进气管长度在发动机不同转速下对其动力性能的影响

钟海杰，杨秀芳，袁 淳，周仲德，钱威威

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

（浙江农林大学 工程学院，浙江 杭州 311300）

1 实验意义以及基本原理

国内外很多学者已经对汽车进气管长度对发动机动力性的影响进行研究，并得出了影响规律，但在实际应用中，由于发动机参数不同，进气系统结果差异，有必要对进气系统进行另外的计算分析，通过改良实验，更好地理解发动机本身结构对其动力性的影响，寻求提高发动机动力性的方法，为实际优化工作做参考。

提高汽车发动机动力性能是工程师的目标之一，发动机换气过程的好坏，直接影响发动机的动力性。同样大小的气缸容积，在相同的进气状态下若能吸入更多的空气，则可以允许喷入更多的燃料，在同样的燃烧条件下产生更多的有用功，提高发动机的动力性。如图 1所示，国内外许多研究者对发动机进气管道内气体的流动特性进行过研究，研究结果表明，管道长度影响进气管内压力波的振动频率，并得出进气管道长度与振动频率的关系式

由式（1）可知管道长度与振动频率成反比，改变进气系统管道的长度可以改变进气振动频率。缩短管道长度则振动频率增大，使得进气振动点向高转速移动，反之则向低转速移动，可以利用这一特性提高特定转速下气缸充气效率和改善发动机动力性。

虽然式（1）很简单，可以看出在不同发动机转速下进气管长度应该如何变化，但无法从中直观看出改变进气管长度后发动机输出功率、转矩、油耗等的变化量，所以没有实际意义，因此，必须采用另外的更直观的测量方式。

2 可变进气管的设计与优化

2.1 发动机参数

本次实验，采用别克赛欧1.6L汽油发动机，这是一款自然吸气、多点燃油电控喷射的直列四缸发动机，主要性能参数如表1所示。

表1 发动机主要性能参数

2.2 实验方式的选择

通过发动机的速度特性实验可以得到功率Pe、转矩Me、耗油量Gf及燃油消耗率ge与转速n之间的关系

从式（2）、（3）可知，只要测得不同进气管长度条件下的n、Pe或Me、Gf或ge就可以比较准确地找出进气管长度对发动机动力性的影响，这正是所需要的。因此，决定采用该方法，即不同进气管长度下的发动机速度特性以及负荷特性进行分析。

由于在发动机进气系统中，进气总管长度、进气歧管长度对性能都会产生影响，本次实验中选择改变进气总管长度来进行分析。

为了防止其他因素对实验造成干扰，在实验前必须先让发动机稳定运转一段时间。此外，因为在更换进气管时可能会对其他系统产生影响，所以每次实验都重复3次。

2.3 实验数据的分析

图2、图3是在进气管长度分别为100 mm、250 mm和400 mm的情况下发动机转矩Me和燃油消耗率ge随转速n变化的曲线。通过对比可知，随着进气管长度的增加，最大转矩对应的转速向左移动，也就是说，低速时长进气管可以使转矩增加比较快，在2500 r/min左右时，400 mm长进气管对应的转矩比100 mm时提高10%左右。而在中高速区域，显然短进气管提供的转矩更大，如在5500 r/min时，使用100 mm长度的进气管可以比400 mm的进气管多提供33%的转矩。另外，从图3可知，改变进气管长度对燃油消耗率的影响并不大，不超过2.2%，相对于进气管长度对转矩的影响几乎可以不计。

为了更直观地了解不同转速下进气管长度对发动机动力性的影响，需要对实验数据重新进行整理。

图4、图5是不同发动机转速下，发动机转矩Me和燃油消耗率ge随进气管长度变化的曲线。从图4可以看出，当转速在3000 r/min以下时，随着进气管长度的增加，转矩也在不断变大；在4000 r/min及以上时，转矩总体呈现下降趋势，也就是说在中低转速时采用长进气管，高速时采用短进气管可以明显增大转矩从而提高动力性。计算可知，当中低转速采用400～450 mm的长进气管时，可以使转矩增加14%；当高速时采用100～200 mm的短进气管可以使转矩增加 20%，这对于汽车的动力性而言是很大的提升。另一方面，从图 5的燃油消耗率曲线可以看到，随着进气管长度的增加，燃油消耗率有先下降后上升的趋势，但总体来说，进气管长度相对于发动机转速对燃油消耗率的影响很小，最大不超过2.1%，由于发动机一般在中低转速下运行，因此进气管长度选择在400～450 mm之间时，会使发动机具有比较好的动力性，此时虽然燃油消耗率会有一定增加，但不超过5 g/kW·h。如果在某些时候发动机需要高速运行，则进气管长度在100～200 mm时能提供更大的动力性，同样燃油消耗量的增加也很少。

3 结论及建议

文中实验通过分析发动机在不同长度进气管下的速度特性，得出进气管长度对发动机动力性有较大的影响，并初步确定了不同长度进气管的切入点。实验表明：在不同发动机转速下适当改变进气管长度能达到优化进气过程的目的，从而能有效提高发动机的动力性和燃油经济性。具体而言，当发动机运行在中低转速（小于3000 r/min），采用长进气管；当发动机运行在高速（大于4000 r/min），采用短进气管。这样不管在低速还是高速都可以获得较大的转矩和较低的燃油消耗率，从而改善发动机动力性和燃油经济性。

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