進(jìn)氣歧管對柴油機(jī)工作過程的影響分析

龍愛軍，劉善鍔，陳煌熙，周宏濤，趙湘衡，羅銳

進(jìn)氣歧管對柴油機(jī)工作過程的影響分析

龍愛軍，劉善鍔，陳煌熙，周宏濤，趙湘衡，羅銳

（湖南南車時代電動汽車股份有限公司，湖南株洲412007）

運(yùn)用AVL BOOST軟件對發(fā)動機(jī)的工作過程進(jìn)行模擬計(jì)算，分析進(jìn)氣外接管的長度、進(jìn)氣歧管長度對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣過程壓力波及充氣效率的影響，最終提出優(yōu)化方案并在試驗(yàn)中驗(yàn)證。

直噴式柴油機(jī)；進(jìn)氣歧管；充氣效率；工作過程

對于自然吸氣發(fā)動機(jī)，提高充氣效率能顯著改善發(fā)動機(jī)的性能。提高充氣效率有許多措施，如改變進(jìn)排氣的流通特性、優(yōu)化配氣凸輪、增大進(jìn)排氣閥的流通截面等。其中通過優(yōu)化進(jìn)氣管的長度實(shí)現(xiàn)慣性增壓，提高發(fā)動機(jī)的充氣效率，使混合氣的形成和燃燒完善是一種簡單而有效的辦法［1-4］。

本文在高壓共軌直噴式雙缸柴油機(jī)上進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過模擬計(jì)算優(yōu)化進(jìn)氣外接管的長度和進(jìn)氣歧管的長度，利用進(jìn)氣脈沖和諧振可以大幅度提高在標(biāo)準(zhǔn)大氣模擬試驗(yàn)時發(fā)動機(jī)中、高轉(zhuǎn)速下的充氣效率。

1　進(jìn)氣波動效應(yīng)理論

利用進(jìn)氣系統(tǒng)的不穩(wěn)定流動來提高充氣效率是一種簡單而有效的方法。其實(shí)質(zhì)是通過提高進(jìn)氣門處氣流的壓力和速度，以增大內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)的充氣效率。對充氣效率產(chǎn)生的影響主要決定于從下止點(diǎn)開始到進(jìn)氣門關(guān)閉這一期間內(nèi)壓力波的特性。

我們所要研究的就是，在匹配增壓器的前提下，利用進(jìn)氣管中氣體的不穩(wěn)定流動來增加從下止點(diǎn)開始到進(jìn)氣門關(guān)閉這一期間內(nèi)的進(jìn)氣壓力，這種增壓方式叫氣體動力增壓。

氣體動力增壓的基本原理：當(dāng)進(jìn)氣門急速打開時，由于活塞的真空吸入作用，使得在進(jìn)氣門的入口處產(chǎn)生一個膨脹波，并在進(jìn)氣歧管內(nèi)向開口端傳播。膨脹波在開口端反射回來壓縮波，即反射回來后進(jìn)氣管中的壓力大于大氣壓。如果在進(jìn)氣門即將關(guān)閉時，剛好有一個正的壓力波傳到進(jìn)氣門處，則可使更多的、額外的氣流進(jìn)入氣缸，使進(jìn)氣量增多，達(dá)到增壓的目的。這種利用本循環(huán)吸氣產(chǎn)生的膨脹波，達(dá)到開口端后反射回壓力波，以達(dá)到增壓目的的動力現(xiàn)象叫動力增壓，又稱慣性增壓。

進(jìn)氣過程的動力增壓就是利用進(jìn)氣系統(tǒng)（主要是進(jìn)氣歧管）內(nèi)的壓力波動，選擇適當(dāng)?shù)倪M(jìn)氣支管長度和直徑、適當(dāng)?shù)呐錃庀辔?。?dāng)活塞下移進(jìn)氣時，產(chǎn)生的負(fù)壓力波傳至進(jìn)氣管口后，反射成正壓力波。在進(jìn)氣門關(guān)閉前，剛好有一個正的最高壓力傳至氣門入口。這時可燃混合氣將以較大密度進(jìn)入氣缸內(nèi)，使充入的新鮮充量增加［5-8］。進(jìn)氣慣性效應(yīng)最大的條件是在進(jìn)氣的有效持續(xù)期ts的后半部分，即在（1/3～1/2）ts的時間內(nèi)就有一次反射的正壓力波與波動的周期相配合。因?yàn)檫M(jìn)氣壓力波動的周期是與進(jìn)氣管的實(shí)際路程密切相關(guān)的。若進(jìn)氣管道的當(dāng)量長度為Ls，壓力波的傳播速度為a，則壓力波在進(jìn)氣管內(nèi)傳遞一個往復(fù)來回的時間te：te=2Ls/a。

當(dāng)te=1/3～1/2 ts時，即1/3～1/2 ts=2Ls/a。因?yàn)閠s=θs/6n，所以Ls的范圍為aθs/36n～aθs/24n。式中：a為進(jìn)氣管中的聲速，m/s；θs為進(jìn)氣門持續(xù)開啟的有效角，CA；n為發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min。

式中：L為氣缸的進(jìn)氣管道長度，m；Vh為氣缸的工作容積，代入上式后得到：

這個公式表明，實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣慣性效應(yīng)時，進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、氣缸工作容積及配氣相位角之間的相互約束關(guān)系。

利用進(jìn)氣門關(guān)閉后進(jìn)氣管中形成壓力波動效應(yīng)來達(dá)到增大進(jìn)氣充量的方法，這是另一類型的動力增壓。其原理：在進(jìn)氣門迅速關(guān)閉時，使進(jìn)氣管內(nèi)正在流動的空氣在氣門處受到滯止而產(chǎn)生正壓力波，此壓力波以音速a（當(dāng)管內(nèi)氣體一速度u流動時，壓力波傳播速度為a-u）向進(jìn)氣管的開口端傳播。在開口端反射的負(fù)壓力也以音速a（考慮氣體流速時為a-u）向進(jìn)氣門處傳播，如果此時進(jìn)氣門仍然關(guān)閉著，則此壓力波重新向開口端傳播，又從開口端反射為正壓力波，再返回進(jìn)氣門處，這樣往返傳播。如果在下一循環(huán)的進(jìn)氣門關(guān)閉之前剛好有一正壓力波峰傳來，那么就可得到增壓的效果。顯然，這種動力增壓是利用進(jìn)氣門關(guān)閉后進(jìn)氣管內(nèi)的壓力波動效應(yīng)。如果配合不好，則會在進(jìn)氣門關(guān)閉之時傳來負(fù)壓力波，反而使進(jìn)氣量減少。

對于波動效應(yīng)，在進(jìn)氣歧管內(nèi)氣體壓力波完成一次振動有兩個來回，其頻率為fb，波動效應(yīng)的次數(shù)為

式中：a為進(jìn)氣管中的聲速，m/s；L為氣缸的進(jìn)氣管道長度，m；n為發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min。

當(dāng)q=1.5，2.5，…時，正壓力波正好與進(jìn)氣門開啟時間同步，可以提高充氣效率。

2　缸內(nèi)燃燒模型的建立

仿真發(fā)動機(jī)為一款兩缸四氣門柴油機(jī)，匹配增壓中冷裝置、廢氣再循環(huán)系統(tǒng)（EGR）和高壓共軌燃油系統(tǒng)，排量為1.0 L，缸徑×行程為85×95mm，壓縮比為16.5，直噴ω型燃燒室，最大轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速為125/2 200 N·m/（r/min），標(biāo)定功率/轉(zhuǎn)速為41/4 000 kW/（r/min）。

AVLBOOST是一個建立整臺發(fā)動機(jī)模型的應(yīng)用軟件。它不僅可以在設(shè)計(jì)階段預(yù)測發(fā)動機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能，而且還可以分析成型發(fā)動機(jī)的熱力學(xué)過程［9］。

柴油機(jī)工作過程的數(shù)值計(jì)算：從柴油機(jī)各系統(tǒng)的物理模型出發(fā)，利用微分方程對各系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，然后編制計(jì)算程序，用計(jì)算機(jī)求解微分方程，從而求得各參數(shù)的變化規(guī)律。它既能在設(shè)計(jì)新型發(fā)動機(jī)之前對其性能進(jìn)行預(yù)測，又能為改善現(xiàn)有發(fā)動機(jī)的性能提供優(yōu)化方案［10-11］。

根據(jù)柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)建立熱力學(xué)仿真模型，如圖1所示。模型中，SB1、SB2為系統(tǒng)邊界；CL1和CO1分別為空氣濾清器和冷卻器；TC1為渦輪增壓器，包括壓氣機(jī)和渦輪機(jī)；PL1、PL2分別為排氣穩(wěn)壓腔進(jìn)氣穩(wěn)壓腔；C1、C2為氣缸；1-22為連接管道；MP1-MP10為各處的測量點(diǎn)；J為節(jié)點(diǎn)編號；TH1為節(jié)氣門（方便EGR廢氣的引入）。

式中：pe為柴油機(jī)的功率，kW；be為燃油消耗率，g/（kW· h）；n為柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min；i為柴油機(jī)的氣缸數(shù)；τ為柴油機(jī)的行程數(shù)。

1）平均指示壓力：

循環(huán)噴油量的確定：

式中：pmi為平均指示壓力，Pa；Wi為發(fā)動機(jī)一個工作循環(huán)的指示功，J；Vs為發(fā)動機(jī)氣缸工作容積，m3；Q1為得到指示功Wi所消耗的熱量，J；ηit為指示熱效率；Hu為燃料的低熱值，kJ/kg；φc為充量系數(shù)；φa為過量空氣系數(shù)；l為化學(xué)計(jì)量空燃比；Ps為進(jìn)氣管壓力，Pa；Ts為進(jìn)氣管溫度，K。

由以上公式可知，發(fā)動機(jī)的平均指示壓力與充量系數(shù)成正比。

2）平均機(jī)械損失壓力：在發(fā)動機(jī)循環(huán)模擬計(jì)算中，為了得到柴油機(jī)的有效參數(shù)，需確定平均機(jī)械損失壓力pmm或機(jī)械效率ηm的數(shù)值。迄今為止，提出的pmm計(jì)算公式不少，但由于機(jī)型和運(yùn)行條件的差別，目前很難建立適用于各種機(jī)型的通用公式。本次模擬計(jì)算的平均機(jī)械損失壓力通過經(jīng)驗(yàn)公式來求得：

pmm=D-0.2（0.00855vm+0.078 9pme-0.021 4）

式中：D為氣缸直徑，m；vm為活塞平均速度，m/s；pme為平均有效壓力，MPa。

圖2為根據(jù)以上公式計(jì)算得到的平均機(jī)械損失壓力，通過經(jīng)驗(yàn)得到的平均機(jī)械損失壓力與實(shí)際情況的誤差較大。本次計(jì)算中，通過建立模型得到的結(jié)果文件對模型原有的平均機(jī)械損失壓力進(jìn)行修正，最后得到一個較為準(zhǔn)確的平均機(jī)械損失壓力。

3　結(jié)果分析

3.1進(jìn)氣歧管長度對進(jìn)氣壓力波影響分析

進(jìn)氣歧管長度的增加或管徑的減小，可使充量系數(shù)的峰值向發(fā)動機(jī)低速一側(cè)運(yùn)動，反之，則向高速一側(cè)移動，這一現(xiàn)象就是進(jìn)氣諧振的結(jié)果。在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣過程中，活塞的下行運(yùn)動導(dǎo)致在進(jìn)氣歧管內(nèi)產(chǎn)生膨脹波。該膨脹波在進(jìn)氣歧管的開口端發(fā)射，形成壓縮波可以使得發(fā)動機(jī)進(jìn)氣過程將要結(jié)束時，進(jìn)氣門處的壓力高于正常的進(jìn)氣壓力，從而增加發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量，提高充量系數(shù)。

可運(yùn)用公式對進(jìn)氣歧管的當(dāng)量長度Ls進(jìn)行估算

式中：n為柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min；a為進(jìn)氣管中的聲速，m/s；θs為進(jìn)氣門持續(xù)開啟的有效角，CA；Ls為進(jìn)氣歧管的當(dāng)量長度，m。

由以上公式可知，在柴油機(jī)工作的相應(yīng)每個轉(zhuǎn)速下都有一個最佳的進(jìn)氣歧管長度，取轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、3 000 r/min時，分別求得進(jìn)氣歧管的當(dāng)量長度為300 mm、100mm。通過AVL-Boost軟件，可以得到不同轉(zhuǎn)速下的壓力波形圖，如圖3和圖4所示。

從圖3和圖4可知，相同曲軸轉(zhuǎn)角下隨著轉(zhuǎn)速的升高其初始進(jìn)氣壓力也升高。另外，其進(jìn)氣歧管長度為100mm和300mm，影響其進(jìn)氣壓力的峰值。

3.2進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化

進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化采用AVL軟件自帶的優(yōu)化軟件，以進(jìn)氣歧管的長度和進(jìn)氣管直徑為設(shè)計(jì)變量，以缸內(nèi)進(jìn)氣的質(zhì)量流量為目標(biāo)函數(shù)，求質(zhì)量流量最大時的進(jìn)氣管直徑和長度。

圖5為用AVL優(yōu)化軟件Design Explorer對進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，設(shè)計(jì)的進(jìn)氣歧管長度-直徑數(shù)據(jù)分布點(diǎn)。在軟件模擬計(jì)算過程中，將對以上各點(diǎn)進(jìn)行模擬計(jì)算，并求取目標(biāo)函數(shù)的最佳值。

圖6為軟件模擬計(jì)算得出的以進(jìn)氣質(zhì)量流量為目標(biāo)函數(shù)，以進(jìn)氣歧管直徑為設(shè)計(jì)變量的數(shù)據(jù)分布圖。由圖6可知，在進(jìn)氣歧管直徑為20～30mm時，進(jìn)氣質(zhì)量流量的值較大。隨著進(jìn)氣歧管直徑的增加，目標(biāo)函數(shù)的值呈現(xiàn)下降的趨勢。

圖7為以進(jìn)氣歧管長度為優(yōu)化變量，進(jìn)氣質(zhì)量流量為設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化結(jié)果。由圖7可知，進(jìn)氣歧管長度在100～150mm，時，目標(biāo)函數(shù)的值取得較大。

4　結(jié)論

1）建立了該高壓共軌直噴式雙缸柴油機(jī)的熱力學(xué)仿真模型，并將該模擬計(jì)算值作為分析的依據(jù)，從而為優(yōu)化發(fā)動機(jī)的相關(guān)性能提供了一定的參考作用。

2）通過模擬計(jì)算優(yōu)化進(jìn)氣外接管的長度和進(jìn)氣歧管的長度，利用進(jìn)氣脈沖和諧振可以大幅度提高在標(biāo)準(zhǔn)大氣模擬試驗(yàn)時，發(fā)動機(jī)中、高轉(zhuǎn)速下的充氣效率。

3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在進(jìn)氣歧管直徑為20～30mm時，進(jìn)氣質(zhì)量流量的值較大。隨著進(jìn)氣歧管直徑的增加，進(jìn)氣質(zhì)量流量的值呈現(xiàn)下降的趨勢。進(jìn)氣歧管長度在100～150mm時，進(jìn)氣質(zhì)量流量的值取得較大。

［1］李云清，庹化金.循環(huán)模擬技術(shù)在可變長度進(jìn)氣管設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.內(nèi)燃機(jī)與動力裝置，2007，（5）：1-4.

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修改稿日期：2015-04-27

Im pact Analysisof Intake-manifold on DieselEngineW ork Process

Long Aijun，Liu Shan'e，Chen Huangxi，Zhou Hongtao，Zhao Xiangheng，Luo Rui
（Hunan CSR TimesElectric Vehicle Co.，Ltd，Zhuzhou 412007，China）

The authorsuse AVLBOOST software to simulate the engineworking process，and analyze the influence of intake pipe length，intakemanifold length on the engine intake process pressurewaveand inflation efficiency.Finally they put forward the optimization schemewhich isvalidated through test.

direct injection dieselengine；intake-manifold；inflation efficiency；working process

U464.134+.4

B

1006-3331（2015）05-0040-04

龍愛軍（1986-），男，設(shè)計(jì)師；從事底盤技術(shù)設(shè)計(jì)與研究工作。