1、进气系统各结构参数对进气性能影响研究(The structural parameters of air intake system of inlet performance impact study)作者：任建华学院：机械工程学院班级：汽车07-3班学号：0707130314指导教师：刘克铭论文起止日期：2010.6.2至2010.6.25进气系统各结构参数对进气性能影响研究（辽宁工程技 术大学汽车 07-3 班，任建华）摘要：进气系统是发动机的重要组成部分，进气系统性能严重影响了发动机和整车性能。设计高充气效率、低噪声的进气系统是汽车工程界和学术界一直追求的目标。论文介绍了压力波对进气性能的
2、影响，研究了进气系统内部各结构参数对压力波和充气效率的影响规律，结果表明: 进气系统谐振频率与进气总管长度成反比; 谐振频率随着进气总管管径的增加而提高;缩短进气支管长度，谐振频率增加; 减小谐振箱容积，进气系统中的压力波波动增强响，关键词：进气系统 谐振频率，进气支管，压力波The structural parameters of air intake systemof inlet performance impact study（Liaoning engineering technology university class 3, 2007 RenJianHua）Abstract: Air
3、 intake system is an important part of the engine, air intake system performance seriously affected the engine and vehicle performance. Design and high efficiency, low noise, air intake system is the automotive engineering and academics have been the pursuit of the goal.Paper adopts head loss calcul
4、ation method of inlet pressure wave are introduced, the research of the performance of the structural parameters of air intake system of internal pressure wave and the influence law of charging efficiency, the results show that: the resonance frequency and the air intake system length is inversely p
5、roportional to the manager, The resonant frequency as manager of the intake pipe diameter increases, Shorten the inlet pipe length, the resonance frequency increases, Reduce resonance case, the volume intake system pressure undulation enhancement,Keywords: Air intake system resonance frequency, the
6、inlet pipe, the pressure wave引言当今社会，汽车工业作为主要交通工具和国民经济的重飞速发展，作为汽车原动力的发动机技术也得到了迅猛提高高性能、高寿命、免维修、多样化、新结构成为当今发动机在动力性方面，国外一些汽油机的升功率已达到 4570 高达 90 kW/L。经济性方面，汽油机的最低比油耗达到 250g 性方面，国外汽车发动机一般首次故障里程超过 5 万公里，到免维修。许多轿车正朝着等寿命方向发展。对排放污染的控制，是国内外近年来的发展重点。从 2005 年起，欧洲成员国开始执行欧洲 4 号排放法规。美国 2005 年执行 2004 U 年我国颁布了轻型汽车的国家
7、三四阶段排放标准和重型柴油机的三四五阶段排放标准，这个相当于欧洲的三四五阶段的 2007 年月 1 日开始实施，并要求在 2010 年与国际同步汽车有害排放物，节约石油资源，许多发达国家开发了氢气汽电动汽车及太阳能汽车等，有的已达到实用阶段。电子控制技术的飞速发展和新型机构的开发，使发动机变参数发展。尤其是近些年，随着全球能源危机的不断加深枯竭以及大气污染、全球气温上升的危害加剧，节能和减排发展目标，人们不断挖掘发动机自身的潜力。结构方面，用构代替下置凸轮轴式配气机构，用多气门发动机代替两气门射代替化油器，采用电控喷油、电控点火，另外人们在燃烧方面也进行了大量的研究工作，都取得了有效进展。进气
8、系统都充量系数的影响：进气系统中的压力波对充气效率有着直接的影响，因此了解压力波的规律对提高发动机的进气性能有着重要的意义。因此应该首先了解进气系统中压力波的影响因素。进气系统中的动力效应主要由惯性效应和波动效应两部分组成。惯性效应是由进气门前产生的膨胀波行进到进气支管入口反射回的压缩波作用而成，惯性效应产生的压力波只能影响这次进气过程，而不会影响下次进气过程。在每次相互叠加，形成了谐振箱内稳定的压力波动，该压力波会影响每一次的进气，因此称该压力波的影响为波动效应。惯性效应和波动效应共同组成了进气门前的压力波动。其中由于惯性效应只发生在进气支管中，因此惯性效应压力波的相位只与进气系统的进气支管
9、有关，而配气相位的关闭时刻与发动机的转速有关;对于波动效应，由于其为各气缸残余压力波的叠加，因此波动效应压力波的相位与进气支管、进气总管均有关系，同样转速决定了配气相位。由上所述，进气系统中的各结构参数对进气系统中压力波的传播特性有很大的影响，为了了解各结构参数对进气性能影响的规律，本节选取了进气总管长、进气总管直径、进气支管长以及谐振箱容积这四个结构参数来分析改变结构参数对进气系统中传播的压力波以及充气效率带来的影响。进气流动计算方法概述进气系统的设计直接影响到发动机的换气过程，而充量系数是评价内换气过程完善程度的一个重要指标。所以改进进气系统设计，提高充量系改善汽油机动力性的一个重要措施。
10、提高充量系数、热效率及机械效率在机的开发及改进工作中，一直是人们所追求的目标。其中作为提高发动机性指标的充量系数对整机设计有着至关重要的作用。发动机的进气过程和排气过程的整个阶段可以统称为换气过程。换气进行的良好程度即发动机流通能力的好坏将直接影响发动机的动力性指经济性指标，而充量系数是评价内燃机换气过程完善程度的一个重要指标内燃机平均有效压力的计算公式如下： 1simi sitvQwp1 uCsUboaVHgl0287ucitsmiaT式中： 平均指示压力，mipap发动机一个工作循环的指示功,Jiw发动机工作容积，sv3得到指示功所消耗的热量，JQ指示热效率，kgit冲量系数C每循环供油量
11、，bgjgk燃料的低热值UH化学计量公然比ol进气管压力, spa进气管温度，KsT由式可以看出，发动机的平均指示压力（即扭矩）与充量系数成正比。因此，对发动机转矩的研究就可以转化为对充量系数的研究。进气管长度的变化直接影响内燃机的充量系数。人们通过内燃机换气过程建模来研究这种现象。一般的研究方法分两类:一类是考虑谐振效果;另一类是求解流动方程。考虑谐振效果的谐振系统又分为两类: 一类是风管;另一类 Helmholtz（亥姆霍兹）谐振器。英国 R.S.本森教授应用特征线图解法求解内燃机流动方程，找出了求解不稳定流动问题的数值解法43-44。目前，内燃机换气过程的模型可分为准定常模型、容积模型、
12、一维波动模型和多维波动模型四种。准定常模型是将进、排气系统内的流动简化为定常流动，它不适合研究管系对换气过程中压力波动的影响。而多维波动模型是将进、排气流动看作二维或三维流动，这要求算机具有较大的容量和速度，目前应用得较少。在设计中常用的计算模型有容积模型和一维波动模型。通过建立气体流动状态变化的微分方程式并进行求解，来解决管内波动的传播过程。采用容积模型将实际不稳定流动过程作为准稳定流动处理，只考虑状态参数随时间的变化。研究表明，进气总管和进气歧管长度的改变都对内燃机的充量系数有一定的影响。进气总管相当于一个共振腔，其长度和直径决定这一共振腔的容积。针对某一转速进气产生共振则充量系数产生峰值
13、；随着管长增加，充量系数峰值增大且向低速方向移动；总管内的动力效应主要是脉动效应。进气歧管长度是影响动力效应的一个主要参数，选用合适的歧管长度增加充量系数的实质就是利用其惯性效应来提高。根据第三章对汽油机进气管中流动的研究，多缸机进气歧管并不是简单地从外界吸入稳定气流。在进气过程中由于活塞的吸入作用在进气门入口处所形成的负压波，经气道、歧管、总管传至上游开口端，再反射回来。歧管入口处压力波形态取决于总外接管及上游耦合部件中复杂的气流波动，故它不是自身负压波的简单反射，而是由自身负压波、上游各部件中气体反射波及来自各缸的负压波在此处叠加而成。当进气门关闭之前若各波合成效果为正压波时，则有利于过后
14、进气，使增加，若为负压波，则降低。这也就是说合成波的相位应与配气相位的关闭时刻配合，而合成波相位主要取决于歧管长度，配气相位的关闭时刻则与转速有关，对于变速、变负荷的车用汽油机，这一动态效应的利用通常只能针对常用工况。由于进气歧管相对较短，在歧管内所发生的压力振动只影响本次进气过程，而不会影响下一次进气过程，故进气歧管内的动力效应主要是惯性效应。通过进气管长度的改变，在内燃机的整个转速范围内，希望能够获得较大的充量系数内燃机的输出扭矩上升。原 机 ， 可 变 进 气 长 度 进 气 管00.511.51000 2000 3000 4000 5000 6000 7000转 速冲量系数 原 机可
15、变 长 度 进 气 管1 进气总管长度的影响由于惯性效应只受进气支管的影响，因此进气总管的长度主要影响的是进气系统中的波动效应。进气总管是各入射波与反射波的必经之道，因此其长度对谐振箱中压力波动的相位有重要的影响。表 1 结构参数进气管长（mm） 进气总管直径（ mm） 进气支管长（ mm） 谐振箱容积（ml）方案一 320方案二 520 45 450 468方案三 720表 2 不同转速下的压力波波长2000 3000 4000 5000压力波长（m） 6.8 4.53 3.4 2.72表 3.1 发动机主要技术性能参数表缸径 D/mm 68.5行程 S/mm 72压缩比 8.7:1点火顺序
16、 1-3-2曲柄长 r/mm 36连杆长 l/mm 112进气门直径 d/mm 31.6气门最大升程 h/mm 5.153排量 v/mm 796表 3不 同 长 度 进 气 总 管 进 气 门 前 的 压 力 波-4-20240 60 120 180 240 300 360 420 450 540 600 660 720曲 轴 转 角 （ ca）最大压力点（pa） 方 案 一方 案 二方 案 三图 4不 同 进 气 总 管 充 气 效 率 对 比0204060801002000 2500 3000 3500 4000 4500 5000转 速 （ r/min）充气系数 方 案 一方 案 二方
17、案 三表 1 是改变进气总管后的进气系统结构参数表，在本次模拟中选取了320mm、520nun、720mm 三种不同长度的进气总管。对进气总管管长的选择上管长均要求低于一个压力波长，因为压力波在进气总管中以驻波的形式存在，若选择的管长超过了一个压力波波长，很有可能造成实验中同一实验点的重复进行，影响实验的可靠性。表 2 是不同转速下的压力波长，可以看到本文所选择的进气总管长度均远远低于各转速下的压力波波长。图 3 是 3000/rmin 时压力波在进气门前的压力波形，由于进气门前的压力波是惯性效应和波动效应的叠加，因此在该图上不易发现压力波变化的规律，由于进气总管的长度只影响进气系统的波动效应
18、，因此本文测量了不同长度的进气总管的在谐振箱中压力波动，见图 4。从图 4 中可以看到随着管长的增加压力波的相位逐渐向后移动。对于不同长度进气总管的充气效率，图中显示，在 4500:/rmin 的转速下，随着管长的增加充气效率在降低，而在 3500/rniln 充气效率则在随着管长的增加而提高，这是由于整个充气效率曲线的峰值随着进气总管长度的增加向低速移动造成的。从亥姆霍兹共振理论也能对该现象得到解释。进气系统相当于一个亥姆霍兹共振腔，从亥姆霍兹共振腔的共振频率: 2cAfLV式中，c 为音速，A 为谐振管的横截面积，L 为谐振长度， V 为谐振容积在进气系统中进气总管相当于亥姆霍兹共振腔谐振
19、管，因此随着管长的增加，谐振长度 L 增大，从而导致谐振频率的降低。2 进气总管管径的影响表 5 列出了改变进气总管管径后的进气系统结构参数，表中显示了在模拟实验中进气总管的管长分别为 35rnrn、4 伽 nrm、45Innl。从计算结果中发现，减小总管管径，谐振强度会增加，从压力波形上则反映为压力波动增强(图 6);但是一味的减小进气总管管径反而会增加系统的沿程阻力和局部损失，减小充气效率，图 6 中直径 35的进气总管相比直径 4 伽nrm 的进气总管压力波波动幅值反而降低; 因此应该通过试验比较选择合适的进气总管管径。对于不同进气总管管径的进气系统的充气效率曲线，可以看到随着进气总管管
20、径的减小，谐振转速向低转速移动。依然我们可以从式中得到解释:在进气系统中进气总管相当于亥姆霍兹共振腔谐振管，因此随着管径减小，横截面积 A 也缩减，从而引起谐振频率的降低。表 5 结构参数进气管长（mm） 进气总管直径（ mm） 进气支管长（mm） 谐振箱容积（ml）方案一 35方案二 320 40 450 648方案三 45图 6不 同 进 气 总 管 充 气 效 率 对 比0204060801002000 2500 3000 3500 4000 4500 5000转 速 （ r/min）充气系数 方 案 一方 案 二方 案 三3 进气支管长度的影响进气支管是进气系统中的重要组成，因为进气支
21、管的长度不仅决定进气系统惯性效应压力波的相位，而且也影响进气系统波动效应压力波的相位以及波动效应压力波传到进气门前的时间。本文选择了三种不同长度的进气支管进行实验，三个进气支管长也远小于进气系统中的压力波长。表 7 列出了三种进气系统的结构参数。在 4000r/min 转速下不同进气支管进气系统进气门前的压力波，可以从图中看到当管长为 380rnm 时，压力波形成了三个明显的波峰，幅值均高于其他两个管长下的压力波，但是由于波峰未出现在进气过程中，因此在该管长下充气效率反而较低。在图 8 中可以看到改变进气支管长带来的充气效率的变化:减小进气支管长度，谐振频率向高转速移动。在图 8 中方案 3
22、的充气效率并未在高转速下形成峰值，这是由于显示的转速范围所致，本文未对更高转速下的充气效率进行研究，但是从图中可以看到在 4500/rmni 转速以上，该结构的充气效率曲线有上升的趋势，并且在 5000r/mln 转速下充气效率已经大幅提高，因此可以预测在高于 5000/rmin 的转速中存在一个充气效率峰值。表 7 三种进气系统的结构参数进气管长（mm） 进气总管直径（ mm） 进气支管长（mm） 谐振箱容积（ml）方案一 520方案二 320 45 450 648方案三 380图 8不 同 进 气 总 管 充 气 效 率 对 比0204060801002000 2500 3000 3500
23、 4000 4500 5000转 速 （ r/min）充气系数 方 案 一方 案 二方 案 三4 谐振腔容积的影响由图 9 所示，减小谐振腔的容积，会增加压力波幅值，提高谐振强度，但是谐振腔容积减小到一定程度谐振强度增加并不明显，如图谐振腔从 648ml 减少到 576ml，压力波并没有明显变化，并且随着谐振腔容积的减小增加了进气阻力，反而会降低充气效率;反之，如果谐振腔容积过大，谐振强度降低，如果容积过大，则会降低进气系统波动效应的作用，谐振腔中的压力相对而言近似为一常数，此时谐振箱已转变成了稳压箱。在进气系统中的空滤器由于其容积较大，其内部压力只在 1500Pa 到一 20OOPa 之间浮
24、动，相对于进气门前的压力波动而言较小(见图 9)，因此除了造成一定的局部损失外不会影响进气系统中的压力波动，因此在压力波动的分析中可以不考虑空滤器，从而减少大量的计算时间。图 9空 气 滤 清 器 中 的 压 力 波 动-3000-2000-10000100020000 100 200 300 400 500 600 700 800曲 轴 转 角 （ ca）大气压力（pa）表 10 结构参数进气管长（mm） 进气总管直径（ mm） 进气支管长（mm） 谐振箱容积（ml）方案一 576方案二 320 45 450 648方案三 1100表 11不 同 长 度 进 气 总 管 进 气 门 前 的
25、压 力 波-4-20240 60 120 180 240 300 360 420 450 540 600 660 720曲 轴 转 角 （ ca）最大压力点（pa） 576mm谐 振 箱 容 积648mm谐 振 箱 容 积1100谐 振 箱 容 积结论：进气系统各结构参数对进气性能的影响: （1）进气系统谐振频率与进气总管长度成反比（2）谐振频率随着进气总管管径的增加而提高;缩短进气支管长度，谐振频率增加（3）减小谐振箱容积，进气系统中的压力波波动增强。参考文献1 倪计民，杜丽玫，高征，陆玉佩，冯迎霞，电喷汽油机可变进气系统的优化设计，汽车技术，2005(2)：16192 李伟，汽油及喷射发动
26、机进气管系的实验研究，硕士学位论文，清华大学，19953 何玲，电喷发动机可变进排气系统的研究，硕士学位论文，哈尔滨工业大学，20024 敖颖文，汽油机可变进气歧管系统研究，吉林大学，硕士学位论文，20085 滕 勤 , 陈利明, 徐天玉, 杨 瑜 ，发动机进气歧管压力传感器的标定与建模研究，合肥工业大学机械与汽车工程学院,20066 李景渊，发动机进气系统性能分析研究，重庆大学，硕士学位论文，20057 薄清荣等，利用谐振进气改善柴油机的性能，哈尔滨工业大学学报，19988 周振巍，缸内直喷汽油机复合喷射进气歧管设计，天津大学机械工程学院申请硕士学位，20089 周望静,卜安珍,夏兴兰某汽油机进气歧管断裂分析及结构改进，无锡油泵油嘴研究，2008敬爱的刘老师：由于学生对知识的掌握不够扎实，学术功底还相当欠缺，加上最近准备考研上课有些忙乱，所以对论文的准备不够好，但我也努力做到在逻辑上，内容上和结构上清晰明了。通过写此论文，我也阅读了大量的文章，期刊以及比较好的关于发动机方面的学术作品，收益匪浅，掌握了许多名词，又学校了画图和公式编辑，更重要的是我对汽车，对发动机，对学术又加深了兴趣，感谢老师这样的评分方式，还请老师日后在学习方面多与指导，我也会努力向老师请教，学生不胜感激。 学生：任建华
