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内燃机进气歧管的模型预设计
拉科鲁尼亚大学J. Benajes
瓦伦西亚理工大学E. Reyes, J. Galindo, and J. Peidro
摘要：本文提出了一个基于声波理论的原始计算模型，该模型可用于计算出一个最佳进气歧管的整体尺寸，来达到改善发动机换气过程的目的。我们定义了一些用于描述发动机和歧管之间动态交互的参数，这些参数也可以用来评估歧管的质量。通过使用这些参数，该模型可以被应用于两种互补的模式：现有的歧管声学分析和根据设计要求和限制合成的最佳集合形状。通过发动机上一些原型进气歧管的测试来评估模型的计算结果，并且根据模型的指导方针来进行设计。
介绍：
内燃机进气歧管的基本任务是将新鲜的气体从大气中传输送进气缸内，并且将总诱导质量流体均匀的分配到每个气缸中。另外一个重要的任务，如液化燃料的汽化和分配，这是化油器发动机中至关重要的，现在只在越来越不寻常的单点喷射系统中相关［1］。因此，在几乎所有现代的火花点火发动机中，除了在吸气口的一小部分中之外，沿着进气系统流动的气体可以被认为仅仅只是空气。当然，这种说法在柴油发动机和（也许即将到来的）直接喷射S.I.发动机中也是完全正确的。
因此，如果排除与液体燃料的存在有关的附加要求，进气系统的基本功能可以总结如下：
-提高发动机的进排气能力
-将沿着管道和腔室的压力损失保持在最低水平
-将质量流量均匀地分配给所有气缸
最后的一个要求在概念上很容易实现。他施加给系统一个流体动力学对称布局，其在最简单的情况下意味着从大气中引入的空气必须穿过几何相同的系统，直至到达每个气缸。
为了满足前两个条件，进气歧管的布局和几何形状必须根据发动机的操作特性做出调整。这意味着必须考虑到所有相关流量变量的时间和空间变化的复杂的脉动流现象在选择每个管道的长度和直径以及最终中间腔室的体积。
完整进气系统的操作可以作为两个单独的子系统来研究：活塞和气门周期性的运动和作为激励源致动，并且进气歧管作为流动系统，根据自己的尺寸形状来响应该激励。这种相互作用极大地影响了进气门的非稳定流动条件，因此也影响了整个引入过程。
为了精确地计算气门处的瞬间流量过程，需要使用负责的计算机模型。其中，波动模型，一维流量假设，允许对进气和排气系统中的所有常见元素建模，它们对于大多数任务都是准确的［2］［3］。尽管能够评价已经定义的歧管的效果，并且指导设计者确定明确的目标，但是这些模型不允许直接合成最佳进气歧管几何形状。
本文采用了一种不同的方法，用来探索发动机和歧管之间最先关的动态效应，以便为这些现象定义一些简单的评估参数。使用该概念基础，可以产生能够直接搜索最佳几何形状的简单计算模型，该最佳几何形状被期望能在给定的操作条件下优化发动机的容积效率。
歧管中的波动过程
当进气歧管受到活塞阀周期性运动的激励时，进气歧管的动态响应和用于改善发动机进排气的最佳调谐已经通过不同的理论方法进行了研究。其中，赫姆霍兹谐振器理论［4］［5］［6］［7］、冲击充电理论［8］和器官管方法［9］是最常用的。Tabaczynski［10］和Winterbone等［11］已经发表了有关这些理论的看法。
在本文中，采用了一种更加物理的方法，即沿着进气系统的压力脉冲传播，考虑到气缸之间的相互作用和边界处的反射。
单缸发动机——考虑到一个发动机气缸与一个进气系统连接，压力脉冲现象的物理描述可以被启动，该进气系统不向气缸反射任何压力脉冲。概念上，无限长的单个进气管将满足这个条件。气门上游的压力扰动仅取决于活塞和气门的运动。更进一步地说，活塞在进气冲程期间的运动，从上止点（TDC）带下止点（BDC）加速，以及通过进气门吸入气体，相对于进气歧管的压力水平，产生了气缸中的压力的瞬间减少。这种压力扰动从气缸沿着进气系统流向大气中。因此，如果在这种情况下，可以检测到瞬时压力的演变，其结果类似于图1所示。这里，对于一个具有极长进气管的单缸发动机来说，气缸和进气门上游的瞬时压力演变相对于曲轴角度绘制。
在真实尺寸的进气系统的情况下，源自气缸的稀释脉冲将会到达一些位置，在那里其将朝向气缸反射。稀释脉冲被反射为过压脉冲的那些奇点对于歧管调节有着特别的意义。其中，歧管和管道接头的极端可以被认为是这种类型的。在这种情况下，气门处的瞬时压力图将会比图1复杂得多，因为几个反射的压力脉冲将至少部分地叠加在原始稀疏的脉冲上。
通常，实际压力可以被概念性地分解成两个压力成分：前向脉冲和后向脉冲［12］。根据这个方案，图2的曲线阐述了气门瞬时压力在一个非常简单的情况下的演变：具有进气管的单杠发动机。前向分量（由活塞阐述的原始稀有列阵脉冲）和后向分量（在管的开口端反射的过压脉冲）同时存在于气门处，因此两个脉冲的组成产生增加进气关闭（IC）周围的真实和物理压力。
图2中的原始稀释脉冲是图1中描述的压力演变的简化：其持续时间是从TDC开始的180°的曲柄角。一个附加的假设：压力脉冲组成是线性的，也即在振幅上代数加法，这是符合文本接受的理论。此外，如果假设脉冲的传播没有摩擦，热传递和局部损失，则反射的脉冲将保持原始的轮廓和振幅。
当然，过压脉冲将在气门处被反射，并且它将再次朝大气流动，在那里它将经历相同的过程。这些较高阶脉冲的类型（欠压或过压）将取决于气门位置，并且它们的振幅将由于每次反射而减少。
任何反射脉冲到达进气门的时间可以通过在反射和原始压力脉冲的类似点之间的相移角theta;来表征。theta;的值将取决于脉冲传播速度，管道的长度和发动机速度。
在单杠发动机中，歧管的调谐是基于实现最佳theta;角和一个方便的振幅基础上，这将在后面讨论。
四缸发动机——除了是一个非常常见的电动装置，这里利用具有相等间隔点火顺序的直列四缸发动机的例子来介绍多缸发动机中额外的脉冲现象。
在多气缸发动机的情况下，每个气缸具有一个主管和一个公共副管，产生相同的基本脉冲反射现象，但是现在存在两个可以产生有利的过压脉冲的位置：歧管的极端和五个管的接合处，如图3中虚线所示。因此，这些脉冲从结合点和歧管的末端到达气门可以分别用角度theta;1和theta;2表示。
除了这些潜在有利的脉冲现象之外，在可以共享进气歧管的一部分的多缸发动机中，会发生有害的干扰过程：当源自于一个气缸的稀释脉冲到达另一个气缸时，同时其气门将打开。这种情况在图3中由虚线表示，并且可以由干涉角Phi;来表征。
在研究发动机的情况下，进气过程之间的角度间隔等于180°。这意味着如果脉冲的传播速度是无限的，或者气缸直接的管道长度是0，则气缸之间的干扰角将等于IO和IC角，如图4所示。由于沿主管道的行程时间，干涉角会有所不同：管道越长，发动机速度越快，来自前一点火气缸l-1的干扰越大，并且从下一个点火的一个点l 1开始越小，如图4所示。下面将给出计算干涉角的值的表达式。
边界条件——在前面有关于脉冲传播和反射现象的讨论中，已经做出了对歧管的极端对大气开放的重要假设。这个简化使得我们能够说明，一个稀薄的脉冲将始终被反映成一个过压脉冲，因为歧管极限作为一个纯开端。在真实的发动机中，情况并非如此，相反，而是将一个复杂的元素放置在这一点上，这可能会改变歧管的动态表现［11］。
在自然吸气发动机中，在歧管之前装置了一个过滤器。然而，空气滤清器通常包含一个气室，其容量比单个气缸的位移大好几倍。该体积足够大以承担开放状态。
另一方面，在增压发动机中，边界条件是压缩机，或者目前更常见的是后冷却器。在第一种情况下，压缩机操作的对于确定其作为开放端还是作为半封闭端是至关重要的。如果压缩机以恒定速度运行并且在其出口产生瞬时压力波动，则可以通过使用其特性图来理解压缩机的流体动力学响应。
如果特征操作点位于恒定速度线具有小斜率的区域（通常为低发动机转速），则一个微小的压力波将足以使质量流量大幅度增加。这种行为类似于开放式的行为。在相反的情况下，具有大斜率的恒定速度线意味着较大的压力变化相对较小地改变了质量流量，并且压缩机表现为半封闭端。
然而，在最常见的情况下，在后冷却器被放置在压缩机和进气歧管之间的情况下，具有频繁大的内部容积的后冷却器的几何形状再次确保开放式动态特性。然而，如果增压室的体积很小，则可以将整个系统的股友频率修为较小的值［13］。如果应用提出的模型，这个影响在歧管的预设阶段必须被忽略。
声波模型
提出的模型依赖于歧管中描述的波现象，其主要任务是计算歧管几何形状，其动态响应在进气门处产生所需的压力脉冲模式。 为了降低计算复杂度并允许直接解决问题，该模型接受声波理论。
这假设沿着进气系统行进的压力脉冲是无穷小的，因此不允许其传播速度的局部变化。这个假设连同下一段所述的那样，允许快速计算压力脉冲过程。反过来，该模型不能预测流形中的瞬时压力演化，也不能估计气体交换过程的任何评估参数。
假设和公式——模型的主要假设［14］：
（1）理想气体；
（2）一维流动；
（3）等熵变化；
（4）恒定的截面导管；
（5）声压波（小脉冲振幅）；
在进气管中的流体计算中，第一个假设是很常见的。第二个是长度超过直径的优势的结果。第三个假设意味着波浪传播过程中的摩擦和热传递是被忽略的，第二个效应在进气歧管中几乎可以忽略不计。第二个效应在进气歧管中几乎可以忽略不计。假设恒定的横截面导管不会对这种模型缺乏精确度或适用性。最后，声学行为仅适用于流量低马赫数，通常在进气管道中是有效的。
表示可压缩流动的流体动力学过程所需的方程式（具有上述假设）：状态方程，动量和连续性。这些可以组合以产生双曲线方程的非线性偏导数集，其独立变量可以是声速和流速。该系统可以进一步重新排列，以产生以下两个方程：
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公式（1） |
该系统可以容易地解决，以便在任何时间和点产生流体特性，但是如果还假设流速远低于本地的声速，那么这些方程可以简化为：
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公式（2） |
分别对时间和位置进行区分，并结合起来，结果如下：
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公式（3） |
这就是所谓的波动方程。
由于（mu;）可以分为平均U和脉动分量（mu;），所以波动方程可以变形为：
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公式（4） |
因为U独立于f和x。
在内燃机中，以波动方程为特征的扰动是周期性的，因此它们可以发展为傅里叶级数作为正弦函数的和。因此，波动方程的一般解将是伯努利解：
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