LJ465Q發動機可變長度進氣系統的研究分析＊

文代志 姜峰 梁欽付 葉浩鳴

（1.柳州五菱汽車有限責任公司；2.廣西科技大學）

LJ465Q發動機可變長度進氣系統的研究分析＊

文代志1姜峰2梁欽付2葉浩鳴2

（1.柳州五菱汽車有限責任公司；2.廣西科技大學）

為了研究可變進氣系統對LJ465Q發動機動力性和經濟性的影響，利用仿真軟件GT-Power建立該發動機工作過程仿真模型，并進行發動機臺架試驗。經對比，試驗值與仿真值吻合。在此基礎上分析進氣總管與進氣歧管的不同管長方案對該發動機進氣外特性、功率等的影響，提出一種發動機可變長度進氣系統的研究方法并進行了試驗驗證。

1 前言

進氣系統設計是發動機設計的重要環節之一，充氣效率作為進氣系統的重要評價指標，同時也是影響發動機動力性、經濟性以及排放性的一個重要指標[1]。在發動機其它結構參數特定的條件下，可變進氣系統能夠使發動機的進氣系統適合較寬的轉速范圍，使發動機在不同工況范圍內有更好的充氣效率，并且能夠保證發動機在高速工況下具有較高的流通性能，在低速工況下缸內氣體具有較強的渦流和滾流運動，從而提高發動機的功率、轉矩，降低燃油消耗率和排放指標。

本文以LJ465Q發動機為研究對象，首先建立發動機工程過程模型，在臺架上測得試驗數據進而對所建仿真模型進行驗證，利用驗證后的模型對進氣管管長不同方案進行仿真研究，分析可變進氣系統對LJ465Q發動機動力性和經濟性的影響。

2 發動機進氣系統的壓力波諧振增壓機理

發動機進氣系統的壓力波諧振增壓機理為：發動機正常工作時進氣系統因氣門規律性的開啟、關閉而致使進氣管中存在來回傳播的壓力波。正確利用空氣系統的動態效應，可使正壓力波在進氣門關閉之前到達，提高進氣終了壓力，從而提高發動機的進氣效率。發動機的諧振效應模式包括進氣歧管系統的綜合效應和進氣系統的整體動態效應[2]。

進氣歧管系統綜合效應的數學模型描述為[3]：

式中，n為低諧振轉速；a為聲速；φse為進氣門有效開啟角，φse=φ1+φ2-φ3，其中φ1、φ2為進氣門提前開啟角、遲閉角，φ3為進氣門無效開啟角，φ3=2×（14～16）；F為進氣歧管的橫截面積；L為歧管長度；Vh為單缸發動機排量。

進氣系統整體動態效應的數學模型描述為[4]：

式中，ne為高諧振轉速；S為進氣總管的截面積；Lz為進氣總管長度；V為集中容積，V=Vb+iVp+iVh/2，其中Vb是諧振腔容積，i是缸數，Vp是一根進氣歧管連同進氣道的容積。

發動機的諧振轉速是指充氣效率最高點所對應的轉速。多缸發動機充氣效率隨轉速變化而出現在進氣外特性曲線上，一般會出現進氣歧管系統綜合效應和進氣系統整體動態效應，產生高、低兩個諧振轉速點，共同影響多缸發動機的充氣效率。

3 發動機性能試驗

試驗設備有CWF250電渦流測功機、普聯FC-2000型發動機臺架測試系統等。性能試驗在該發動機臺架測試系統上進行。LJ465Q發動機的主要技術參數見表1。

表1 LJ465Q發動機技術參數

4 模型建立及分析

4.1 模型的建立

以LJ465Q發動機為研究對象，利用GT-Power軟件分析可變長度進氣歧管的結構參數，根據該發動機的幾何結構參數建立其工作過程仿真模型。

4.2 模型的驗證

在全負荷工況下利用GT-Power軟件仿真計算發動機各轉速條件下的功率、轉矩和燃油消耗率值，與相同工況條件下發動機臺架上試驗數據進行對比，如圖1～圖3所示。

由圖1～圖3可知，仿真值與試驗值存在一定偏差。功率的最大偏差為3%；燃油消耗率偏差達到5%，這是由仿真建模時所用燃燒模型缺乏相應的實測數據而用經驗參數代替造成的；轉矩偏差達到7%，主要是因為在計算過程中忽略了壓力波衰減及進氣相位等對充氣效率的影響。通過比較，仿真值與試驗值基本吻合，表明該模型能準確進行可變長度進氣系統的分析研究。

4.3 進氣總管長度對發動機性能的影響

進氣門開啟與關閉會使進氣管內的氣流產生壓力波。壓力波從進氣門開始以當地聲速傳播到敞開管端，又反射傳回進氣門，如此反復往返振蕩。縮短進氣管長度，則振蕩周期縮短。為了提高低速轉矩以提高加速性，應加長進氣管長度；反之，為了提高高速轉矩以提高額定功率，應減小進氣管長度。為了解決進氣總管長度對發動機高速性能和低速性能的矛盾，采用可變進氣系統，且可變進氣管長度不能過長，否則會影響發動機高速性能或低速性能[5～7]。

為了研究進氣總管長度的變化對發動機性能的影響趨勢。分別選取進氣總管長度值原長、1.2倍原長、1.4倍原長進行仿真計算，得出進氣外特性、發動機功率曲線如圖4和圖5所示。

由圖4可知，隨著進氣總管長度由原長增加到1.2倍原長、1.4倍原長，低諧振轉速向左移動，高諧振轉速位置不變，對應的充氣效率值也變化不大。這驗證了整體進氣系統的動態效應機理，即進氣總管長度主要決定低諧振轉速點，在整體進氣系統的動態效應中起著決定性作用[6]。

由圖5可知，在中低轉速下，隨著進氣總管長度增加，功率增大，這是由于充氣效率提高，進氣量增加，提高了發動機的動力性。在轉速3 600 r/min以上時進氣總管長度變化對發動機功率影響較小，其主要是由于充氣效率變化不大。在中低轉速范圍內，1.2倍原長與1.4倍原長的發動機功率變化不明顯。因此，選取進氣總管1.2倍原長的方案能滿足中低轉速區功率的要求。

4.4 進氣歧管長度對發動機性能的影響

同理，為了研究進氣歧管長度變化對發動機性能的影響趨勢，選取進氣歧管長度值原長、1.2倍原長、1.4倍原長作為仿真計算方案，得出進氣外特性、發動機功率曲線如圖6和圖7所示。

由圖6可知，隨著進氣歧管長度由原長增加到1.2倍原長、1.4倍原長，低諧振轉速點基本不變，而高諧振轉速點向左移動，高轉速區所對應的充氣效率有較大提升。這是因為進氣歧管管長增加使iVp增大，集中容積V也相應增加；在其它條件不變的情況下，進氣歧管管長增加間接對高諧振轉速向低轉速方向移動產生較大的影響。由圖6可驗證進氣歧管系統的動態效應機理：進氣歧管長度主要決定高諧振轉速點，在進氣系統的動態效應中起主要作用。

由圖7可知，在中高轉速下，隨著進氣歧管長度的增加，功率增大，其中功率最大提高幅度為2.8%，在低轉速區不同進氣歧管長度對功率值影響較小。在中高轉速范圍內，進氣歧管的長度并非隨管長的線性增長而相應線性地提高發動機的性能。由圖7還可看出，由原長增加到1.2倍原長時的功率增量比1.2倍原長增加到1.4倍原長的功率增量大，這表明從提高發動機性能而言，發動機只在某一范圍內存在著比較合適的管長。針對LJ465Q發動機，其進氣歧管在中高轉速區選取原長1.2倍長度比較合理。

5 可變長度進氣系統的設想及實現方式

由圖4與圖6可知，在轉速范圍內充氣效率出現兩個諧振轉速點，分別對應為高、低諧振轉速下的最佳充氣效率。利用進氣總管管長、進氣歧管管長與充氣效率的關系，縮短進氣總管的管長，使低諧振轉速點向右移動；增加進氣歧管的管長，使高諧振轉速點向左移動。由此可得出：最佳進氣系統管長（進氣總管長度加進氣歧管長度）可提升中等轉速范圍的充氣效率，即高、低兩諧振轉速點往中等轉速靠攏達到理想的重合點。

對于圖8所示的可變長度進氣系統，只需要諧振腔在合理的控制策略下左右移動便能實現這一設想。該結構將進氣歧管與進氣總管分為兩部分，進氣總管的一端與諧振腔的左側組成一不可活動的整體，進氣歧管的一端與諧振腔的右側為一體，由部分進氣總管、諧振腔和部分進氣歧管組成可滑移的諧振腔，并通過可滑移諧振腔來回滑動以實現進氣總管與進氣歧管管長的改變。

6 試驗驗證

綜合可變進氣系統的計算結果，1.2倍原長進氣總管能滿足中低轉速區功率的要求，1.2倍原長進氣歧管在中高轉速區比較合理，對不同長度的進氣總管和進氣歧管的結果進行綜合確定選擇一種新進氣系統，即1.2倍原長進氣總管和1.2倍原長進氣歧管。

使用UG建立3D模型，然后利用快速成型技術制作出新進氣系統的樣品，裝配到LJ465Q發動機臺架上進行性能試驗。圖9為新進氣系統與原發動機進氣系統的試驗結果對比。

由圖9可見，該新進氣系統能夠在較寬轉速范圍內提高發動機的充氣效率，進而改善該發動機的動力性、經濟性和排放性能。

7 結束語

a.利用GT-Power軟件建立了LJ465Q發動機工作過程仿真模型，并進行了發動機臺架試驗，仿真值與試驗值基本吻合，表明可變長度進氣系統仿真計算是可行的。

b.多缸發動機充氣效率隨轉速變化的進氣外特性曲線上會出現高、低諧振轉速下兩個峰值，兩峰值點受進氣總管管長與進氣歧管管長的影響。其中進氣總管管長主要決定低諧振轉速點，進氣歧管管長主要決定高諧振轉速點。

c.提出了一種可變長度進氣系統的結構設想并進行了試驗驗證，表明合適的進氣系統管長可提升中等轉速范圍的充氣效率。

1周龍保.內燃機學.北京：機械工業出版社，2005.

2王建昕，帥石金.汽車發動機原理.北京：清華大學出版社，2012.

3劉崢，張揚軍.內燃機一維非定常流動.北京：清華大學出版社，2007.

4張小燕，詹章松.發動機可變長度進氣歧管系統的優化設計研究.內燃機，2007，（1）：21～24.

5余國核，閻祥安，馮淑杰.進氣諧振對單缸發動機動力性能影響的試驗研究.內燃機工程，2004，25（1）:27～34.

6敖穎.汽油機可變進氣歧管系統研究:[學位論文].長春：吉林大學，2008.

7 Liu J P，Bingham J F.A study on the in take pressure wave actions and volumetric efficiency-speed characteristics of multicylinder engines.Transaction of CSICE，1997，15（2）: 138～139.

（責任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2014年3月1日。

Research on LJ465Q Engine Variable Length Intake System

Wen Daizhi1，Jiang Feng2，Liang Qinfu2，Ye Haoming2
（1.Liuzhou Wuling Automotive Industry Corporation Ltd;2.Guangxi University of Science and Technology）

In order to study the effect on the power and fuel economy of LJ465Q engine of the variable intake system，the engine working process simulation model is established with software GT-Power and perform engine bench test.The comparison indicates that the test results match well with simulation results.On the basis of the test results，we have analyzed the impact on the external characteristic and power of the engine with different length schemes of inlet pipe and intake manifold.We put forward an engine variable length intake system and make the experimental verification.

Engine,Variable length intake system,External characteristic of air intake

發動機可變長度進氣系統進氣外特性

U464.134+.4

A

1000-3703（2014）08-0020-04

廣西自然科學基金項目（2013GXNSFAA019317）；車輛動力與新能源重點研發中心建設項目（桂教科研(2013）8號）；廣西科技大學科學基金項目（校科自1307109）；廣西重點實驗室建設項目（14-A-01-04）。