个工况进行燃油耗和排放试验，如表2所示。

表2 燃油耗与排放试验工况参数

2.2 试验设备及试验边界条件

发动机台架试验所用试验仪器设备如表3所示，分别用于测量发动机转速、燃油耗、缸内压力、原始排放中各气体浓度。燃烧分析仪用于对采集的缸压数据进行在线燃烧分析计算及储存。发动机试验台架布置如图6所示。测试燃料为市售辛烷值为92的汽油，试验过程中边界条件维持稳定，进气温度保持在(25±2.5) ℃、发动机出水温度保持在(90±2) ℃、机油温度保持在(90±5) ℃，环境温度、大气压力值等维持稳定。

表3 试验仪器设备

图6 发动机台架试验布置图

2.3 试验结果

2个试验方案的外特性试验结果如图7所示。由图7可知，在发动机低转速段(转速小于2 500 r/min)，2个试验方案的扭矩没有差异；在中转速段(2 500～5 000 r/min)，450 mm方案的扭矩表现更优，但优势并不明显；在高转速段(转速大于5 000 r/min)，400 mm方案扭矩表现更优，其扭矩比450 mm方案平均大约2 N·m。

图7 试验外特性扭矩

虽然试验结果在部分工况点的扭矩值与CAE计算结果有所差异，但是整体趋势与CAE计算结果完全一致，即低转速段扭矩和管长关系不明显，450 mm方案在中转速段的扭矩表现较好，400 mm方案在高转速段的扭矩表现较好，验证了CAE分析结果是正确的。

为降低燃油耗，通过调整表2中工况1和工况2的点火角，使50%累积放热量时的曲轴转角(CA50)调整至压缩行程上止点后8°附近，使燃烧效率处于最优状态。工况3为高负荷工况，为避免爆燃的发生，推迟点火角使CA50调整至压缩行程上止点后16°，同时保持过量空气系数等于1。

表2所选试验工况点下2个方案的比燃油耗情况如图8所示。由图8可知，在工况1条件下，450 mm方案比400 mm方案的比燃油耗高1 g/(kW·h)；在工况2条件下，450 mm方案比400 mm方案的比燃油耗低3 g/(kW·h)；在工况3条件下，2个方案的比燃油耗持平。从试验结果可以看出，相同负荷时不同方案燃油耗虽然有差异，但是差异度均小于1%，考虑到测量误差，两者燃油耗水平可视为相同。

图8 试验比燃油耗对比

图9为台架试验排放测试结果。由图9可知，450 mm方案和400 mm方案的污染物排放水平基本一致；CO排放体积分数为4×10～6×10；相同工况时总碳氢(THC)、氮氧化物(NO)、颗粒数(PN)排放也处于同一量级水平，无显著差异。这可能是由于CO主要受过量空气系数影响，THC主要受发动机缝隙效应影响，NO由高温富氧环境产生，PN排放主要受燃油喷射压力与喷油束设计影响；对于同一台发动机，不存在缝隙效应和喷油束设计等差异，在主控参数和进气歧管气体均匀性保持一致的前提下，50 mm的管长差异对部分负荷混合气滚流比和湍动能影响较小，故燃油耗和排放的表现无明显差异。

图9 台架试验排放结果

综上所述，在发动机中转速段虽然400 mm方案的扭矩比450 mm方案的略低，但是差异并不明显；400 mm方案的高转速段扭矩优势明显，总体性能表现更优；管长对燃油耗及排放无显著影响。考虑到400 mm方案管长较短、质量相对较小，因此400 mm方案相对于450 mm方案更具有实际应用的优势。

3 结论

为提高某自主研发的1.5 L自然吸气发动机性能，借助CAE仿真和台架试验手段，从性能、燃油耗和排放多维度研究了不同进气歧管管长对发动机的影响，得到以下结论：

(1) 通过搭建整机CAE数学模型，研究了4种不同进气歧管管长对发动机性能的影响，结果表明：发动机转速不超过2 500 r/min时，管长对发动机性能影响不大；转速为3 000～5 000 r/min时，管长越长，发动机扭矩越大；转速大于5 000 r/min时，管长越长，发动机扭矩衰减越快。由于管长不同，进气调谐效应产生了差异，从而改变了充气效率。经CAE初步评估，400 mm和450 mm方案性能较优。

(2) 发动机台架外特性试验结果表明：与450 mm方案相比，400 mm方案更具优势，同时管长对发动机性能的影响趋势与CAE计算结果基本一致，验证了CAE分析的可靠性。燃油耗和排放试验结果表明：进气歧管管长对燃油耗和排放的影响并不明显。经最终综合评估，进气歧管管长400 mm方案的实际应用更具有优势。