文代志 姜峰 梁欽付 葉浩鳴

（1.柳州五菱汽車有限責(zé)任公司；2.廣西科技大學(xué)）

LJ465Q發(fā)動(dòng)機(jī)可變長度進(jìn)氣系統(tǒng)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(zé)任公司；2.廣西科技大學(xué)）

為了研究可變進(jìn)氣系統(tǒng)對LJ465Q發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響，利用仿真軟件GT-Power建立該發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程仿真模型，并進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)。經(jīng)對比，試驗(yàn)值與仿真值吻合。在此基礎(chǔ)上分析進(jìn)氣總管與進(jìn)氣歧管的不同管長方案對該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣外特性、功率等的影響，提出一種發(fā)動(dòng)機(jī)可變長度進(jìn)氣系統(tǒng)的研究方法并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 前言

進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)之一，充氣效率作為進(jìn)氣系統(tǒng)的重要評價(jià)指標(biāo)，同時(shí)也是影響發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放性的一個(gè)重要指標(biāo)[1]。在發(fā)動(dòng)機(jī)其它結(jié)構(gòu)參數(shù)特定的條件下，可變進(jìn)氣系統(tǒng)能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)適合較寬的轉(zhuǎn)速范圍，使發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況范圍內(nèi)有更好的充氣效率，并且能夠保證發(fā)動(dòng)機(jī)在高速工況下具有較高的流通性能，在低速工況下缸內(nèi)氣體具有較強(qiáng)的渦流和滾流運(yùn)動(dòng)，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩，降低燃油消耗率和排放指標(biāo)。

本文以LJ465Q發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對象，首先建立發(fā)動(dòng)機(jī)工程過程模型，在臺(tái)架上測得試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)而對所建仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證，利用驗(yàn)證后的模型對進(jìn)氣管管長不同方案進(jìn)行仿真研究，分析可變進(jìn)氣系統(tǒng)對LJ465Q發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的壓力波諧振增壓機(jī)理

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的壓力波諧振增壓機(jī)理為：發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)進(jìn)氣系統(tǒng)因氣門規(guī)律性的開啟、關(guān)閉而致使進(jìn)氣管中存在來回傳播的壓力波。正確利用空氣系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，可使正壓力波在進(jìn)氣門關(guān)閉之前到達(dá)，提高進(jìn)氣終了壓力，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣效率。發(fā)動(dòng)機(jī)的諧振效應(yīng)模式包括進(jìn)氣歧管系統(tǒng)的綜合效應(yīng)和進(jìn)氣系統(tǒng)的整體動(dòng)態(tài)效應(yīng)[2]。

進(jìn)氣歧管系統(tǒng)綜合效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型描述為[3]：

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

進(jìn)氣系統(tǒng)整體動(dòng)態(tài)效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型描述為[4]：

式中，ne為高諧振轉(zhuǎn)速；S為進(jìn)氣總管的截面積；Lz為進(jìn)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(shù)，Vp是一根進(jìn)氣歧管連同進(jìn)氣道的容積。

發(fā)動(dòng)機(jī)的諧振轉(zhuǎn)速是指充氣效率最高點(diǎn)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。多缸發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率隨轉(zhuǎn)速變化而出現(xiàn)在進(jìn)氣外特性曲線上，一般會(huì)出現(xiàn)進(jìn)氣歧管系統(tǒng)綜合效應(yīng)和進(jìn)氣系統(tǒng)整體動(dòng)態(tài)效應(yīng)，產(chǎn)生高、低兩個(gè)諧振轉(zhuǎn)速點(diǎn)，共同影響多缸發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)備有CWF250電渦流測功機(jī)、普聯(lián)FC-2000型發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測試系統(tǒng)等。性能試驗(yàn)在該發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測試系統(tǒng)上進(jìn)行。LJ465Q發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 LJ465Q發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

4 模型建立及分析

4.1 模型的建立

以LJ465Q發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對象，利用GT-Power軟件分析可變長度進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)該發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)建立其工作過程仿真模型。

4.2 模型的驗(yàn)證

在全負(fù)荷工況下利用GT-Power軟件仿真計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速條件下的功率、轉(zhuǎn)矩和燃油消耗率值，與相同工況條件下發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如圖1～圖3所示。

由圖1～圖3可知，仿真值與試驗(yàn)值存在一定偏差。功率的最大偏差為3%；燃油消耗率偏差達(dá)到5%，這是由仿真建模時(shí)所用燃燒模型缺乏相應(yīng)的實(shí)測數(shù)據(jù)而用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)代替造成的；轉(zhuǎn)矩偏差達(dá)到7%，主要是因?yàn)樵谟?jì)算過程中忽略了壓力波衰減及進(jìn)氣相位等對充氣效率的影響。通過比較，仿真值與試驗(yàn)值基本吻合，表明該模型能準(zhǔn)確進(jìn)行可變長度進(jìn)氣系統(tǒng)的分析研究。

4.3 進(jìn)氣總管長度對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

進(jìn)氣門開啟與關(guān)閉會(huì)使進(jìn)氣管內(nèi)的氣流產(chǎn)生壓力波。壓力波從進(jìn)氣門開始以當(dāng)?shù)芈曀賯鞑サ匠ㄩ_管端，又反射傳回進(jìn)氣門，如此反復(fù)往返振蕩?？s短進(jìn)氣管長度，則振蕩周期縮短。為了提高低速轉(zhuǎn)矩以提高加速性，應(yīng)加長進(jìn)氣管長度；反之，為了提高高速轉(zhuǎn)矩以提高額定功率，應(yīng)減小進(jìn)氣管長度。為了解決進(jìn)氣總管長度對發(fā)動(dòng)機(jī)高速性能和低速性能的矛盾，采用可變進(jìn)氣系統(tǒng)，且可變進(jìn)氣管長度不能過長，否則會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)高速性能或低速性能[5～7]。

為了研究進(jìn)氣總管長度的變化對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響趨勢。分別選取進(jìn)氣總管長度值原長、1.2倍原長、1.4倍原長進(jìn)行仿真計(jì)算，得出進(jìn)氣外特性、發(fā)動(dòng)機(jī)功率曲線如圖4和圖5所示。

由圖4可知，隨著進(jìn)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(zhuǎn)速向左移動(dòng)，高諧振轉(zhuǎn)速位置不變，對應(yīng)的充氣效率值也變化不大。這驗(yàn)證了整體進(jìn)氣系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)效應(yīng)機(jī)理，即進(jìn)氣總管長度主要決定低諧振轉(zhuǎn)速點(diǎn)，在整體進(jìn)氣系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)效應(yīng)中起著決定性作用[6]。

由圖5可知，在中低轉(zhuǎn)速下，隨著進(jìn)氣總管長度增加，功率增大，這是由于充氣效率提高，進(jìn)氣量增加，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。在轉(zhuǎn)速3 600 r/min以上時(shí)進(jìn)氣總管長度變化對發(fā)動(dòng)機(jī)功率影響較小，其主要是由于充氣效率變化不大。在中低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，1.2倍原長與1.4倍原長的發(fā)動(dòng)機(jī)功率變化不明顯。因此，選取進(jìn)氣總管1.2倍原長的方案能滿足中低轉(zhuǎn)速區(qū)功率的要求。

4.4 進(jìn)氣歧管長度對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

同理，為了研究進(jìn)氣歧管長度變化對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響趨勢，選取進(jìn)氣歧管長度值原長、1.2倍原長、1.4倍原長作為仿真計(jì)算方案，得出進(jìn)氣外特性、發(fā)動(dòng)機(jī)功率曲線如圖6和圖7所示。

由圖6可知，隨著進(jìn)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(zhuǎn)速點(diǎn)基本不變，而高諧振轉(zhuǎn)速點(diǎn)向左移動(dòng)，高轉(zhuǎn)速區(qū)所對應(yīng)的充氣效率有較大提升。這是因?yàn)檫M(jìn)氣歧管管長增加使iVp增大，集中容積V也相應(yīng)增加；在其它條件不變的情況下，進(jìn)氣歧管管長增加間接對高諧振轉(zhuǎn)速向低轉(zhuǎn)速方向移動(dòng)產(chǎn)生較大的影響。由圖6可驗(yàn)證進(jìn)氣歧管系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)效應(yīng)機(jī)理：進(jìn)氣歧管長度主要決定高諧振轉(zhuǎn)速點(diǎn)，在進(jìn)氣系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)效應(yīng)中起主要作用。

由圖7可知，在中高轉(zhuǎn)速下，隨著進(jìn)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(zhuǎn)速區(qū)不同進(jìn)氣歧管長度對功率值影響較小。在中高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，進(jìn)氣歧管的長度并非隨管長的線性增長而相應(yīng)線性地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。由圖7還可看出，由原長增加到1.2倍原長時(shí)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(fā)動(dòng)機(jī)性能而言，發(fā)動(dòng)機(jī)只在某一范圍內(nèi)存在著比較合適的管長。針對LJ465Q發(fā)動(dòng)機(jī)，其進(jìn)氣歧管在中高轉(zhuǎn)速區(qū)選取原長1.2倍長度比較合理。

5 可變長度進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)想及實(shí)現(xiàn)方式

由圖4與圖6可知，在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)充氣效率出現(xiàn)兩個(gè)諧振轉(zhuǎn)速點(diǎn)，分別對應(yīng)為高、低諧振轉(zhuǎn)速下的最佳充氣效率。利用進(jìn)氣總管管長、進(jìn)氣歧管管長與充氣效率的關(guān)系，縮短進(jìn)氣總管的管長，使低諧振轉(zhuǎn)速點(diǎn)向右移動(dòng)；增加進(jìn)氣歧管的管長，使高諧振轉(zhuǎn)速點(diǎn)向左移動(dòng)。由此可得出：最佳進(jìn)氣系統(tǒng)管長（進(jìn)氣總管長度加進(jìn)氣歧管長度）可提升中等轉(zhuǎn)速范圍的充氣效率，即高、低兩諧振轉(zhuǎn)速點(diǎn)往中等轉(zhuǎn)速靠攏達(dá)到理想的重合點(diǎn)。

對于圖8所示的可變長度進(jìn)氣系統(tǒng)，只需要諧振腔在合理的控制策略下左右移動(dòng)便能實(shí)現(xiàn)這一設(shè)想。該結(jié)構(gòu)將進(jìn)氣歧管與進(jìn)氣總管分為兩部分，進(jìn)氣總管的一端與諧振腔的左側(cè)組成一不可活動(dòng)的整體，進(jìn)氣歧管的一端與諧振腔的右側(cè)為一體，由部分進(jìn)氣總管、諧振腔和部分進(jìn)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(dòng)以實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣總管與進(jìn)氣歧管管長的改變。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

綜合可變進(jìn)氣系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果，1.2倍原長進(jìn)氣總管能滿足中低轉(zhuǎn)速區(qū)功率的要求，1.2倍原長進(jìn)氣歧管在中高轉(zhuǎn)速區(qū)比較合理，對不同長度的進(jìn)氣總管和進(jìn)氣歧管的結(jié)果進(jìn)行綜合確定選擇一種新進(jìn)氣系統(tǒng)，即1.2倍原長進(jìn)氣總管和1.2倍原長進(jìn)氣歧管。

使用UG建立3D模型，然后利用快速成型技術(shù)制作出新進(jìn)氣系統(tǒng)的樣品，裝配到LJ465Q發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行性能試驗(yàn)。圖9為新進(jìn)氣系統(tǒng)與原發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果對比。

由圖9可見，該新進(jìn)氣系統(tǒng)能夠在較寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率，進(jìn)而改善該發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能。

7 結(jié)束語

a.利用GT-Power軟件建立了LJ465Q發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程仿真模型，并進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，仿真值與試驗(yàn)值基本吻合，表明可變長度進(jìn)氣系統(tǒng)仿真計(jì)算是可行的。

b.多缸發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率隨轉(zhuǎn)速變化的進(jìn)氣外特性曲線上會(huì)出現(xiàn)高、低諧振轉(zhuǎn)速下兩個(gè)峰值，兩峰值點(diǎn)受進(jìn)氣總管管長與進(jìn)氣歧管管長的影響。其中進(jìn)氣總管管長主要決定低諧振轉(zhuǎn)速點(diǎn)，進(jìn)氣歧管管長主要決定高諧振轉(zhuǎn)速點(diǎn)。

c.提出了一種可變長度進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)想并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，表明合適的進(jìn)氣系統(tǒng)管長可提升中等轉(zhuǎn)速范圍的充氣效率。

1周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

2王建昕，帥石金.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理.北京：清華大學(xué)出版社，2012.

3劉崢，張揚(yáng)軍.內(nèi)燃機(jī)一維非定常流動(dòng).北京：清華大學(xué)出版社，2007.

4張小燕，詹章松.發(fā)動(dòng)機(jī)可變長度進(jìn)氣歧管系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.內(nèi)燃機(jī)，2007，（1）：21～24.

5余國核，閻祥安，馮淑杰.進(jìn)氣諧振對單缸發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能影響的試驗(yàn)研究.內(nèi)燃機(jī)工程，2004，25（1）:27～34.

6敖穎.汽油機(jī)可變進(jìn)氣歧管系統(tǒng)研究:[學(xué)位論文].長春：吉林大學(xué)，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(zé)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(fā)動(dòng)機(jī)可變長度進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣外特性

U464.134+.4

A

1000-3703（2014）08-0020-04

廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2013GXNSFAA019317）；車輛動(dòng)力與新能源重點(diǎn)研發(fā)中心建設(shè)項(xiàng)目（桂教科研(2013）8號）；廣西科技大學(xué)科學(xué)基金項(xiàng)目（校科自1307109）；廣西重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目（14-A-01-04）。