进气管结构对柴油机性能影响的仿真研究

文春林，姜泽军，黄 荣，陈英杰

（1.广西大学机械工程学院，广西 南宁530004；2.常州易控汽车电子股份有限公司，江苏 常州 610010）

进气管的结构对提高柴油机各项性能具有重大意义。对于多缸发动机而言，随着进排气门的开闭，进气管内的气体流动状况非常复杂，容易在管内造成剧烈的压力波动，从而对各缸进气不均匀性造成大的影响。在相同的燃烧条件下，各缸进气量越均匀，柴油机整机性能受单缸的影响就越小。因而，柴油机进气系统的结构设计已成为提升发动机性能的关键技术。

近年来，越来越多的科研人员投入到进气管的研究，研讨进气管对混合气的形成、涡流的产生和各缸均匀性的影响[1-3]。

本文利用BOOST软件建立某四缸柴油机的一维仿真计算模型，并通过试验结果对模型进行验证计算。然后以集气腔容积、管长、管径为变量，研究这些参数对柴油机性能的影响，并选出最优值。

1 B OO S T模型的建立及验证

1.1 搭建一维B OO S T模型

本文研究所用的柴油机是某型4缸柴油机，具体性能参数见表1.

表1 柴油机主要参数

本文运用BOOST软件对柴油机的整机工作过程进行模拟仿真计算，基于柴油机实际工作情况搭建的一维热力学模型如图1所示。

图1 发动机一维模型

1.2 模型验证

本文选取三个转速，在全负荷条件下将功率与扭矩的模拟计算结果与试验结果进行对比，如表2、表3所示。可以看出，计算结果与实验值之间的最大误差为3.03%，说明所建立的BOOST模型能够作为后续耦合仿真计算的基础。

表2 全负荷下功率的实验值和计算值

表3 全负荷下扭矩的实验值和计算值

2 进气歧管结构参数优化

以集气腔容积、管长、管径为变量，研究这些参数对发动机性能的影响。所有的计算均在全负荷工况下进行，发动机转速为2 300 r/min.

2.1 集气腔容积的优化

该集气腔即为图1中的PL1.由图2可知，随着容积增大，充量系数随之上升，但上升的斜率并不一致。以4 L为界，前期上升幅度大，后期上升幅度小。由图3可知，扭矩随容积的增大而增加，同样以4 L为界，容积小于4 L时增长幅度大，后期增长幅度小。综上所述，集气腔容积增加后，柴油机的扭矩、充量系数均有提升，但容积太大对柴油机的整体布置有不利影响，因此集气腔容积在4 L时最具有实际意义。

图2 充量系数随容积的变化线

图3 扭矩随集气腔容积的变化曲线

2.2 管长的优化

此处优化的管在图1中的编号为22～29号。

由图4可知，管长小于120 mm时，扭矩几乎不变，大于120 mm后几乎呈线性降低；由图5可知，管长小于120 mm时，充量系数随管长增加而缓慢增加，120 mm之后急剧降低，说明管长对充量系数有重大影响；由图6可知，有效燃油消耗率在管长小于120 mm时几乎不变，管长大于120 mm之后呈线性增加，说明在同样工况下管长增加会导致油耗增加。综上所述，管长最佳为120 mm.

图4 扭矩随管长的变化曲线

图5 充量系数随管长的变化曲线

图6 有效燃油消耗率随管长的变化曲线

2.3 管径的优化

由图7、图8可知扭矩和充量系数的变化趋势相似，以56 mm管径为界，前期增长幅度大，后期增长幅度小；由图9可知，有效燃油消耗率随管径的增加而减少，并且管径大于28 mm时减少趋势趋于平稳。因此，最佳管径取56 mm.

图7 扭矩随管径的变化曲线

图8 充量系数随管径的变化曲线

图9 有效燃油消耗率随管径的变化曲线

3 总结

本文利用BOOST软件对柴油机整机工作过程进行了模拟，发现集气腔容积、管长和管径对柴油机性能有比较大的影响，最后选根据试验数据选出了最佳参数，为进气管的结构参数优化提出了参考性意见。