LJ276发动机电喷化改造设计

范 毅，陆 海，马亚勤，邓汝奎

(南宁学院，广西 南宁 530200)

1 引言

国产LJ276发动机在摩托车及农用机械行业有广泛的应用，但是化油器式的燃油供给系统不能满足国家日趋严格的排放法规要求［1］。因此，笔者在原化油器式发动机的基础上进行电喷化改造，重点解决电喷化后的进气系统结构优化的问题。

2 仿真模型

GT-POWER是一款发动机仿真分析软件，在发动机进气系统设计［2］，消声器设计［3］等方面有广泛的应用，能快速准确地进行发动机性能预测及优化设计［4］。由原机相关参数，建立的GT-power计算模型如图1所示。

图1 LJ276发动机整机建模图

图2 ～5给出了应用GT-power软件进行整机性能模拟计算的结果，功率、扭矩、燃油消耗率和示功图曲线与试验结果基本吻合。

图2 功率对比图

图3 扭矩对比图

图4 燃油消耗率对比图

图5 示功图

由于模型没有考虑到空滤器、消声器等截流损失，同时，输入参数流量系数(Flow Coefficients)为定压差气道稳态试验测量结果，与高温、高转速工况不同，因此，在某些工况点的计算结果与实验数据有一定的误差，但是误差均在允许的范围内，说明搭建的模型是合理的，以该模型为基础进行后续的优化设计是可行的。

3 进气系统的优化设计

进气系统结构对汽油机充气效率有决定性的影响，直接影响发动机的动力性、经济性和排放性。进气系统包括进气管和进气道两部分，由于更改进气道需要在缸盖里重新下模，开发成本较高且开发周期较长，因此改造主要从进气管方面进行优化设计。

3.1 进气总管长度的影响

在进气系统其它参数不变的情况下，考虑到原机的空间布置，进气总管长度分别设定为100 mm，120 mm，140 mm，160 mm，180 mm，200 mm，220 mm，240 mm，260 mm，280 mm十种尺寸进行比较。如图6、7所示。

图6 功率对比图

图7 扭矩对比图

从计算结果发现:进气总管长度只在某一转速范围内对功率有影响，中、低速范围(≤3 500 r/min)，功率曲线几乎重合。高转速范围(4 000～5 500 r/min)，随着进气总管长度的增加，功率下降明显。

而进气总管长度在整个转速范围内对扭矩都有明显影响，中、低速范围(≤3 500 r/min)，进气管越长，扭矩越高。高转速范围(4 000～5 500 r/min)，随着进气总管长度的增加，扭矩下降明显。

原因在于随着进气总管长度的增加，一方面管内容积增大，在进气过程中气体的体积和质量增大，在气缸负压的作用下，进气量增多［5］。另一方面，管长增大后，管壁对进气的摩擦损失也增加。当摩擦损失抵消掉进气量所带来的性能增加时，功率，扭矩等就随着管长增加而下降了。

通过上述的对比，发现进气总管长度越短，功率提升越明显，但对扭矩的影响却是低速长管，高速短管为好，综合考虑到这两个方面的因素和原机的空间位置。最后在保持其它进气系统参数不变的情况下，并选定长度180 mm为优化结果。

3.2 进气总管管径的影响

因为进气总管与空滤器及进气歧管相连，如不改变空滤器，则只能改变进气总管出口管径，现在原进气总管出口管径的基础上模拟25 mm，30 mm，35 mm，40 mm，45 mm等5组管径进行计算对比。如图8、9 所示。

图8 功率对比图

图9 扭矩对比图

从计算结果看，进气总管管径只在某一转速范围内对功率有影响，中、低速范围(≤3 500 r/min)，功率曲线几乎重合。高转速范围(4 000～5 500 r/min)，随着进气总管管径的增大，功率提升明显。

而进气总管管径在整个转速范围内对扭矩都有明显影响，中、低速范围(≤3 500 r/min)，进气管管径越小，扭矩越高。高转速范围(4 000～5 500 r/min)，随着进气总管管径的增大，扭矩越大。

原因在于，低速阶段，利用压力效应提高进气量，而高速阶段，管径越大，进气量越多，功率，扭矩等也越大。这与图示的结果一致。但我们看出，除了进气总管管径为25 mm的性能明显低于其他之外，30 mm及以后管径的性能几乎重合，原因在于总的进气量由入口直径决定。综合以上因素，维持原机的管径不变，即为30 mm。

3.3 进气歧管管径的影响

因为进气歧管与进气总管及进气道相连，如果进气道尺寸不变则进气歧管出口处直径不变，因此研究进气歧管管径变化对整机性能的影响，只需考虑原进气歧管入口处直径，现在原进气歧管入口管径的基础上模拟25 mm，30 mm，35 mm，40 mm，45 mm 等5 组管径进行计算对比。如图10、11所示。

从摩擦影响的角度来看，由于管道中的压力降与管径四次方的倒数成正比，因此希望管径较大;而从波动效果来看，则希望管径较小以增大波动的幅度。

图10 功率对比图

图11 扭矩对比图

通过上述的对比，发现单一进气歧管管径的变化对扭矩和功率影响不大，故不需调整，维持原机的进气歧管管径30 mm不变。

4 台架试验

本次台架试验的目的是进行优化计算后的样机试验。试验使用的汽油机是上述优化各参数后的机型。试验时采用93#燃油，大气温度17.1oC，大气压力100.8 kPa，相对湿度53.6%等。如图12～14所示。

图12 功率对比图

图13 扭矩对比图

图14 燃油消耗率对比图

通过试验与计算对比，结果表明，功率、扭矩、油耗率对比结果一致，偏差较少，对于实际生产有很大的指导意义。

5 结论

(1)利用GT-POWER软件建立基础样机数值计算模型，计算值与试验数据基本吻合，误差在工程允许范围内，可用来对发动机进行变参数优化设计。

(2)分析了进气谐振系统参数(进气总管长度、进气总管管径、进气歧管管径等)对发动机性能的影响规律，综合考虑改造成本及性能提升，选定进气总管长度为180 mm，进气歧管长度和进气总管管径维持原机参数不变。

(3)制作的样机与原机台架试验对比，改造设计后的电喷发动机扭矩最大提高9.2%，功率最大提高9.2%，燃油消耗率最大降低15.4%。

［1］ 王 丽.摩托车电喷化——来自国Ⅲ标准的召唤［J］.摩托车信息，2008(11):36-37.

［2］ 谭建伟，葛蕴珊，毕 晔，等.基于一维/三维模型耦合仿真的汽车进气谐振器设计［J］.汽车工程，2007(10):859-864.

［3］ 林森泉，侯 亮，黄 伟，等.基于GT-power的消声器优化设计［J］.厦门大学学报(自然科学版)，2013(3):376-381.

［4］ 李绍安，苏万华.内燃机燃烧模型的研究现状与展望［J］.车用发动机，1998(2):1-7.

［5］ 石来华，刘晓亮，冯仁华.进气管道长度对汽油机动力性能影响的研究［J］.机械研究与应用，2010(1):57-60.