黃昌瑞　程勉宏　張伯瑜

摘 要：本文敘述了一款自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)可變長(zhǎng)度進(jìn)氣歧管的設(shè)計(jì)及優(yōu)化工作。對(duì)現(xiàn)在進(jìn)氣歧管方案中存在的性能問(wèn)題提出了兩級(jí)可變長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化。利用GT-power軟件探究了進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度、管徑變化對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，并確定了可變長(zhǎng)度進(jìn)氣歧管主要參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，提出了4個(gè)可變長(zhǎng)度進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)方案。對(duì)各方案進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)一維性能模擬計(jì)算，選出最優(yōu)方案并進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。優(yōu)化后的進(jìn)氣歧管在各轉(zhuǎn)速下均具有較好的動(dòng)力性。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)；可變長(zhǎng)度進(jìn)氣歧管；性能優(yōu)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(hào)：TK402 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

本文以模擬計(jì)算和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，為一款自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)并優(yōu)化進(jìn)氣歧管。進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)參數(shù)影響發(fā)動(dòng)機(jī)充量系數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)性能將隨著充量系數(shù)的增加而提高。經(jīng)過(guò)良好設(shè)計(jì)優(yōu)化的進(jìn)氣歧管在各轉(zhuǎn)速工況下具有良好的進(jìn)氣均勻性，提高缸內(nèi)可燃混合氣的燃燒質(zhì)量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能。

1.進(jìn)氣歧管的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的提出

對(duì)于特定燃燒室、缸蓋進(jìn)氣道及排量的發(fā)動(dòng)機(jī)，充量系數(shù)最高的進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)參數(shù)隨發(fā)動(dòng)機(jī)工況不同而變化。結(jié)構(gòu)參數(shù)可變的進(jìn)氣系統(tǒng)可以使發(fā)動(dòng)機(jī)很好地利用氣體的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，提高充氣效率，在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有更好的動(dòng)力性能?？勺冮L(zhǎng)度進(jìn)氣歧管是目前一種能夠有效提高不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)的容積效率，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的先進(jìn)技術(shù)。本文分析了進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度和直徑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，在此基礎(chǔ)上，綜合考慮可變進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、控制方式和成本等因素，將原進(jìn)氣歧管方案改為兩級(jí)可變長(zhǎng)度進(jìn)氣歧管。通過(guò)進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)及管路直徑的重新匹配，更好地滿足了發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下不同的進(jìn)氣需求，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能得到提升。

在原歧管結(jié)構(gòu)方案基礎(chǔ)上，擴(kuò)大穩(wěn)壓腔容積、加裝帶有旋轉(zhuǎn)閥的轉(zhuǎn)接管，旋轉(zhuǎn)閥只有開(kāi)啟和關(guān)閉兩種狀態(tài)。如圖1所示，在高轉(zhuǎn)速工況下，旋轉(zhuǎn)閥開(kāi)啟，空氣同時(shí)經(jīng)長(zhǎng)管和短管進(jìn)入缸蓋進(jìn)氣道。在低轉(zhuǎn)速下，旋轉(zhuǎn)閥關(guān)閉，空氣只經(jīng)長(zhǎng)管進(jìn)入缸蓋進(jìn)氣道。

1.2進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度、直徑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響及其優(yōu)化

進(jìn)氣歧管關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)包括進(jìn)氣管的長(zhǎng)度、直徑、形狀、穩(wěn)壓腔容積及進(jìn)氣歧管各部件連接方式等。而進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度、直徑是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)充量系數(shù)影響較為顯著的兩個(gè)參數(shù)。本文使用GT-power軟件分析了進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度、直徑變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，找到了最適合于該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.計(jì)算模型建立

2.1 計(jì)算過(guò)程進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取

計(jì)算模型中進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)如圖2所示，進(jìn)氣歧管采用4個(gè)相同的直圓管，穩(wěn)壓腔容積為1.91L保持不變。計(jì)算過(guò)程中改變進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度L和進(jìn)氣歧管與穩(wěn)壓腔接觸位置的直徑D2，支管長(zhǎng)度從300mm開(kāi)始間隔100mm取至600mm，支管與穩(wěn)壓腔相連處直徑D2從30mm開(kāi)始間隔1mm取至46mm。

2.2 計(jì)算工況

計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷工況下的性能特性。計(jì)算所選取的轉(zhuǎn)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(jì)算結(jié)果與分析

進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度L、管徑D2的變化會(huì)影響進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)氣流的諧振增壓效應(yīng)，從而改變發(fā)動(dòng)機(jī)充量系數(shù)，影響發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量，繼而影響發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩。由圖3和圖4（e）可知，4000 r/min情況下，進(jìn)氣量的變化規(guī)律與扭矩的變化規(guī)律一致。圖4為不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度L、管徑D2的變化對(duì)于扭矩的影響，通過(guò)對(duì)這些計(jì)算結(jié)果的分析可知這兩個(gè)進(jìn)氣歧管參數(shù)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的影響。

由以上發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩隨支管長(zhǎng)度、直徑的變化規(guī)律，總結(jié)出了各轉(zhuǎn)速下使扭矩最大化的支管長(zhǎng)度和直徑的范圍，見(jiàn)表1。

由以上計(jì)算結(jié)果可知，在轉(zhuǎn)速為1000r/min～2000r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩較大的進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度、管徑的范圍較寬。而在轉(zhuǎn)速為2400r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩較大的區(qū)域集中在圖中左上角，即進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度最長(zhǎng)、管徑最小的區(qū)域。在轉(zhuǎn)速?gòu)?600r/min增至4400r/min的過(guò)程中，圖中扭矩最大的區(qū)域向右移動(dòng)，轉(zhuǎn)速?gòu)?400r/min增至5000r/min的過(guò)程中，圖中扭矩最大的區(qū)域進(jìn)一步向下移動(dòng)，即隨著轉(zhuǎn)速的提高，進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度的減少、管徑的增加有利于發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的提高。endprint

對(duì)于中低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，即2400r/min～4600r/min，進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度選600mm可使發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩最大，但由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)空間限制，進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度最大值只能選530mm。而在高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，使發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩最大的支管長(zhǎng)度要短得多，考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置及歧管尺寸結(jié)構(gòu)限制短管長(zhǎng)度僅可取330mm左右。在長(zhǎng)管長(zhǎng)度為530mm的情況下，在各可能切換轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)可以達(dá)到的最大扭矩值，以及最大扭距所對(duì)應(yīng)的管徑D2見(jiàn)表2和表3。

3.可變進(jìn)氣歧管方案

3.1設(shè)計(jì)方案

根據(jù)進(jìn)氣歧管管長(zhǎng)及管徑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，并考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間布置，提出4種可變長(zhǎng)度進(jìn)氣歧管方案。圖5為4種方案的幾何模型。對(duì)方案3的幾何參數(shù)做了一些變動(dòng)，形成了4個(gè)新方案。

3.2可變進(jìn)氣歧管1D性能模擬

利用GT-power軟件分別對(duì)進(jìn)氣歧管旋轉(zhuǎn)閥開(kāi)啟和旋轉(zhuǎn)閥關(guān)閉兩種情況下各方案發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況進(jìn)行模擬。模擬工況均為全負(fù)荷工況，主要考察發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性。

圖6為進(jìn)氣歧管旋轉(zhuǎn)閥開(kāi)啟和關(guān)閉兩種情況下各方案發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩曲線。兼顧中低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速下的扭矩，為各方案選取了兩種工作模式切換時(shí)所對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

由圖7所示的可變進(jìn)氣歧管各方案與原方案的扭矩對(duì)比可知，采用可變進(jìn)氣歧管后扭矩在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均有所提高，尤其在2500r/min～4000r/min范圍內(nèi)有較大幅度提高。采用可變進(jìn)氣歧管顯著改善了發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性，解決了原單一管長(zhǎng)進(jìn)氣歧管不能兼顧中低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速工況的問(wèn)題。

方案3A在2000r/min左右扭矩較低，但在其他轉(zhuǎn)速下，特別是在2500r/min～3500r/min扭矩都較高，方案3在各轉(zhuǎn)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(yōu)方案。

3.3可變進(jìn)氣歧管方案試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)可變進(jìn)氣歧管方案3B制作了樣件。試驗(yàn)工況為全負(fù)荷，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1000r/min～6000r/min。由圖8所示的試驗(yàn)用基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝了方案3B可變進(jìn)氣歧管的扭矩曲線與安裝了初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)氣歧管的扭矩曲線對(duì)比可知，與發(fā)動(dòng)機(jī)1D模擬結(jié)果相似，使用方案3B可變進(jìn)氣歧管后，發(fā)動(dòng)機(jī)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(zhuǎn)速下的動(dòng)力性也比較好。

結(jié)論

利用模擬計(jì)算與發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)以較高的效率，較低的成本優(yōu)化設(shè)計(jì)了一款可變進(jìn)氣歧管。該進(jìn)氣歧管改善了發(fā)動(dòng)機(jī)在中低轉(zhuǎn)速下動(dòng)力性欠佳的問(wèn)題。

借助GT-power軟件，找出了該款發(fā)動(dòng)機(jī)在各轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩最大化的進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度、管徑。發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?000r/min～2000r/min、2000r/min～3000r/min、 3000r/min～4400r/min、4400r/min～4800r/min、轉(zhuǎn)速為5000r/min時(shí)的各工況下，扭矩達(dá)到最大時(shí)進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度和管徑的變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出若干可變長(zhǎng)度進(jìn)氣歧管方案。經(jīng)一維性能模擬，選出最優(yōu)的可變長(zhǎng)度進(jìn)氣歧管方案，并完成了試驗(yàn)驗(yàn)證。相對(duì)于初步設(shè)計(jì)的進(jìn)氣歧管方案，可變進(jìn)氣歧管更好地利用了進(jìn)氣動(dòng)態(tài)效應(yīng)，提高充量系數(shù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具備了較好的動(dòng)力性，特別是提升了2500r/min～3500 r/min下的扭矩，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能。

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