發動機可變長度進氣歧管的設計與優化

黃昌瑞　程勉宏　張伯瑜

摘 要：本文敘述了一款自然吸氣發動機可變長度進氣歧管的設計及優化工作。對現在進氣歧管方案中存在的性能問題提出了兩級可變長度進行優化。利用GT-power軟件探究了進氣歧管長度、管徑變化對該發動機的影響，并確定了可變長度進氣歧管主要參數。在此基礎上，提出了4個可變長度進氣歧管結構方案。對各方案進行了發動機一維性能模擬計算，選出最優方案并進行了臺架試驗驗證。優化后的進氣歧管在各轉速下均具有較好的動力性。

關鍵詞：發動機；可變長度進氣歧管；性能優化

Abstract： In this article， the design and optimization of a variable intake manifold was described. In order to improve the engine performance， two-step variable length of intake manifold was adopted. The impact of variety lengths and diameters of the runners to the engine was explored with GT-power. On the basis of that， four design plan of variable-length intake manifold was proposed. After analyzing the results of engine performance one-dimensional simulation the variable-length intake manifold design was determined. The Optimized intake manifold has better power performance at most engine speed.

Keywords： Engine；Variable-Length；Intake Manifold；Performance；Optimization

中圖分類號：TK402 文獻標識碼：A

本文以模擬計算和試驗相結合的方法，為一款自然吸氣發動機設計并優化進氣歧管。進氣歧管的結構參數影響發動機充量系數，發動機性能將隨著充量系數的增加而提高。經過良好設計優化的進氣歧管在各轉速工況下具有良好的進氣均勻性，提高缸內可燃混合氣的燃燒質量，提高發動機的各項性能。

1.進氣歧管的優化設計

1.1優化設計方案的提出

對于特定燃燒室、缸蓋進氣道及排量的發動機，充量系數最高的進氣歧管結構參數隨發動機工況不同而變化。結構參數可變的進氣系統可以使發動機很好地利用氣體的動態效應，提高充氣效率，在較寬的轉速范圍內具有更好的動力性能。可變長度進氣歧管是目前一種能夠有效提高不同轉速下發動機的容積效率，從而提高發動機性能的先進技術。本文分析了進氣歧管長度和直徑對發動機性能的影響，在此基礎上，綜合考慮可變進氣系統的結構、功能、控制方式和成本等因素，將原進氣歧管方案改為兩級可變長度進氣歧管。通過進氣歧管長度的優化設計及管路直徑的重新匹配，更好地滿足了發動機不同轉速下不同的進氣需求，從而使發動機整體性能得到提升。

在原歧管結構方案基礎上，擴大穩壓腔容積、加裝帶有旋轉閥的轉接管，旋轉閥只有開啟和關閉兩種狀態。如圖1所示，在高轉速工況下，旋轉閥開啟，空氣同時經長管和短管進入缸蓋進氣道。在低轉速下，旋轉閥關閉，空氣只經長管進入缸蓋進氣道。

1.2進氣歧管長度、直徑對發動機性能的影響及其優化

進氣歧管關鍵結構參數包括進氣管的長度、直徑、形狀、穩壓腔容積及進氣歧管各部件連接方式等。而進氣歧管長度、直徑是對發動機充量系數影響較為顯著的兩個參數。本文使用GT-power軟件分析了進氣歧管長度、直徑變化對發動機性能的影響，找到了最適合于該發動機進氣歧管結構參數。

2.計算模型建立

2.1 計算過程進氣歧管結構參數的選取

計算模型中進氣歧管結構如圖2所示，進氣歧管采用4個相同的直圓管，穩壓腔容積為1.91L保持不變。計算過程中改變進氣歧管長度L和進氣歧管與穩壓腔接觸位置的直徑D2，支管長度從300mm開始間隔100mm取至600mm，支管與穩壓腔相連處直徑D2從30mm開始間隔1mm取至46mm。

2.2 計算工況

計算發動機全負荷工況下的性能特性。計算所選取的轉速分別為1000r/min、2000r/min、2400r/min、2600r/min、3000r/min、3600r/min、3800r/min、4000r/min、4200r/min、4400r/min、4600r/min、4800r/min、5000r/min、6000r/min。

2.3 計算結果與分析

進氣歧管長度L、管徑D2的變化會影響進氣系統內氣流的諧振增壓效應，從而改變發動機充量系數，影響發動機進氣量，繼而影響發動機扭矩。由圖3和圖4（e）可知，4000 r/min情況下，進氣量的變化規律與扭矩的變化規律一致。圖4為不同轉速下進氣歧管長度L、管徑D2的變化對于扭矩的影響，通過對這些計算結果的分析可知這兩個進氣歧管參數對于發動機動力性的影響。

由以上發動機扭矩隨支管長度、直徑的變化規律，總結出了各轉速下使扭矩最大化的支管長度和直徑的范圍，見表1。

由以上計算結果可知，在轉速為1000r/min～2000r/min時，發動機扭矩較大的進氣歧管長度、管徑的范圍較寬。而在轉速為2400r/min時，發動機扭矩較大的區域集中在圖中左上角，即進氣歧管長度最長、管徑最小的區域。在轉速從2600r/min增至4400r/min的過程中，圖中扭矩最大的區域向右移動，轉速從4400r/min增至5000r/min的過程中，圖中扭矩最大的區域進一步向下移動，即隨著轉速的提高，進氣歧管長度的減少、管徑的增加有利于發動機動力性的提高。endprint

對于中低轉速狀態下，即2400r/min～4600r/min，進氣歧管長度選600mm可使發動機扭矩最大，但由于發動機艙內空間限制，進氣歧管長度最大值只能選530mm。而在高轉速狀態下，使發動機扭矩最大的支管長度要短得多，考慮到發動機艙布置及歧管尺寸結構限制短管長度僅可取330mm左右。在長管長度為530mm的情況下，在各可能切換轉速下發動機可以達到的最大扭矩值，以及最大扭距所對應的管徑D2見表2和表3。

3.可變進氣歧管方案

3.1設計方案

根據進氣歧管管長及管徑對發動機性能的影響，并考慮到發動機艙空間布置，提出4種可變長度進氣歧管方案。圖5為4種方案的幾何模型。對方案3的幾何參數做了一些變動，形成了4個新方案。

3.2可變進氣歧管1D性能模擬

利用GT-power軟件分別對進氣歧管旋轉閥開啟和旋轉閥關閉兩種情況下各方案發動機工作狀況進行模擬。模擬工況均為全負荷工況，主要考察發動機動力性。

圖6為進氣歧管旋轉閥開啟和關閉兩種情況下各方案發動機扭矩曲線。兼顧中低轉速和高轉速下的扭矩，為各方案選取了兩種工作模式切換時所對應的發動機轉速。

由圖7所示的可變進氣歧管各方案與原方案的扭矩對比可知，采用可變進氣歧管后扭矩在較寬的轉速范圍內均有所提高，尤其在2500r/min～4000r/min范圍內有較大幅度提高。采用可變進氣歧管顯著改善了發動機動力性，解決了原單一管長進氣歧管不能兼顧中低轉速和高轉速工況的問題。

方案3A在2000r/min左右扭矩較低，但在其他轉速下，特別是在2500r/min～3500r/min扭矩都較高，方案3在各轉速下扭矩稍低于方案3A。而方案4在2000r/min和4000r/min左右扭矩較高，在低速和高速工況下扭矩則較低。綜合分析各方案的外特性曲線，決定選取3A為最優方案。

3.3可變進氣歧管方案試驗驗證

對可變進氣歧管方案3B制作了樣件。試驗工況為全負荷，發動機轉速為1000r/min～6000r/min。由圖8所示的試驗用基礎發動機安裝了方案3B可變進氣歧管的扭矩曲線與安裝了初步設計方案進氣歧管的扭矩曲線對比可知，與發動機1D模擬結果相似，使用方案3B可變進氣歧管后，發動機在2500r/min～4000r/min下的扭矩有明顯提高，在3000r/min下扭矩提高了7.5N·m，其他各轉速下的動力性也比較好。

結論

利用模擬計算與發動機臺架試驗以較高的效率，較低的成本優化設計了一款可變進氣歧管。該進氣歧管改善了發動機在中低轉速下動力性欠佳的問題。

借助GT-power軟件，找出了該款發動機在各轉速下發動機扭矩最大化的進氣歧管長度、管徑。發現發動機轉速從1000r/min～2000r/min、2000r/min～3000r/min、 3000r/min～4400r/min、4400r/min～4800r/min、轉速為5000r/min時的各工況下，扭矩達到最大時進氣歧管長度和管徑的變化規律。在此基礎上，設計出若干可變長度進氣歧管方案。經一維性能模擬，選出最優的可變長度進氣歧管方案，并完成了試驗驗證。相對于初步設計的進氣歧管方案，可變進氣歧管更好地利用了進氣動態效應，提高充量系數，使發動機在較寬的轉速范圍內具備了較好的動力性，特別是提升了2500r/min～3500 r/min下的扭矩，改善了發動機整體性能。

參考文獻

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