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摘要：通过发动机台架试验研究了进气歧管进气道长度对发动机外特性扭矩、功率、排放、油耗率、倒拖扭矩和部分负荷油耗率的影响。试验中选取的进气道长度分别为380mm、420mm和460mm。试验结果表明，发动机外特性功率扭矩随进气道长度的增加而有所上升，进气道长度对发动机外特性排放碳氢化合物、氮氧化物的影响很小。在部分负荷工况，进气道长度对油耗率的影响很小。而发动机倒拖扭矩随进气道长度的增加略有上升。

关键词：汽油机 进气歧管 进气道长度 扭矩 油耗 排放

1. 前言

发动机进气歧管是其进气系统的重要组件。进气歧管位于进气门和发动机进气门之间，是将新鲜空气导入到各个气道，并形成混合气导入到气缸内进行燃烧做功的部件。之所以称为歧管，是因为空气流道就在此分开了，每个气缸对应一个气道。进气歧管将气体尽可能均匀地分配到各个气缸，为此进气歧管内气体流道的长度应尽可能相等。

进气歧管设计的合理与否会影响到发动机的充气效率和换气损失，进而影响到发动机的动力性和经济性。良好的进气歧管使进入各气缸的空气更加均匀，同时，还应能满足当前发动机乃至汽车的发展需求[1]。

对于汽油机而言，进气量决定了发动机的动力性能。因此选择最佳尺寸的进气歧管非常重要。发动机的进气过程，是一个复杂的脉动和谐振过程，该过程和进气系统结构参数有着直接的关系，可以通过一个公式进行量化分析，管道长度影响进气管道内压力波的谐振频率，进气管道长度与谐振频率的关系式[2]：

式中：

a= 为进气管内声速;

K为绝热指数;

R为理想气体常数;

T为绝对温度;

N为发动机转速;

L为等效管长;

Km为谐振频率。

由式（1）可知，管道长度与谐振频率成反比关系。改变进气系统管道长度，可以调整进气谐振频率，从而利用谐振波效应提高进气量，从而提高发动机性能。

一般来说在发动机及低速运转时，长进气歧管更有利于性能提升。因为此时进气频率较低，长进气歧管有利于降低进气脉动次数。而高速时则需要短的进气歧管以减少进气阻力。

内燃机充量系数是衡量发动机性能的重要指标，充量系数越高，发动机动力性越强。而进气歧管长度和直径对整个转速的动力性影响不均衡，进气管长度的增加或管径的减小，可使充量系数的峰值向发动机低速一侧移动，反之则向高速移动[3]。

可变长度进气歧管利用发动机进气的谐振效应提高发动机的充气效率。同时兼顾高低速转速范围内的动力特性和经济特性。然而可变长度进气歧管结构较复杂、零部件较多且存在运动部件，故失效模式增多、失效概率增大[4]。

本文基于某1.5L自然吸气发动机，在发动机台架通过性能试验，研究了进气歧管气道长度对发动机动各项性能的影响，为进气歧管选型提供依据。

2 试验系统

2.1 试验用发动机

本试验对象为某自然吸气发动机，其主要参数如表1所示。

2.2 台架试验系统

台架试验系统的主要设备有测功机、台架控制系统、油耗仪、排放仪等，详见表2。

发动机台架测试系统控制发动机的运行工况，并测出发动机扭矩功率等性能参数;油耗仪测出发动机燃油消耗率;利用排放仪器检测发动机排放尾气中各污染物的浓度。试验中发动机出水温度设定在88±5℃，机油温度不超120℃，环境温度25±3℃，进气相对湿度50±5%。

发动机上同时安装了发动机机油温度及压力、排气温度、冷却液温等测点以对发动机机油压力及排气温度等数据进行监控，数据采集及记录采用INCA 软件，对发动机转速、扭矩、点火角等数据进行实时记录。

采用不同歧管进行外特性试验时，保持发动机节气门开度为100%，适当调整点火角和过量空气系数，使发动机运行在排气温度限值边界和爆震边界。

进行部分负荷油耗率测试时，保持过量空气系数为1;调整点火角至最佳状态，非爆震工况下当燃烧放热率为50%的曲轴转角为（MFB50）6-10°CA时、爆震工况时达到爆震边界时的点火提前交为最佳点火角。

2.2 试验方案

试验中共准备了3中不同气道长度的进气歧管，其气道长度分别为380mm、420mm、460mm。首先安装380mm进气歧管，测试发动机外特性各项性能;测试发动机在关键点油耗数据;测试发动机倒拖扭矩。其次更换420mm进气歧管进行上述试验。最后更换460mm进气歧管进行试验。

进行部分负荷油耗试验时，发动机负荷以缸内平均有效压力（BMEP，MPa）表示。其计算公式如下：

式中τ为发动机冲程数，4;Ttq为发动机输出扭矩，N·m;i为缸数，4;V为发动机气缸工作容积，m3。

测试发动机倒拖扭矩时，启动发动机进行热机。发动机机油温度为95℃时切断燃油供应，由测功机拖动发动机开始测试。控制转速为6000-1000r/min，步长400r/min;分别在节气门开度为0%和100%两种状态下测量发动机扭矩数据。

3 试验结果及分析

3.1 进气道长度对发动机外特性的影响

图1、图2是发动机外特性扭矩功率随进气歧管进气道长度变化趋势。由图可见，在转速低于2800r/min时，歧管进气道长度对扭矩和功率的影响不大，最大偏差为2.5Nm左右（2000r/min，气道长度380mm扭矩为125.9Nm，而气道长度460mm扭矩为128.6Nm）;3000-4200r/min时气道长度对性能的影响最为明显，最大偏差为7.5Nm左右（3800r/min，气道长度380mm扭矩为134.73Nm，而气道长度460mm扭矩为142.11Nm）;随转速继续升高，气道长度对扭矩和油耗的影响程度有所减弱，扭矩差距一般在2Nm左右。

整体来看，随气道长度从380mm增大到460mm时，发动机扭矩和功率是不断升高的。在高速段，单独缩短进气道长度并不能提升发动机的性能，反而因为无法更好的利用谐振波效应增加进气量，使得发动机性能下降;需要缩短进气道长度的同时还需要增加管径才能达到理想的效果。在低速段，较短的气道长度会使性能降低，与前述理论分析一致。

图3为气道长度对外特性油耗率的影响趋势。在大部分工况下，由于采用不同长度气道的进气歧管，其外特性扭矩功率相差不但，所以依据功率计算得来的燃油效率在数值上差距不大，一般为1-2%。460mm歧管在4800和5200r/min时油耗偏高4.5%，这是因为该工况下安装460mm歧管后，进气量和功率提升较高，导致排气温度相应升高。需要加浓来降低排气温度，导致燃油消耗率升高。

图4和图5显示了进气歧管气道长度对发动机尾气排放中碳氢化合物和氮氧化合物浓度的影响。不同气道长度歧管下的碳氢和氮氧化物浓度变化很小。

这是因为汽油机排放中碳氢化合物主要产生于壁面冷激失火、狭缝效应和混合气过浓等因素;对于氮氧化物而言，高温和富氧环境是其生成的主要条件。进入气缸的空气中所含的氮气和氧气在燃烧室高温条件下发生化学反应生成氮氧化物。而仅改变发动机进气歧管气道长度，不会对上述因素和条件产生明显的影响，所以发动机尾气排放中碳氢和氮氧化物的浓度随进气歧管气道长度的变化幅度很小。

3.2 进气道长度对部分负荷油耗的影响

测试了不同进气歧管对发动机部分负荷油耗率的影响，测试共有两个工况点：（1）测试点转速为2000r/min，负荷BMEP为0.2MPa。（2）转速为2600r/min，负荷BMEP为1MPa。

部分负荷油耗率测试结果见表3。从结果可见，转速2000r/min负荷BMEP为0.2MPa工况点，各进气歧管下油耗数据基本一致，偏差小于0.1%。当工况点变为转速2600rpm负荷BMEP为1MPa时，该油耗率偏差有所上升，最大为1.6%。相较于2000r/min&0.2MPa工况偏差有所增大，但偏差值仍在较低水平。可以认为进气歧管气道长度对部分负荷测试工况油耗率的影响很小。

3.3 进气道长度对倒拖扭矩的影响

图6、图7为是进气歧管气道长度对发动机倒拖扭矩的影响。其中图6为节气门全关后的倒拖扭矩随气道长度变化趋势;图7为节气门全开时进气歧管气道长度对发动机倒拖扭矩的影响。图中可见，相对于节气门全关工况，节气门全开时由于节流损失较小，所以该工况倒拖扭矩数值会较小。

节气门全关时，气道长度对倒拖扭矩的影响非常微小，基本可以忽略不计;节气门全开时，基本为随气道长度增大，倒拖扭矩增大。虽然气道长度对倒拖扭矩的影响也很小，但与节气门全关工况相比，其影响程度要稍大。如在4800r/min下380mm与460mm歧管数据进行对比，节气门全开二者倒拖扭矩差值为1.2Nm，而节气门全关时差值为0.6Nm。

因为采用较长进气道的歧管时，会带来更高的气流沿程损失，所以随气道长度增加，发动机倒拖扭矩会有所上升。但节气门全开时，气体流量较大，这种沿程损失相较于节气门全关工况会大，故进气道长度对倒拖扭矩的影响程度也较大。

4 结论

（1）该试验中研究了不同进气道长度歧管对发动机性能的影响。研究工况及歧管样件条件下，发动机功率和扭矩随气道长度增加有所上升。

（2）安装不同的进气歧管进行测试时，发动机产生的碳氢化合物、氮氧化物排放受其影响都较小。进气歧管进气道长度的改变，影响了发动机进气量。但对碳氢化合物和氮氧化物排放生成的条件为形成明显的改变，因此上述两种污染物的浓度基本没有变化。

（3）测试了2000r/min负荷BMEP为0.2MPa及2600r/min负荷BMEP为1MPa工况下的油耗数据。进气道长度对部分负荷油耗的影响很小，2000r/min 0.2MPa工况油耗变化率小于0.1%;2600r/min 1MPa工况油耗变化率最大为1.6%。

（4）节气门全关条件下，进气道长度对发动机倒拖扭矩的影响程度微小;节气门全开条件下，该影响程度略有增加。发动机倒拖扭矩会随进气道长度的增加而有小幅度增加。

参考文献

[1]颜烨强， 尹凝霞， 纪宏文， 等. 进气歧管应用及发展[J]. 机械工程与自动化，2016（2）， 225-226

[2]卢兆强， 吴颂. 发动机进气歧管选型的试验研究[J]. 装备制造技术， 2011（9），26-27， 43

[3]周波， 雷蕾， 王强， 等. 某汽油机进气歧管的优化设计[J]. 汽车实用技术，2018（13）， 94-95

[4]黄振霞，张帆， 韦家良. 可变长度进气歧管的失效分析[J]， 汽车零部件， 2015（8）， 25-26， 57

作者简介：罗弯（1988.06），男，壮族，广西柳州人，本科，主要从事发动机试验验证相关工作