發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管選型的試驗(yàn)研究

盧兆強(qiáng)，吳 頌

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心，廣西 柳州 545007）

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管選型的試驗(yàn)研究

盧兆強(qiáng)，吳 頌

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心，廣西 柳州 545007）

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管選型的試驗(yàn)研究問題，先用AVL-BOOST建立發(fā)動(dòng)機(jī)模型，模擬出有利于低速工況的進(jìn)氣岐管長(zhǎng)度范圍，并在此范圍內(nèi)選擇3種長(zhǎng)度，利用快速成型技術(shù)制作出進(jìn)氣歧管，通過臺(tái)架試驗(yàn)性能對(duì)比，選出一款低速性能最優(yōu)的岐管，以供二代機(jī)使用。

發(fā)動(dòng)機(jī)；進(jìn)氣歧管；選型；BOOST

隨著中國(guó)城市化的擴(kuò)張，城市車輛快速增加，日益增長(zhǎng)的車輛數(shù)量與發(fā)展相對(duì)緩慢的道路的矛盾，越來越突出，堵車現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，汽車運(yùn)行在城市道路上，發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間在低速下運(yùn)行，充氣效率低，燃燒不充分，造成油耗高和排放差，給本來已經(jīng)日漸枯竭的石油資源、日趨嚴(yán)重的溫室效應(yīng)和日漸惡劣的生活環(huán)境，帶來更為沉重的壓力和破壞。因此，改善發(fā)動(dòng)機(jī)低速工況的燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性和動(dòng)力性，是每一個(gè)汽車企業(yè)共同的責(zé)任。此款發(fā)動(dòng)機(jī)在前期已經(jīng)進(jìn)行了改進(jìn)進(jìn)排氣凸輪型線、優(yōu)化MOP角度、增加VVT、改進(jìn)進(jìn)氣口形狀等措施，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)和排放性能，均得到了顯著的改善，本次通過選擇出一款最有利于低速性能的進(jìn)氣岐管，匹配到二代發(fā)動(dòng)機(jī)上，進(jìn)一步提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的低速性能。

1 原理分析

對(duì)于汽油機(jī)而言，進(jìn)氣量決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，因此選擇最佳尺寸的進(jìn)氣歧管非常重要。發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣過程，是一個(gè)復(fù)雜的脈動(dòng)和諧振過程，該過程和進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有著直接的關(guān)系，可以通過一個(gè)公式進(jìn)行量化分析，管道長(zhǎng)度影響進(jìn)氣管道內(nèi)壓力波的諧振頻率，進(jìn)氣管道長(zhǎng)度與諧振頻率的關(guān)系式：

式中，

K為絕熱指數(shù)；

R為理想氣體常數(shù)；

T為絕對(duì)溫度；

n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；

l為等效管長(zhǎng)；

Km為諧振頻率。

由式（1）可知，管道長(zhǎng)度與諧振頻率成反比關(guān)系，改變進(jìn)氣系統(tǒng)管道長(zhǎng)度，可以調(diào)整進(jìn)氣諧振頻率。增大管道長(zhǎng)度，諧振頻率減小，使得進(jìn)氣諧振點(diǎn)向低轉(zhuǎn)速移動(dòng)；反之，則向高轉(zhuǎn)速移動(dòng)。在進(jìn)氣歧管中，當(dāng)進(jìn)氣開始時(shí)，活塞下行時(shí)所造成的進(jìn)氣門處的壓力減小，波動(dòng)會(huì)迅速傳導(dǎo)到進(jìn)氣歧管的進(jìn)口，變?yōu)閴毫υ黾拥姆瓷洳ǚ瓷浠貋怼Ｈ绻M(jìn)氣管的長(zhǎng)度選擇合理，增加壓力的反射波在進(jìn)氣門關(guān)閉之前到達(dá)進(jìn)氣門，則可以增加進(jìn)氣末期的壓力，提高進(jìn)氣量。壓力波傳播的時(shí)間，主要由進(jìn)氣管的長(zhǎng)度決定。

所以，長(zhǎng)進(jìn)氣岐管在低速時(shí)，有較好的波動(dòng)充氣效果，扭矩較好；但在高速時(shí)，由于進(jìn)氣岐管截面積較小，阻力相對(duì)較大，從而降低了充氣效率，功率較低。因此，長(zhǎng)進(jìn)氣管對(duì)低速時(shí)扭矩有利，短進(jìn)氣管對(duì)高速時(shí)功率有利。因而可以利用這一特性，來提高低轉(zhuǎn)速下氣缸的充氣效率和改善發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能。

2 建立發(fā)動(dòng)機(jī)模型

運(yùn)用著名的發(fā)動(dòng)機(jī)性能模擬分析軟件AVL-BOOST建立發(fā)動(dòng)機(jī)模型，如圖1所示。

圖1 運(yùn)用AVL-BOOST建立發(fā)動(dòng)機(jī)模型

輸入發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)，如表1所列。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)表

進(jìn)行模擬計(jì)算，各進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量及性能的影響，如圖2曲線所示。

圖2 進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)峰值扭矩的影響

3 選型制作樣件

如圖3所示，根據(jù)項(xiàng)目會(huì)議的討論，優(yōu)化目標(biāo)定為90%最大扭矩轉(zhuǎn)速區(qū)域落在1800～5400 r/min，1000～4500 r/min要全面優(yōu)于一代機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，除了前期的增加進(jìn)氣VVT、改進(jìn)進(jìn)排氣凸輪型線、改進(jìn)進(jìn)氣口形狀，還需要對(duì)進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)AVL-BOOST的模擬計(jì)算結(jié)果，選定600mm、635mm、660mm這3種歧管進(jìn)行選型試驗(yàn)，利用快速成型技術(shù)制作出試驗(yàn)用樣件。

4 選型試驗(yàn)

主要試驗(yàn)條件如表2所列，試驗(yàn)方法按照GB/T18297-2001的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行。

表2 主要試驗(yàn)條件表

通過開展WOT試驗(yàn)，對(duì)比發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能。

5 主要性能數(shù)據(jù)分析

通過對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)動(dòng)機(jī)低速區(qū)域的外特性，635mm進(jìn)氣歧管明顯優(yōu)于一代機(jī)的430mm，動(dòng)力性在1000～3600 r/min提高了約20%，并且90%最大扭矩轉(zhuǎn)速區(qū)域落在1800～5400 r/min，達(dá)到了選型目標(biāo)，因此，選擇635mm進(jìn)氣歧管用于二代機(jī)。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)性能對(duì)比曲線

較長(zhǎng)的進(jìn)氣岐管，使得發(fā)動(dòng)機(jī)在低速區(qū)域的動(dòng)力性能，有了明顯的改善，但這是以犧牲部分高速性能為代價(jià)的，這也給下一步進(jìn)氣歧管的改進(jìn)，指明了方向。VIM（可變長(zhǎng)度進(jìn)氣歧管），長(zhǎng)、短管集成于一體，在低速區(qū)域使用長(zhǎng)管，小管徑，以增加空氣流速，從而增強(qiáng)進(jìn)氣渦流，改進(jìn)燃燒，提高燃油經(jīng)濟(jì)性；在高速區(qū)域使用短管，大管徑，以提高進(jìn)氣效率，增大進(jìn)氣流量，通過模擬與試驗(yàn)確定長(zhǎng)短管的切換點(diǎn)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，此點(diǎn)會(huì)落在4000～4500 r/min之間，使得發(fā)動(dòng)機(jī)在特定的轉(zhuǎn)速選擇合適的進(jìn)氣岐管長(zhǎng)度，高速能得到澎湃的動(dòng)力性能，低速能有優(yōu)良的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能。

6 結(jié)束語

在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管開發(fā)過程中，CAD/CAE技術(shù)的聯(lián)合使用，可以縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，對(duì)其設(shè)計(jì)效率及設(shè)計(jì)水平有很大的幫助。

長(zhǎng)進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度使得最高功率點(diǎn)、最大扭矩點(diǎn)向低速移動(dòng)，有助于改善發(fā)動(dòng)機(jī)中低轉(zhuǎn)速的外特性上的動(dòng)力性能。通過這次進(jìn)氣歧管選型試驗(yàn)，達(dá)到了優(yōu)化目標(biāo)，使得中低速區(qū)域的動(dòng)力性有了顯著的提高。

通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，驗(yàn)證了各進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度的對(duì)整機(jī)性能的影響，經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化，最終達(dá)到開發(fā)目標(biāo)。本次選型試驗(yàn)，也驗(yàn)證了岐管長(zhǎng)度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響趨勢(shì)，確立了下一步改進(jìn)目標(biāo)，即采用可變長(zhǎng)度進(jìn)氣岐管。

[1]周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[2]李景淵.發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)性能分析研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2005.

[3]汽車工程手冊(cè)編輯委員會(huì).汽車工程手冊(cè)[K].北京：人民交通出版社，2001.

The Selecting Test Sesearch of Engine Intake Manifold

LU Zhao-qiang，WU song
（SAIC-GM-Wuling Automobile Co.,Ltd.，TDC，Liuzhou Guangxi545007，China）

The question of selecting manifold test investigation,frist,use AVL-BOOST to set up a engine model,which can simulate the best area length of the manifold,choose three different length from this area,and,do the manifold with the fastmoulding technology.Contrasting the performance,select the best length of manifold with low speed for the secondly engine.

engine；manifold；select；BOOST

U464.134+.4

A

1672-545X（2011）09-0026-02

2011-06-18

盧兆強(qiáng)（1983-），男，山東人，工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒開發(fā)。