進氣管長度在發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速下對其動力性能的影響

鐘海杰，楊秀芳，袁 淳，周仲德，錢威威

Zhong Haijie, Yang Xiufang, Yuan Chun,Zhou Zhongde, Qian Weiwei

（浙江農(nóng)林大學 工程學院，浙江 杭州 311300）

1 實驗意義以及基本原理

國內(nèi)外很多學者已經(jīng)對汽車進氣管長度對發(fā)動機動力性的影響進行研究，并得出了影響規(guī)律，但在實際應用中，由于發(fā)動機參數(shù)不同，進氣系統(tǒng)結(jié)果差異，有必要對進氣系統(tǒng)進行另外的計算分析，通過改良實驗，更好地理解發(fā)動機本身結(jié)構(gòu)對其動力性的影響，尋求提高發(fā)動機動力性的方法，為實際優(yōu)化工作做參考。

提高汽車發(fā)動機動力性能是工程師的目標之一，發(fā)動機換氣過程的好壞，直接影響發(fā)動機的動力性。同樣大小的氣缸容積，在相同的進氣狀態(tài)下若能吸入更多的空氣，則可以允許噴入更多的燃料，在同樣的燃燒條件下產(chǎn)生更多的有用功，提高發(fā)動機的動力性。如圖 1所示，國內(nèi)外許多研究者對發(fā)動機進氣管道內(nèi)氣體的流動特性進行過研究，研究結(jié)果表明，管道長度影響進氣管內(nèi)壓力波的振動頻率，并得出進氣管道長度與振動頻率的關(guān)系式

由式（1）可知管道長度與振動頻率成反比，改變進氣系統(tǒng)管道的長度可以改變進氣振動頻率。縮短管道長度則振動頻率增大，使得進氣振動點向高轉(zhuǎn)速移動，反之則向低轉(zhuǎn)速移動，可以利用這一特性提高特定轉(zhuǎn)速下氣缸充氣效率和改善發(fā)動機動力性。

雖然式（1）很簡單，可以看出在不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下進氣管長度應該如何變化，但無法從中直觀看出改變進氣管長度后發(fā)動機輸出功率、轉(zhuǎn)矩、油耗等的變化量，所以沒有實際意義，因此，必須采用另外的更直觀的測量方式。

2 可變進氣管的設計與優(yōu)化

2.1 發(fā)動機參數(shù)

本次實驗，采用別克賽歐1.6L汽油發(fā)動機，這是一款自然吸氣、多點燃油電控噴射的直列四缸發(fā)動機，主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動機主要性能參數(shù)

2.2 實驗方式的選擇

通過發(fā)動機的速度特性實驗可以得到功率Pe、轉(zhuǎn)矩Me、耗油量Gf及燃油消耗率ge與轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系

從式（2）、（3）可知，只要測得不同進氣管長度條件下的n、Pe或Me、Gf或ge就可以比較準確地找出進氣管長度對發(fā)動機動力性的影響，這正是所需要的。因此，決定采用該方法，即不同進氣管長度下的發(fā)動機速度特性以及負荷特性進行分析。

由于在發(fā)動機進氣系統(tǒng)中，進氣總管長度、進氣歧管長度對性能都會產(chǎn)生影響，本次實驗中選擇改變進氣總管長度來進行分析。

為了防止其他因素對實驗造成干擾，在實驗前必須先讓發(fā)動機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)一段時間。此外，因為在更換進氣管時可能會對其他系統(tǒng)產(chǎn)生影響，所以每次實驗都重復3次。

2.3 實驗數(shù)據(jù)的分析

圖2、圖3是在進氣管長度分別為100 mm、250 mm和400 mm的情況下發(fā)動機轉(zhuǎn)矩Me和燃油消耗率ge隨轉(zhuǎn)速n變化的曲線。通過對比可知，隨著進氣管長度的增加，最大轉(zhuǎn)矩對應的轉(zhuǎn)速向左移動，也就是說，低速時長進氣管可以使轉(zhuǎn)矩增加比較快，在2500 r/min左右時，400 mm長進氣管對應的轉(zhuǎn)矩比100 mm時提高10%左右。而在中高速區(qū)域，顯然短進氣管提供的轉(zhuǎn)矩更大，如在5500 r/min時，使用100 mm長度的進氣管可以比400 mm的進氣管多提供33%的轉(zhuǎn)矩。另外，從圖3可知，改變進氣管長度對燃油消耗率的影響并不大，不超過2.2%，相對于進氣管長度對轉(zhuǎn)矩的影響幾乎可以不計。

為了更直觀地了解不同轉(zhuǎn)速下進氣管長度對發(fā)動機動力性的影響，需要對實驗數(shù)據(jù)重新進行整理。

圖4、圖5是不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩Me和燃油消耗率ge隨進氣管長度變化的曲線。從圖4可以看出，當轉(zhuǎn)速在3000 r/min以下時，隨著進氣管長度的增加，轉(zhuǎn)矩也在不斷變大；在4000 r/min及以上時，轉(zhuǎn)矩總體呈現(xiàn)下降趨勢，也就是說在中低轉(zhuǎn)速時采用長進氣管，高速時采用短進氣管可以明顯增大轉(zhuǎn)矩從而提高動力性。計算可知，當中低轉(zhuǎn)速采用400～450 mm的長進氣管時，可以使轉(zhuǎn)矩增加14%；當高速時采用100～200 mm的短進氣管可以使轉(zhuǎn)矩增加 20%，這對于汽車的動力性而言是很大的提升。另一方面，從圖 5的燃油消耗率曲線可以看到，隨著進氣管長度的增加，燃油消耗率有先下降后上升的趨勢，但總體來說，進氣管長度相對于發(fā)動機轉(zhuǎn)速對燃油消耗率的影響很小，最大不超過2.1%，由于發(fā)動機一般在中低轉(zhuǎn)速下運行，因此進氣管長度選擇在400～450 mm之間時，會使發(fā)動機具有比較好的動力性，此時雖然燃油消耗率會有一定增加，但不超過5 g/kW·h。如果在某些時候發(fā)動機需要高速運行，則進氣管長度在100～200 mm時能提供更大的動力性，同樣燃油消耗量的增加也很少。

3 結(jié)論及建議

文中實驗通過分析發(fā)動機在不同長度進氣管下的速度特性，得出進氣管長度對發(fā)動機動力性有較大的影響，并初步確定了不同長度進氣管的切入點。實驗表明：在不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下適當改變進氣管長度能達到優(yōu)化進氣過程的目的，從而能有效提高發(fā)動機的動力性和燃油經(jīng)濟性。具體而言，當發(fā)動機運行在中低轉(zhuǎn)速（小于3000 r/min），采用長進氣管；當發(fā)動機運行在高速（大于4000 r/min），采用短進氣管。這樣不管在低速還是高速都可以獲得較大的轉(zhuǎn)矩和較低的燃油消耗率，從而改善發(fā)動機動力性和燃油經(jīng)濟性。

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