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(xué) 工程學(xué)院，浙江 杭州 311300）

1 實(shí)驗(yàn)意義以及基本原理

國內(nèi)外很多學(xué)者已經(jīng)對(duì)汽車進(jìn)氣管長度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的影響進(jìn)行研究，并得出了影響規(guī)律，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)不同，進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)果差異，有必要對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行另外的計(jì)算分析，通過改良實(shí)驗(yàn)，更好地理解發(fā)動(dòng)機(jī)本身結(jié)構(gòu)對(duì)其動(dòng)力性的影響，尋求提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的方法，為實(shí)際優(yōu)化工作做參考。

提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能是工程師的目標(biāo)之一，發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程的好壞，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。同樣大小的氣缸容積，在相同的進(jìn)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(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。如圖 1所示，國內(nèi)外許多研究者對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管道內(nèi)氣體的流動(dòng)特性進(jìn)行過研究，研究結(jié)果表明，管道長度影響進(jìn)氣管內(nèi)壓力波的振動(dòng)頻率，并得出進(jìn)氣管道長度與振動(dòng)頻率的關(guān)系式

由式（1）可知管道長度與振動(dòng)頻率成反比，改變進(jìn)氣系統(tǒng)管道的長度可以改變進(jìn)氣振動(dòng)頻率。縮短管道長度則振動(dòng)頻率增大，使得進(jìn)氣振動(dòng)點(diǎn)向高轉(zhuǎn)速移動(dòng)，反之則向低轉(zhuǎn)速移動(dòng)，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(dòng)機(jī)動(dòng)力性。

雖然式（1）很簡(jiǎn)單，可以看出在不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣管長度應(yīng)該如何變化，但無法從中直觀看出改變進(jìn)氣管長度后發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率、轉(zhuǎn)矩、油耗等的變化量，所以沒有實(shí)際意義，因此，必須采用另外的更直觀的測(cè)量方式。

2 可變進(jìn)氣管的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

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

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)方式的選擇

通過發(fā)動(dòng)機(jī)的速度特性實(shí)驗(yàn)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(cè)得不同進(jìn)氣管長度條件下的n、Pe或Me、Gf或ge就可以比較準(zhǔn)確地找出進(jìn)氣管長度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)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(jìn)氣管長度下的發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性以及負(fù)荷特性進(jìn)行分析。

由于在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中，進(jìn)氣總管長度、進(jìn)氣歧管長度對(duì)性能都會(huì)產(chǎn)生影響，本次實(shí)驗(yàn)中選擇改變進(jìn)氣總管長度來進(jìn)行分析。

為了防止其他因素對(duì)實(shí)驗(yàn)造成干擾，在實(shí)驗(yàn)前必須先讓發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間。此外，因?yàn)樵诟鼡Q進(jìn)氣管時(shí)可能會(huì)對(duì)其他系統(tǒng)產(chǎn)生影響，所以每次實(shí)驗(yàn)都重復(fù)3次。

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析

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

為了更直觀地了解不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣管長度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的影響，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重新進(jìn)行整理。

圖4、圖5是不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩Me和燃油消耗率ge隨進(jìn)氣管長度變化的曲線。從圖4可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速在3000 r/min以下時(shí)，隨著進(jìn)氣管長度的增加，轉(zhuǎn)矩也在不斷變大；在4000 r/min及以上時(shí)，轉(zhuǎn)矩總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，也就是說在中低轉(zhuǎn)速時(shí)采用長進(jìn)氣管，高速時(shí)采用短進(jìn)氣管可以明顯增大轉(zhuǎn)矩從而提高動(dòng)力性。計(jì)算可知，當(dāng)中低轉(zhuǎn)速采用400～450 mm的長進(jìn)氣管時(shí)，可以使轉(zhuǎn)矩增加14%；當(dāng)高速時(shí)采用100～200 mm的短進(jìn)氣管可以使轉(zhuǎn)矩增加 20%，這對(duì)于汽車的動(dòng)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(jìn)氣管長度的增加，燃油消耗率有先下降后上升的趨勢(shì)，但總體來說，進(jìn)氣管長度相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)燃油消耗率的影響很小，最大不超過2.1%，由于發(fā)動(dòng)機(jī)一般在中低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，因此進(jìn)氣管長度選擇在400～450 mm之間時(shí)，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)具有比較好的動(dòng)力性，此時(shí)雖然燃油消耗率會(huì)有一定增加，但不超過5 g/kW·h。如果在某些時(shí)候發(fā)動(dòng)機(jī)需要高速運(yùn)行，則進(jìn)氣管長度在100～200 mm時(shí)能提供更大的動(dòng)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(shí)驗(yàn)通過分析發(fā)動(dòng)機(jī)在不同長度進(jìn)氣管下的速度特性，得出進(jìn)氣管長度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性有較大的影響，并初步確定了不同長度進(jìn)氣管的切入點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明：在不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下適當(dāng)改變進(jìn)氣管長度能達(dá)到優(yōu)化進(jìn)氣過程的目的，從而能有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。具體而言，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在中低轉(zhuǎn)速（小于3000 r/min），采用長進(jìn)氣管；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在高速（大于4000 r/min），采用短進(jìn)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(dòng)機(jī)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。

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