发动机可变长度进气歧管的设计与优化

黄昌瑞　程勉宏　张伯瑜

摘 要：本文叙述了一款自然吸气发动机可变长度进气歧管的设计及优化工作。对现在进气歧管方案中存在的性能问题提出了两级可变长度进行优化。利用GT-power软件探究了进气歧管长度、管径变化对该发动机的影响，并确定了可变长度进气歧管主要参数。在此基础上，提出了4个可变长度进气歧管结构方案。对各方案进行了发动机一维性能模拟计算，选出最优方案并进行了台架试验验证。优化后的进气歧管在各转速下均具有较好的动力性。

关键词：发动机；可变长度进气歧管；性能优化

Abstract： In this article， the design and optimization of a variable intake manifold was described. In order to improve the engine performance， two-step variable length of intake manifold was adopted. The impact of variety lengths and diameters of the runners to the engine was explored with GT-power. On the basis of that， four design plan of variable-length intake manifold was proposed. After analyzing the results of engine performance one-dimensional simulation the variable-length intake manifold design was determined. The Optimized intake manifold has better power performance at most engine speed.

Keywords： Engine；Variable-Length；Intake Manifold；Performance；Optimization

中图分类号：TK402 文献标识码：A

本文以模拟计算和试验相结合的方法，为一款自然吸气发动机设计并优化进气歧管。进气歧管的结构参数影响发动机充量系数，发动机性能将随着充量系数的增加而提高。经过良好设计优化的进气歧管在各转速工况下具有良好的进气均匀性，提高缸内可燃混合气的燃烧质量，提高发动机的各项性能。

1.进气歧管的优化设计

1.1优化设计方案的提出

对于特定燃烧室、缸盖进气道及排量的发动机，充量系数最高的进气歧管结构参数随发动机工况不同而变化。结构参数可变的进气系统可以使发动机很好地利用气体的动态效应，提高充气效率，在较宽的转速范围内具有更好的动力性能。可变长度进气歧管是目前一种能够有效提高不同转速下发动机的容积效率，从而提高发动机性能的先进技术。本文分析了进气歧管长度和直径对发动机性能的影响，在此基础上，综合考虑可变进气系统的结构、功能、控制方式和成本等因素，将原进气歧管方案改为两级可变长度进气歧管。通過进气歧管长度的优化设计及管路直径的重新匹配，更好地满足了发动机不同转速下不同的进气需求，从而使发动机整体性能得到提升。

在原歧管结构方案基础上，扩大稳压腔容积、加装带有旋转阀的转接管，旋转阀只有开启和关闭两种状态。如图1所示，在高转速工况下，旋转阀开启，空气同时经长管和短管进入缸盖进气道。在低转速下，旋转阀关闭，空气只经长管进入缸盖进气道。

1.2进气歧管长度、直径对发动机性能的影响及其优化

进气歧管关键结构参数包括进气管的长度、直径、形状、稳压腔容积及进气歧管各部件连接方式等。而进气歧管长度、直径是对发动机充量系数影响较为显著的两个参数。本文使用GT-power软件分析了进气歧管长度、直径变化对发动机性能的影响，找到了最适合于该发动机进气歧管结构参数。

2.计算模型建立

2.1 计算过程进气歧管结构参数的选取

计算模型中进气歧管结构如图2所示，进气歧管采用4个相同的直圆管，稳压腔容积为1.91L保持不变。计算过程中改变进气歧管长度L和进气歧管与稳压腔接触位置的直径D2，支管长度从300mm开始间隔100mm取至600mm，支管与稳压腔相连处直径D2从30mm开始间隔1mm取至46mm。

2.2 计算工况

计算发动机全负荷工况下的性能特性。计算所选取的转速分别为1000r/min、2000r/min、2400r/min、2600r/min、3000r/min、3600r/min、3800r/min、4000r/min、4200r/min、4400r/min、4600r/min、4800r/min、5000r/min、6000r/min。

2.3 计算结果与分析

进气歧管长度L、管径D2的变化会影响进气系统内气流的谐振增压效应，从而改变发动机充量系数，影响发动机进气量，继而影响发动机扭矩。由图3和图4（e）可知，4000 r/min情况下，进气量的变化规律与扭矩的变化规律一致。图4为不同转速下进气歧管长度L、管径D2的变化对于扭矩的影响，通过对这些计算结果的分析可知这两个进气歧管参数对于发动机动力性的影响。

由以上发动机扭矩随支管长度、直径的变化规律，总结出了各转速下使扭矩最大化的支管长度和直径的范围，见表1。

由以上计算结果可知，在转速为1000r/min～2000r/min时，发动机扭矩较大的进气歧管长度、管径的范围较宽。而在转速为2400r/min时，发动机扭矩较大的区域集中在图中左上角，即进气歧管长度最长、管径最小的区域。在转速从2600r/min增至4400r/min的过程中，图中扭矩最大的区域向右移动，转速从4400r/min增至5000r/min的过程中，图中扭矩最大的区域进一步向下移动，即随着转速的提高，进气歧管长度的减少、管径的增加有利于发动机动力性的提高。endprint

对于中低转速状态下，即2400r/min～4600r/min，进气歧管长度选600mm可使发动机扭矩最大，但由于发动机舱内空间限制，进气歧管长度最大值只能选530mm。而在高转速状态下，使发动机扭矩最大的支管长度要短得多，考虑到发动机舱布置及歧管尺寸结构限制短管长度仅可取330mm左右。在长管长度为530mm的情况下，在各可能切换转速下发动机可以达到的最大扭矩值，以及最大扭距所对应的管径D2见表2和表3。

3.可变进气歧管方案

3.1设计方案

根据进气歧管管长及管径对发动机性能的影响，并考虑到发动机舱空间布置，提出4种可变长度进气歧管方案。图5为4种方案的几何模型。对方案3的几何参数做了一些变动，形成了4个新方案。

3.2可变进气歧管1D性能模拟

利用GT-power软件分别对进气歧管旋转阀开启和旋转阀关闭两种情况下各方案发动机工作状况进行模拟。模拟工况均为全负荷工况，主要考察发动机动力性。

图6为进气歧管旋转阀开启和关闭两种情况下各方案发动机扭矩曲线。兼顾中低转速和高转速下的扭矩，为各方案选取了两种工作模式切换时所对应的发动机转速。

由图7所示的可变进气歧管各方案与原方案的扭矩对比可知，采用可变进气歧管后扭矩在较宽的转速范围内均有所提高，尤其在2500r/min～4000r/min范围内有较大幅度提高。采用可变进气歧管显著改善了发动机动力性，解决了原单一管长进气歧管不能兼顾中低转速和高转速工况的问题。

方案3A在2000r/min左右扭矩较低，但在其他转速下，特别是在2500r/min～3500r/min扭矩都较高，方案3在各转速下扭矩稍低于方案3A。而方案4在2000r/min和4000r/min左右扭矩较高，在低速和高速工况下扭矩则较低。综合分析各方案的外特性曲线，决定选取3A为最优方案。

3.3可变进气歧管方案试验验证

对可变进气歧管方案3B制作了样件。试验工况为全负荷，发动机转速为1000r/min～6000r/min。由图8所示的试验用基础发动机安装了方案3B可变进气歧管的扭矩曲线与安装了初步设计方案进气歧管的扭矩曲线对比可知，与发动机1D模拟结果相似，使用方案3B可变进气歧管后，发动机在2500r/min～4000r/min下的扭矩有明显提高，在3000r/min下扭矩提高了7.5N·m，其他各转速下的动力性也比较好。

结论

利用模拟计算与发动机台架试验以较高的效率，较低的成本优化设计了一款可变进气歧管。该进气歧管改善了发动机在中低转速下动力性欠佳的问题。

借助GT-power软件，找出了该款发动机在各转速下发动机扭矩最大化的进气歧管长度、管径。发现发动机转速从1000r/min～2000r/min、2000r/min～3000r/min、 3000r/min～4400r/min、4400r/min～4800r/min、转速为5000r/min时的各工况下，扭矩达到最大时进气歧管长度和管径的变化规律。在此基础上，设计出若干可变长度进气歧管方案。经一维性能模拟，选出最优的可变长度进气歧管方案，并完成了试验验证。相对于初步设计的进气歧管方案，可变进气歧管更好地利用了进气动态效应，提高充量系数，使发动机在较宽的转速范围内具备了较好的动力性，特别是提升了2500r/min～3500 r/min下的扭矩，改善了发动机整体性能。

参考文献

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