发动机进气系统的功用是尽可能多和尽可能均匀地向各缸供给可燃混合气或纯净的空气，进气系统包括进气管路、空滤器、进气歧管及进气道等部件。进气管路一般较长，其布置走向直接影响进气谐振；空滤器内部结构复杂，其压力损失直接影响进气能力。

本文基于AVL-BOOST软件平台在某汽油发动机上应用新空滤器方案和新进气管路方案后对其性能的影响进行研究。

汽油发动机热力学模型搭建与校核

在AVL-BOOST软件中根据发动机进排气管路的实际几何尺寸以及空滤器、中冷器及增压器等元件特性参数搭建四缸汽油发动机的一维热力学模型，如图1所示。

图 1 发动机热力学模型

新鲜气体从边界SB1吸入，经由管路1到空气滤清器CL1，再经过管路2连接到节气门R1，出来再通过管路12进入到进气歧管的稳压腔PL1。管路18、19、20和21代表进气歧管，管路3、4、5及6代表进气道，通过进气道将气体引入到气缸C1～C4。管路7、8、9和10代表排气道，14、15、16、17和22代表排气歧管，通过排气歧管将燃烧后的气体引到催化器CAT1，然后经管路11连接出口边界SB2。

根据台架测试外特性试验数据对一维热力学模型进行校核，使转矩、比油耗、进气量、进气损失及排气背压等与试验数据吻合，如图2所示，且计算值与试验值差值均小于3%，关键点小于2%，证明该模型精度满足要求，可适用于后续热力学预测。

图 2 热力学模型标定结果

新空滤器方案对发动机性能影响预测

为降低发动机制造成本，对空滤器方案重新选型，新空滤器方案流阻特性测试结果见表 1。

表 1 新空滤器方案流阻特性

根据本文所研究发动机额定转速下的进气流量，插值折算额定转速下新空滤器压损为1.625kPa。原空滤器方案压损为0.602kPa，将新空滤器方案压损代入到热力学模型，对发动机性能进行预测。

对新空滤器方案热力学性能进行仿真预测时，保持相同的进排气计算边界及相同空燃比，两种空滤器方案对应的热力学结果如图3所示。

图 3 两种状态空滤器对应的热力学结果

热力学结果对比显示：新空滤器方案状态下，由于进气量的变化导致最大净转矩和额定净功率均有所下降，最大净转矩下降2.5N·m，约1.7%；额定净功率下降0.5kW，约0.6%。

新进气管路方案对发动机性能影响预测

由于匹配车型变更，根据整车布置方案，该发动机进气管路重新设计，新进气管路方案如图4所示。

图 4 新进气管路方案

热力学仿真软件为一维软件，对管路结构通过长度、直径及弯曲半径来定义，为获取这些结构参数，在GEM 3D软件中将新进气管路方案三维数模转化成近似管路模型，并获取其管路结构参数，见表2和表3。

表 2 空滤前管路参数表

表 3 空滤后管路参数表

将获得的新进气管路结构参数代入到标定的热力学模型中，预测新进气管路方案对性能的影响。

对新管路方案热力学性能进行仿真预测时，保持相同的进排气计算边界及相同空燃比，两种进气管路方案对应的热力学结果如图5所示。

图 5 两种状态进气管路对应的热力学结果

热力学结果对比显示：新管路方案状态下，由于进气量的变化导致最大净转矩和额定净功率均有所下降。

最大净转矩下降3.76N·m，约2.5%；额定净功率下降1.8kW，约2.2%。

结论

1）本文基于AVL-BOOST软件搭建了发动机热力学模型并根据台架测试数据进行模型标定，模型精度满足要求，可适用于后续热力学预测。

2）新空滤器方案状态下，由于进气量的变化导致最大净转矩和额定净功率均有所下降，最大净转矩下降2.5N·m，约1.7%；额定净功率下降0.5kW，约0.6%。

3）新管路方案状态下，由于进气量的变化导致最大净转矩和额定净功率均有所下降，最大净转矩下降3.76N·m，约2.5%；额定净功率下降1.8kW，约2.2%。

4）基于仿真手段，在发动机台架测试之前对进气系统方案变更后的发动机性能变化趋势进行预测，为设计方案选型提供建议和指导。