崔运磊
江苏农华智慧农业科技股份有限公司 江苏盐城 224001
摘要：自然吸气的发动机进气压力是负压，所以进气歧管的动态效应对进气量的影响较大，进气歧管长度优化的原理主要是利用进气压力波的动态效应增加发动机的进气量，从而使发动机的各项性能达到最佳，本文主要研究进气歧管支管长度对进气量的影响，通过理论计算确定各转速下最优的进气歧管的结构尺寸，并通过试验验证确定最优的设计方案。
关键词：发动机，热力学性能，进气歧管，动态效应
1 引言
传统自然吸气发动机的进气歧管的结构是不变的，只能保证发动机在某一工况下具有良好的性能。无法在运行过程中进行调节，使发动机在其他工作工况下性能参数不能达到最优值。研究及试验表明，进气支管长度的优化是改善发动机燃油经济性。提高动力性、降低燃油消耗的一种有效途径。
本文通过理论基础分析，总结进气歧管支管结构对发动机性能的影响，并利用仿真计算的方法对某款发动机进气歧管改进，计算进气歧管在各转速下最优的进气支管长度，同时通过试验验证，确定最终的方案。
2 进气歧管介绍
2.1 进气歧管动态效应原理
在发动机通过进气歧管进气过程中，进气门打开时，由于活塞下行运动导致进气支管末端处产生膨胀波，该膨胀波在进气支管的开口端反射回来，形成压力波，向气缸方向传播。这种压力波可以使发动机在进气过程即将结束时，进气门处的压力高于正常进气压力，利用此压力波可以有效增加发动机的进气量，从而提高了充量系数，这就是进气波动效应。
进气歧管的支管直径及长度都会改变压力波，因而适当的调整这些参数，可以有效的利用进气压力波，增加发动机的进气量，从而达到改善发动机经济性及动力性的目的。
进气歧管长度的优化不仅可以提高发动机的动力性，还由于可以提高发动机在要求工况下的进气速度，增强了汽缸内的气流强度，改善了燃烧过程，使发动机目标工况中的燃油经济性有所提高。
2.2 进气歧管长度估算
合理利用进气波动效应必须要使压力波到达进气门处的相位与配气相位的关闭时刻配合，而压力波的相位主要取决于支管长度，配气相位的关闭时刻与转速有关。可以运用公式（1）进行估算：
从上述计算公式可以看出，在每个转速下都有一个最佳的进气支管长度，所以我们在优化进气歧管支管长度，每个转速下均有最佳的进气歧管长度。现在较多的可变进气歧管，就是在发动机的不同转速时分别设计了不同的进气歧管长度。然后通过发动机电子控制装置指令转换阀控制机构关闭或开启转换阀，从而达到调节进气歧管结构的目的，以满足不同转速下的进气歧管长度要求。
3 进气歧管长度优化仿真计算
国内的发动机和整车行业很少做全新发动机的设计项目，为适应法律法规及当前市场的需求，对已有发动机的改型、优化是发动机各主机厂厂家的主要任务。在对发动机的改进的过程中，常利用仿真计算的方法进行先期预测，以仿真计算为指导，在仿真计算的基础上进行结构的优化改进，能够较大的缩减发动机开发的周期及费用。
在发动机结构设计优化改进时，发动机各部分的结构均已确定，且已有较全面的试验数据，需要根据试验数据对计算模型进行标定。就模拟计算上来讲，首先要确保计算模型的计算结果与试验实测的结果有较小的误差，即确保计算模型的参数设置是正确的前提下，再进行优化计算才有较好的参考价值。
3.1 计算模型标定
对发动机的零部件进行合理的改进，从模拟计算上来讲，首先要确保原机计算模型的计算结果与实测结果有较小的误差，即计算模型的参数设置是正确的前提下，才能进行设计参数的优化，以下显示仿真计算与试验数据的对比结果，如图1、图2所示。
图2 发动机BMEP试验值与计算值对比
由以上各图中的试验值与计算值对比可以看出，仿真计算值与试验值误差较小，认为模型是仿真可用的，以下利用此模型对发动机各转速下需要的进气歧管长度优化计算分析。
可以看出，由于发动机在高转速工况下，进气阻力对进气量的影响较大，短进气管阻力小，从而使发动机高转速时进气量更充分。低转速时发动机进气频率较低，长进气管能降低脉动次数，聚集更多空气，从而改善进气充气效率。另外，长进气歧管还能降低空气流速，能让空气和燃料混合更为充分，改善燃烧。
从计算结果可以看出低速时，较长的进气支管各项性能均优于较短的进气歧管；在高速时，短的进气支管则更优于较长的进气歧管。所以在选择进气支管长度时，应综合比较低速与高速的设计目标。取折中的一个长度值，以满足不同转速工况下对进气支管长度的要求。使能够充分利用进气的动态效应。
3.3 试验验证
根据以上计算结果，发动机在运转时，由于支管的长度缩短，使动态效应的峰值向高速移动，同时低速的发动机性能略有下降，这个计算结构与初期设定的优化目标预测相吻合，同时使用优化进气支管长度的进气歧管进行试验验证。通过对进气歧管的理论分析与计算，然后通过试验进行验证，可以很好的缩短开发周期，从试验结果来看，计算结果与试验结果也较好的吻合，根据试验与计算结果，确定了最终的进气支管长度。同时也验证了仿真计算方向指导性的作用，为以后发动机主要零部件的优化改进提供参考。
4 结论
由以上理论分析及计算对比，可以得出以下结论：
（1）进气歧管长度及谐振腔容积对发动机充气效率影响显著。进气支管长度越长，发动机外特性峰值越向低速区域移动，谐振腔的容积影响谐振效应的频率；
（2）对于自然吸气发动机，谐振动态效应能够较好的提高发动机的进气效率，不同的发动机转速对应的谐振频率不同，可以通过计算，确定不同转速下需要最佳谐振的结构尺寸，然后综合各方面的要求，确定最终的结构尺寸；
（3）谐振效应与发动机的配气机构的正时有着密切的关系，若要确定精确的进气结构，需要确定配气正时及进气结构的综合影响；
（4）对于增压发动机来说，因为进气是正压，所以对进气歧管的谐振效应要求不高，进气歧管的长度越长反而增加了进气阻力，影响了进气量，所以增压发动机进气歧管应尽量减小支管长度。但谐振腔的容积对不同的增压发动机也有着较大的影响，如：三缸增压发动机与四缸增压发动机，谐振腔容积有不同程度的影响。
论文作者:崔运磊
论文发表刊物:《建筑科技》2017年第24期
论文发表时间:2018/4/8
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