范 毅，陸 海，馬亞勤，鄧汝奎

(南寧學(xué)院，廣西 南寧 530200)

1 引言

國產(chǎn)LJ276發(fā)動機在摩托車及農(nóng)用機械行業(yè)有廣泛的應(yīng)用，但是化油器式的燃油供給系統(tǒng)不能滿足國家日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)要求［1］。因此，筆者在原化油器式發(fā)動機的基礎(chǔ)上進行電噴化改造，重點解決電噴化后的進氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的問題。

2 仿真模型

GT-POWER是一款發(fā)動機仿真分析軟件，在發(fā)動機進氣系統(tǒng)設(shè)計［2］，消聲器設(shè)計［3］等方面有廣泛的應(yīng)用，能快速準(zhǔn)確地進行發(fā)動機性能預(yù)測及優(yōu)化設(shè)計［4］。由原機相關(guān)參數(shù)，建立的GT-power計算模型如圖1所示。

圖1 LJ276發(fā)動機整機建模圖

圖2 ～5給出了應(yīng)用GT-power軟件進行整機性能模擬計算的結(jié)果，功率、扭矩、燃油消耗率和示功圖曲線與試驗結(jié)果基本吻合。

圖2 功率對比圖

圖3 扭矩對比圖

圖4 燃油消耗率對比圖

圖5 示功圖

由于模型沒有考慮到空濾器、消聲器等截流損失，同時，輸入?yún)?shù)流量系數(shù)(Flow Coefficients)為定壓差氣道穩(wěn)態(tài)試驗測量結(jié)果，與高溫、高轉(zhuǎn)速工況不同，因此，在某些工況點的計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)有一定的誤差，但是誤差均在允許的范圍內(nèi)，說明搭建的模型是合理的，以該模型為基礎(chǔ)進行后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計是可行的。

3 進氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

進氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對汽油機充氣效率有決定性的影響，直接影響發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放性。進氣系統(tǒng)包括進氣管和進氣道兩部分，由于更改進氣道需要在缸蓋里重新下模，開發(fā)成本較高且開發(fā)周期較長，因此改造主要從進氣管方面進行優(yōu)化設(shè)計。

3.1 進氣總管長度的影響

在進氣系統(tǒng)其它參數(shù)不變的情況下，考慮到原機的空間布置，進氣總管長度分別設(shè)定為100 mm，120 mm，140 mm，160 mm，180 mm，200 mm，220 mm，240 mm，260 mm，280 mm十種尺寸進行比較。如圖6、7所示。

圖6 功率對比圖

圖7 扭矩對比圖

從計算結(jié)果發(fā)現(xiàn):進氣總管長度只在某一轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)對功率有影響，中、低速范圍(≤3 500 r/min)，功率曲線幾乎重合。高轉(zhuǎn)速范圍(4 000～5 500 r/min)，隨著進氣總管長度的增加，功率下降明顯。

而進氣總管長度在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)對扭矩都有明顯影響，中、低速范圍(≤3 500 r/min)，進氣管越長，扭矩越高。高轉(zhuǎn)速范圍(4 000～5 500 r/min)，隨著進氣總管長度的增加，扭矩下降明顯。

原因在于隨著進氣總管長度的增加，一方面管內(nèi)容積增大，在進氣過程中氣體的體積和質(zhì)量增大，在氣缸負壓的作用下，進氣量增多［5］。另一方面，管長增大后，管壁對進氣的摩擦損失也增加。當(dāng)摩擦損失抵消掉進氣量所帶來的性能增加時，功率，扭矩等就隨著管長增加而下降了。

通過上述的對比，發(fā)現(xiàn)進氣總管長度越短，功率提升越明顯，但對扭矩的影響卻是低速長管，高速短管為好，綜合考慮到這兩個方面的因素和原機的空間位置。最后在保持其它進氣系統(tǒng)參數(shù)不變的情況下，并選定長度180 mm為優(yōu)化結(jié)果。

3.2 進氣總管管徑的影響

因為進氣總管與空濾器及進氣歧管相連，如不改變空濾器，則只能改變進氣總管出口管徑，現(xiàn)在原進氣總管出口管徑的基礎(chǔ)上模擬25 mm，30 mm，35 mm，40 mm，45 mm等5組管徑進行計算對比。如圖8、9 所示。

圖8 功率對比圖

圖9 扭矩對比圖

從計算結(jié)果看，進氣總管管徑只在某一轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)對功率有影響，中、低速范圍(≤3 500 r/min)，功率曲線幾乎重合。高轉(zhuǎn)速范圍(4 000～5 500 r/min)，隨著進氣總管管徑的增大，功率提升明顯。

而進氣總管管徑在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)對扭矩都有明顯影響，中、低速范圍(≤3 500 r/min)，進氣管管徑越小，扭矩越高。高轉(zhuǎn)速范圍(4 000～5 500 r/min)，隨著進氣總管管徑的增大，扭矩越大。

原因在于，低速階段，利用壓力效應(yīng)提高進氣量，而高速階段，管徑越大，進氣量越多，功率，扭矩等也越大。這與圖示的結(jié)果一致。但我們看出，除了進氣總管管徑為25 mm的性能明顯低于其他之外，30 mm及以后管徑的性能幾乎重合，原因在于總的進氣量由入口直徑?jīng)Q定。綜合以上因素，維持原機的管徑不變，即為30 mm。

3.3 進氣歧管管徑的影響

因為進氣歧管與進氣總管及進氣道相連，如果進氣道尺寸不變則進氣歧管出口處直徑不變，因此研究進氣歧管管徑變化對整機性能的影響，只需考慮原進氣歧管入口處直徑，現(xiàn)在原進氣歧管入口管徑的基礎(chǔ)上模擬25 mm，30 mm，35 mm，40 mm，45 mm 等5 組管徑進行計算對比。如圖10、11所示。

從摩擦影響的角度來看，由于管道中的壓力降與管徑四次方的倒數(shù)成正比，因此希望管徑較大;而從波動效果來看，則希望管徑較小以增大波動的幅度。

圖10 功率對比圖

圖11 扭矩對比圖

通過上述的對比，發(fā)現(xiàn)單一進氣歧管管徑的變化對扭矩和功率影響不大，故不需調(diào)整，維持原機的進氣歧管管徑30 mm不變。

4 臺架試驗

本次臺架試驗的目的是進行優(yōu)化計算后的樣機試驗。試驗使用的汽油機是上述優(yōu)化各參數(shù)后的機型。試驗時采用93#燃油，大氣溫度17.1oC，大氣壓力100.8 kPa，相對濕度53.6%等。如圖12～14所示。

圖12 功率對比圖

圖13 扭矩對比圖

圖14 燃油消耗率對比圖

通過試驗與計算對比，結(jié)果表明，功率、扭矩、油耗率對比結(jié)果一致，偏差較少，對于實際生產(chǎn)有很大的指導(dǎo)意義。

5 結(jié)論

(1)利用GT-POWER軟件建立基礎(chǔ)樣機數(shù)值計算模型，計算值與試驗數(shù)據(jù)基本吻合，誤差在工程允許范圍內(nèi)，可用來對發(fā)動機進行變參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。

(2)分析了進氣諧振系統(tǒng)參數(shù)(進氣總管長度、進氣總管管徑、進氣歧管管徑等)對發(fā)動機性能的影響規(guī)律，綜合考慮改造成本及性能提升，選定進氣總管長度為180 mm，進氣歧管長度和進氣總管管徑維持原機參數(shù)不變。

(3)制作的樣機與原機臺架試驗對比，改造設(shè)計后的電噴發(fā)動機扭矩最大提高9.2%，功率最大提高9.2%，燃油消耗率最大降低15.4%。

［1］ 王 麗.摩托車電噴化——來自國Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)的召喚［J］.摩托車信息，2008(11):36-37.

［2］ 譚建偉，葛蘊珊，畢 曄，等.基于一維/三維模型耦合仿真的汽車進氣諧振器設(shè)計［J］.汽車工程，2007(10):859-864.

［3］ 林森泉，侯 亮，黃 偉，等.基于GT-power的消聲器優(yōu)化設(shè)計［J］.廈門大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2013(3):376-381.

［4］ 李紹安，蘇萬華.內(nèi)燃機燃燒模型的研究現(xiàn)狀與展望［J］.車用發(fā)動機，1998(2):1-7.

［5］ 石來華，劉曉亮，馮仁華.進氣管道長度對汽油機動力性能影響的研究［J］.機械研究與應(yīng)用，2010(1):57-60.