宋占鋒，劉春東，張佳樂，張?zhí)m娣，耿明超

1.河北建筑工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河北張家口 075000；2.河北省機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，河北張家口 075000；3.張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北張家口 075000

0 引言

空氣供給系統(tǒng)是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，其作用是為發(fā)動(dòng)機(jī)提供新鮮空氣，空氣供給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化決定著發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，為發(fā)動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)以及高效運(yùn)行等提供重要保障，具有十分重要的意義。在空氣供給系統(tǒng)中，進(jìn)氣歧管的長度是主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，合理優(yōu)化匹配發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管長度，可以有效地提高發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出性能，降低燃油消耗率。對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)與其他提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能的技術(shù)手段相比，成本較低且技術(shù)方案比較容易實(shí)現(xiàn)，具有良好的技術(shù)推廣和應(yīng)用價(jià)值，經(jīng)濟(jì)效益顯著。因此，為了有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)的整體輸出性能，專門開展進(jìn)氣歧管長度變化對發(fā)動(dòng)機(jī)輸出性能提升的分析研究，進(jìn)而為新型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)提供理論支撐。

本文利用GT-Power仿真軟件，搭建了直列四缸發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)模型?；跇?gòu)建的發(fā)動(dòng)機(jī)模型模擬計(jì)算了不同轉(zhuǎn)速工況下，進(jìn)氣歧管長度變化對發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩、功率和燃油消耗率的影響，研究結(jié)論為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進(jìn)提供了理論參考。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)工作仿真模型的構(gòu)建

利用GT-Power仿真軟件，構(gòu)建了直列四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真模型，模型主要由空氣進(jìn)氣系統(tǒng)、空氣濾清器模型、燃油噴油器模型、氣缸模型、曲軸箱模型和燃燒廢氣排氣系統(tǒng)等組成，四缸發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)模型如圖1所示。

圖1 四缸發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)模型

GT-Power仿真模擬軟件是以一維CFD為基礎(chǔ)，利用有限容積法對熱流體展開模擬計(jì)算，在計(jì)算熱流體狀態(tài)時(shí)應(yīng)用的熱力學(xué)基本控制方程有：

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

能量方程：

(3)

式中:為氣體密度;為氣體流速;為進(jìn)氣管壁的摩擦阻力;為進(jìn)氣管截面積;為氣體壓力。

原始進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。其中布置形式為側(cè)邊吸氣。

表1 原始進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

四缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。其中燃燒方式采用火花點(diǎn)燃，點(diǎn)火次序?yàn)?-3-4-2。

表2 四缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行的工作情況，選擇工質(zhì)為空氣，設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度為300 K，進(jìn)氣壓力為 100 kPa，開始運(yùn)行和停機(jī)結(jié)束的環(huán)境參數(shù)一致。

2 仿真計(jì)算結(jié)果與分析

進(jìn)氣歧管是發(fā)動(dòng)機(jī)空氣供給系統(tǒng)中的重要部件，其長度不僅決定了發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率而且直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。基于構(gòu)建的整機(jī)模型，選取進(jìn)氣歧管長度分別為100、150、200 mm 3種，利用整機(jī)模型對發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速工況下的輸出扭矩、功率和燃油消耗率進(jìn)行了仿真模擬計(jì)算。

圖2給出了不同進(jìn)氣歧管長度下發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。由圖可以看出，隨著進(jìn)氣歧管長度的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速區(qū)內(nèi)的輸出扭矩峰值增大且扭矩峰值向低轉(zhuǎn)速區(qū)靠近。這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速工況下，進(jìn)氣歧管中氣體的流動(dòng)速度小，氣體流速引起的進(jìn)氣阻力小，進(jìn)氣歧管越長，新鮮空氣進(jìn)氣量越大，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩隨進(jìn)氣歧管長度增加而增大，扭矩峰值向低轉(zhuǎn)速區(qū)移動(dòng);在發(fā)動(dòng)機(jī)中高轉(zhuǎn)速工況下，隨著轉(zhuǎn)速的增加進(jìn)氣歧管中氣流速度增大，進(jìn)氣歧管越長進(jìn)氣阻力越大、進(jìn)氣諧振效應(yīng)增強(qiáng)，在進(jìn)氣阻力和諧振效應(yīng)的共同作用下，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩的變化規(guī)律出現(xiàn)相反的變化趨勢。

圖2 不同進(jìn)氣歧管長度下發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律

圖3給出了不同進(jìn)氣歧管長度下發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。由圖可以看出，隨著進(jìn)氣歧管長度的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速區(qū)內(nèi)的輸出功率增大且功率峰值向低轉(zhuǎn)速區(qū)靠近；發(fā)動(dòng)機(jī)在中高轉(zhuǎn)速工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率隨著管長的增加而減小。這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速工況下，進(jìn)氣歧管中氣體的流動(dòng)速度小，進(jìn)氣阻力小，氣體不易形成諧振效應(yīng)，發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率提高，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率隨進(jìn)氣歧管長度增加而增大;發(fā)動(dòng)機(jī)在中高轉(zhuǎn)速工況下，進(jìn)氣阻力隨進(jìn)氣歧管加長而增大同時(shí)進(jìn)氣諧振效應(yīng)增強(qiáng)，在進(jìn)氣阻力和諧振效應(yīng)的共同作用下發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率下降，進(jìn)氣流量隨進(jìn)氣歧管長度的增加而減少，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率減小。

圖3 不同進(jìn)氣歧管長度下發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律

圖4給出了不同進(jìn)氣歧管長度下發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。由圖可以看出，隨著進(jìn)氣歧管長度的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速工況下的燃油消耗率減小，燃油消耗率極值向低轉(zhuǎn)速區(qū)靠近；發(fā)動(dòng)機(jī)在中高轉(zhuǎn)速工況下，燃油消耗率隨進(jìn)氣歧管長度的加長而增大。這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速工況下，進(jìn)氣歧管長可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率，進(jìn)氣效率高可以使混合氣在氣缸內(nèi)燃燒更加充分進(jìn)而使發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率下降；發(fā)動(dòng)機(jī)在中高轉(zhuǎn)速工況下，進(jìn)氣阻力和進(jìn)氣諧振效應(yīng)隨進(jìn)氣歧管長度的增加而增強(qiáng)，發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率下降，缸內(nèi)混合氣燃燒過程惡化，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率升高。

圖4 不同進(jìn)氣歧管長度下發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律

3 結(jié)論

基于以上仿真計(jì)算結(jié)果及理論分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)在計(jì)算選定的進(jìn)氣歧管長度范圍內(nèi)，進(jìn)氣歧管長度對不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩、輸出功率和燃油消耗率都有顯著影響。

(2)在低轉(zhuǎn)速工況下，隨著進(jìn)氣歧管長度增加，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩峰值增大，輸出功率增大，燃油消耗率減小，扭矩峰值、功率峰值和燃油消耗率極值都向低轉(zhuǎn)速區(qū)靠近；在中高轉(zhuǎn)速工況下燃油消耗率隨著進(jìn)氣歧管長度的增加而增大，燃油消耗率極值向低轉(zhuǎn)速區(qū)移動(dòng)。

(3)優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管長度不僅可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速工況下的輸出扭矩和功率，還能有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率，改善缸內(nèi)燃燒過程，減少有害排放，提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能。