可变进排气歧管技术.docx
《可变进排气歧管技术.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《可变进排气歧管技术.docx（14页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
可变进排气歧管技术
可变进排气歧管技术（VariableIntakeManifold,VIM）MBQ汽车设计网
90年代中期以后，可变进气歧管技术在汽上越来越流行。
这种技术能提高发动机在中低转速时的扭力输出，对燃油经济性和高转速动力没有坏的影响，因而能改善发动机的适应性。
gsR汽车设计网
通常的固定式进气歧管，只能按照发动机的具体要求，或者按照高转速和低转速时的要求进行最优化的几何设计，或者采用折中的办法，但是无论那种设计，都不能兼顾到不同转速时的需求。
可变进气歧管技术则可以分两段或更多的级数来适应不同的发动机转速。
gsR汽车设计网
可变进气歧管技术与可变配气技术有些类似，但是可变进气歧管技术更注重的提高低转速时的扭力输出（对高转速时功率的输出提高效果不是很明显），因此这种技术被非常广泛的应用于普通的民用轿车上。
不过这也不是绝对的，由于它能提供更好的引擎响应性，所以在运动型车上也逐渐开始采用这种技术，例如法拉力的360和575。
gsR汽车设计网
与可变配气技术相比，可变进气歧管技术成本更低——它只需要一些简单的电磁阀和进气管形状的设计就能够实现；而可变配气技术则需要复杂而精确的液压系统进行驱动，如果改变气门行程，还需要一些特制的凸轮轴。
gsR汽车设计网
目前，有两种可变进气歧管技术：
可变进气歧管长度和可变进气共振，他们都是通过进气歧管的几何设计实现的。
下面我们就分别讨论一下这两种技术。
gsR汽车设计网
可变进气歧管长度gsR汽车设计网
可变进气歧管长度是一种广泛应用于普通民用车的技术，进气歧管长度大部分被设计成分两段可调——长的进气歧管在低转速时使用，短的进气歧管在高转速时使用。
gsR汽车设计网
为何在高转速时要设计为短进气歧管？
因为它能使得进气更顺畅，这一点应该很容易理解；但是为什么在低转速时需要长进气歧管呢，它不会增加进气阻力吗？
因为发动机低转速时发动机进气的频率也是低的，长的进气歧管能聚集更多的空气，因而非常适合与低转速时发动机的进气需求相匹配，从而可以改善扭矩的输出。
另外，长进气歧管还能降低空气流速，能让空气和燃料更好的混合，燃烧更充分，也可以产生更大的扭矩输出。
车为了更好的适应不同转速的进气需求，有一些系统采用了分三段可变进气歧管长度的设计，例如的V8发动机。
每列气缸都有分三段可调的进气歧管，一共有24个进气歧管。
事实上，奥迪并没有把进气歧管分开，它在中央转子周围布置了回旋的进气歧管，转子转到不同的位置就能获得不同的进气歧管长度。
整个系统布置在V型发动机的V型夹角内侧。
gsR汽车设计网
可变进气共振gsR汽车设计网
Boxer发动机和V-type发动机（非直列发动机）采用的是通过进气共振来提高发动机中高转速的动力。
每个气缸都共享着同一个谐振室，他们两个互相连接，其中一个进气管能在ECU的控制下，通过阀门打开和关闭。
这个阀门开关频率与各个气缸之间的进气频率（进气频率实际上又取决于发动机的转速）相关。
这样，在气缸与气缸之间就形成了一种压力波。
如果进气频率与压力波转速相对称，根据共振的原理，空气就会因为强烈的共振而被强力地推进气缸，从而改善了进气效率。
具体改变频率的原理是这样的：
压力波的频率通过相互交错的进气管控制，在低转速时关闭其中一组，这样压力波的频率减小，与相对较低的进气频率刚好吻合，从而可以提高中低转速的扭力输出；相反，在高转速时，阀门打开，这样压力波的频率增大，与较高的进气频率吻合，从而可以改善高转速时的进气效率。
gsR汽车设计网
可变排气回压管gsR汽车设计网
许多新款高性能车上，还采用了可变排气回压技术。
类似于可变进气歧管技术，可变排气回压技术只不过是针对排气设计的。
普通运动车型上的排气管从单个气缸收集到排气以后汇集到排气总管，形成一个新的排气脉冲。
这种排气脉冲被利用在对于进气的增压上，这种增压被称作反向增压。
gsR汽车设计网
反向增压只会在发动机处于某一转速的时候，才有最好的工作状态，排气管的长度决定了它的适用转速范围。
短的排气管适合在低转速时增压，长的则反之。
对于排气管的长度是固定的发动机，只能将其设计成最适合一个相对折中的转速。
可变排气管长度技术使用了两段不同长度的排气管，它们通过阀门的开闭互相切换工作，因此它能同时满足高转速和低转速时的功率输出。
此外，它还能降低噪音，要知道，排气噪音与转速也有关。
可变进气歧管设计探讨
现代轿车采用电控燃油喷射系统后，为了进一步改善汽油机的性能，对进气系统的结构进行了诸多改进。
广泛应用的可变进气系统，就是最重要、最突出的改进之一。
为了充分利用轿车汽油机进气歧管的谐波效应和尽量缩小轿车汽油机在高、低速运转及大、中、小各种负荷运转时进气速度的差别，现代轿车汽油机采用了可变进气系统。
它由可变进气歧管（VIM）和可变气门正时（VVT）等结构组成。
采用可变进气歧管技术后，现代轿车汽油机可以实现：
每一气缸使用第一和第二两个进气歧管，即两个进气气流通道。
通过改变第二进气歧管上控制阀开度，可使轿车汽油机总的进气歧管长度和截面面积发生变化，从而改善轿车汽油机在中、低速和中、小负荷的动力性、燃油经济性及排放净化性。
正常行驶的轿车要求搭载的汽油机在高转速、大负荷时，进气已具有较高的流速，相应的进气阻力有增大的倾向。
为了减少进气流动阻力，需要用短而粗的进气歧管；在中、低转速和中小负荷时进气气流速度较小，进气压力较小，配用进气截面较小（细）、歧管长度较长的进气歧管。
设计原则及设计要点
设计原则要求各缸进气量要多而且要均匀。
为了实现轿车多缸汽油机进气均匀分配，总的设计要点是：
1.力求对所有气缸具有相同气流通道（包括管长、截面尺寸、对称性都要求一致）；
2.力求具有很高的紊流强度；
3.力求具有合适的（进气予热）加热区域；
4.力求具有光滑的内表面（这对减小油膜厚度有利）；例如复合塑料进气歧管的内表面。
5.力求选用合适的气流速度；
6.可变进气歧管安装位置、外形尺寸要符合要求。
典型结构及简要分析
1.可变长度进气歧管结构
图1 可变长度进气歧管
图1为一种能根据轿车汽油机转速和负荷的变化而自动改变有效长度的进气歧管。
当汽油机低速运转时，汽油机电子控制模块指令转换阀控制机构关闭转换阀。
这时，空气须经空气滤清器和节气门沿着弯曲而又细长的进气歧管流进气缸。
细长的进气歧管提高了进气速度，增强了气流的惯性，使进气充量增多；当汽油机高速运转时，汽油机电子控制模块指令转换阀控制机构，打开转换阀，空气经空气滤清器和节气门及转换阀直接进入粗短的进气歧管。
粗短的进气歧管，进气阻力减小，也使进气充量增多。
可变长度进气歧管不仅可以提高汽油机在中、低速和中、小负荷时的动力性，即提高有效输出扭矩Mem；还由于它提高了汽油机在中、低速运转时的进气速度W，而增强了气缸内的气流强度，从而改善了燃烧过程，使汽油机中、低速的最低燃油消耗率ge下降，燃油经济性有所提高。
此外，可变长度进气歧管还有减少汽油机废气排放量的作用。
因为汽油机燃烧过程改善后，不仅油耗降低，经济性改善，汽油机的有害排气污染物的排放量也能适当减少，即轿车汽油机的排放净化性能也可适当改善。
2.双通道可变进气歧管
图2 双通道可变进气歧管
双通道可变进气歧管的结构见图2。
每个进气歧管都有两个进气通道，一长一短。
根据汽油机的工作转速高低、负荷大小，由旋转阀2控制空气经过哪一个通道流进气缸。
在长进气道中安装有喷油器。
当汽油机在中、低速运转时，旋转阀2受到由汽油机电子控制模块发出的指令，在旋转阀控制机构（执行器）作用下，将短进气通道1封闭，新鲜空气充量经空气滤清器、节气门沿长进气通道3经过缸盖上的进气道5和进气门6进入气缸；当汽油机在高速运转时，汽油机电子控制模块发出指令，旋转阀控制机构（执行器）作用将短进气道1打开，使长进气道通道短路，将长进气通道改变为辅助进气通道。
这时，新鲜空气充量同时经过两个进气通道进入气缸。
与可变长度进气歧管的功用相同，双通道可变进气歧管可提高汽油机在中、低速和中、小负荷的有效输出扭矩——改善动力性；降低汽油机在中、低速和中、小负荷的最低燃油消耗率——改善经济性；适当减少汽油机有害排气污染物的排放量——改善排气净化性。
3.主、副通道式可变进气歧管
图3 主、副通道式可变进气歧管的流量控制及其在各种转速下的充气系数
如图3所示，它是双通道可变进气歧管的一个变型和特例。
其结构、工作过程、作用机理及功用均与双通道可变进气歧管相似。
在由低速向高速过渡的状态下，控制阀部分微开度。
每一气缸使用主进气通道（长）和副进气通道（短）。
副进气通道中安装有控制阀（圆盘阀），主进气通道中安装有喷油器。
在主副通道式可变进气歧管中，控制阀的位置由发动机控制单元（ECU）根据轿车汽油机的曲轴转速高或低进行控制。
当汽油机低速运转时，控制阀4保持关闭，迫使所有的新鲜进气充量都经主通道1高速地流入气缸；当汽油机高速运转时，控制阀4保持全开，以减少进气的流动阻力。
此时，所有新鲜进气充量同时经主、副两个通道进入气缸。
为了防止汽油机低转速和高转速两种运转方式变更时，控制阀由全关变成全开，控制阀位置突变，引起进气气流速度突变和进气流量的突变，导致汽油机有效输出扭矩的突变，人们增设了控制阀4部分微开度的控制。
当汽油机中速运转时，控制阀微微地开启（部分开度），这时，进气流量的大部分即主要进气量仍经主通道流入气缸；进气流量的小部分即辅助进气量会经副通道流入气缸。
进气流量的主要部分和辅助部分的比例取决于控制阀微微开启的比例。
驱动控制阀开关动作起两种方式的作用：
通过电磁阀控制的真空膜片和通过伺服电机。
伺服电机起驱动作用控制圆盘阀（驱动控制阀），控制更精确。
此类进气歧管可增大汽油机中、低速运转时的有效输出扭矩，改善动力性；降低汽油机中、低速运转时的最低燃油消耗率，改善经济性。
汽油机有害排气污染物排放量有所减少，即排放净化性有所提高。
4.可变长度进气歧管
图4 可变长度进气歧管新方案的示意图
可变长度进气歧管新方案的结构见图4。
汽油机低速运转时，新鲜空气经细长进气歧管1流入缸盖上的进气道5。
此时，控制阀2关闭，成为细长进气歧管1的部分内壁表面，进气路径最长。
可变进气歧管的进气路径、控制阀2的关闭位置如图4中实线所示；汽油机高速运转时，控制阀2打开，新鲜空气充量可沿着短粗进气歧管3进入气缸盖上的进气道5。
可变进气歧管长度变短了。
进气路径最短。
可变进气歧管的进气路径和控制阀开启位置如图4中虚线所示。
此时细长进气歧管1已被短路，新鲜空气充量主要部分都由短粗进气歧管3流入。
经细长进气歧管1仅流入一少部分新鲜空气充量。
这时，两个进气歧管进入联合工作状态。
由于可变长度进气歧管新方案的结构、工作原理与可变长度进气歧管完全相同，只是短粗进气歧管与细长进气歧管的结构布置作了更新，略有差异，控制阀2相对于转换阀3的结构位置作了改进和调整。
因此，可变长度进气歧管新方案和可变长度进气歧管的功用完全相同，不再赘述。
5.无级可变长度进气歧管
图5 无级可变长度进气歧管的结构
可变长度进气歧管（见图5）最理想的方案是一种无级可变进气歧管。
基本原理仍然是汽油机配置的进气歧管的长度和截面面积能够随着汽油机转速变化而无级、连续地改变。
图6 雷克萨斯轿车无级可变长度进气歧管工作过程
无级可变长度进气歧管的工作过程见图6，低转速运转时，节气门体可变进气管长度阀（控制阀）关闭，进气歧管可变进气管长度阀（控制阀）也关闭。
此时，长进气歧管工作，成为新鲜进气充量的主要通道。
两阀全关，其特征是长进气歧管工作。
中等转速运转时，节气门体可变进气管长度阀（控制阀）打开，而进气歧管可变进气管长度阀（控制阀）关闭，此时，中等长度进气歧管工作，成为新鲜进气充量的主要通道。
其特征是：
两阀一开一关，中等长度进气歧管工作。
高转速运转时，节气门体可变进气管长度阀（控制阀）打开。
而进气歧管可变进气管长度阀也打开。
此时，短进气歧管工作，成为新鲜进气充量的主要通道。
其特征是：
两阀全开，短进气歧管工作。
结语
综上所述，现代轿车汽油机可变进气歧管技术是广为采用的可变进气系统技术的一部分。
它使每一气缸具有细长和短粗两个进气气流通道，利用位于短粗进气通道上控制阀的开度变化，使其总的进气歧管长度和截面面积随着汽油机使用工况（转速和负荷）的变化而改变，达到改善中、低速和中、小负荷时的动力性、燃油经济性及排放净化性的设计目的。
无级可变长度进气歧管是可变长度进气歧管的最理想的设计方案，它使进气歧管的长度和截面面积随汽油机转速的变化而无级地连续变化，因此，在所有转速（低、中、高速）下均可提高汽油机的有效输出扭矩，达到动力性较好的设计目的。
发动机进气控制新技术
汽车问世120多年来，汽车发动机技术出现了长足的进步，但是，汽车发动机技术真正意义上的提高却是在近二十年，而这些技术的进步却是得益于电子计算机技术的发展。
一直以来，发动机最大输出功率和转矩受到进气量的限制，难以有效提高，多气门技术的投入使用使这一长期困扰发动机设计师的问题在一定程度上得到解决，而近几年通过各国汽车工程师的努力，使进气控制技术更上一层楼，这就是可变气门正时和可变进气系统。
本文从发动机进气控制方面简单谈一谈发动机新的技术发展。
可变进气系统缸内进气气流图
1、可变气门正时：
亦称可变配气相位。
在发动机运转过程中，有部分工况将会出现一些难以解决的矛盾，比如：
如何保证低转速时的扭矩输出、高转速时的功率输出以及在这些工况下的燃油耗量等问题；如果只采用节气门控制的燃油供给方式是难以圆满解决的！
现在可以通过可变气门正时和升程、可变进气管道和可变压缩比这些方式来有效地解决。
比较典型的是丰田汽车公司的可变配气正时控制机构（VVT－i）、本田汽车公司的可变气门正时升程电子控制系统（VTEC）及萨博汽车公司（SAAB）的可变压缩比技术。
◆丰田可变配气正时控制机构（VVT－i）：
它能够在维持发动机怠速性能的情况下，有效改善全负荷性能。
它可以保持进气门开启的持续角度不变，改变进气门开闭时刻来增加充气量。
它由VVT-i控制器、凸轮轴正时机油控制阀和传感器三部分组成，其中传感器有曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器和VVT传感器。
丰田VVT-i16气门4缸发动机
在工作过程中，排气凸轮轴由凸轮轴齿形皮带轮驱动，其相对于齿形皮带轮的转角不变。
曲轴位置传感器测量曲轴转角，向发动机电子控制单元提供发动机转速信号；凸轮轴位置传感器测量齿形带轮转角；VVT传感器测量进气凸轮轴相对于齿形带轮的转角。
它们的信号输入发动机电子控制单元（ECU），ECU根据转速和负荷的要求控制进气凸轮轴正时控制阀，控制器根据指令使进气凸轮轴相对于齿形带旋转一个角度，达到进气门延迟开闭的目的，用以增大高速时的进气迟后角，从而提高气缸的充气效率。
◆本田可变气门正时升程电子控制系统（VTEC）：
VTEC系统由发动机电子控制单元（ECU）控制，ECU接收发动机传感器（包括转速、进气压力、车速、水温）的数据、参数并进行处理，输出相应的控制信号，通过电磁阀调节摇臂活塞液压系统，从而使发动机在不同的转速工况下由不同的凸轮控制，影响进气门的开度和时间。
一般情况下，汽车发动机每缸气门组只由一组凸轮驱动，而VTEC系统的发动机却有中低速用和高速用两组不同的气门驱动凸轮，并可通过电子控制系统的智能控制，进行自动转换。
它保证了发动机中低速与高速不同的配气相位及进气量的要求，使发动机不论在任何转速情况下运转均能达到动力性、经济性与低排放的统一和极佳状态。
◆萨博（SAAB）可变压缩比技术：
一般情况下，发动机气缸的压缩比是不可变动的，原因是燃烧室容积及气缸工作容积都是固定的参数，在设计中已经确定。
不过，为了使得现代发动机能在各种不断变化的工况中发挥更高的效率，来改善发动机的运行性能；气门可变驱动技术已经实现，压缩比这一重要参数虽然过去也曾经有人尝试过，试图由固定不变改为随机应变，但由于改变气缸压缩比必然会涉及到整个发动机结构的改变，难度非常大，因此，这一技术革新进展得非常缓慢。
绅宝（SAAB）开发的SVC发动机以改变气缸压缩比的方式来达到控制发动机的燃油消耗量的目的。
它的核心就是在缸体与缸盖之间安装楔型滑块，缸体可以沿滑块的斜面运动，使得燃烧室与活塞顶面的相对位置发生变化，改变燃烧室的容积，从而改变气缸压缩比。
其压缩比可从8:
1至14:
1之间范围变化。
在发动机小负荷时采用高压缩比以实现节约燃油；在发动机大负荷时采用低压缩比，并辅以机械增压器以实现大功率和高转矩输出。
SVC发动机采用5缸1.6排量，气缸缸径68mm，冲程88mm，最大功率166kw，最大扭矩305Nm，综合工况油耗比常规发动机降低30%，并能够满足苛刻的欧洲Ⅳ排放标准。
2、可变进气系统：
若要提高发动机动力性能只有提高充气效率，提高充气效率的途径除了采用增压之外，可以采用适当的配气相位并能随发动机转速不同而变化，也可以利用进气的惯性及谐振效应；这些都是提高充气效率的最佳方式。
进气惯性及谐振效应是随着发动机转速、进气管长度及管径大小的变化而变化。
在不同转速下，进气管长度应有所不同，才能获得良好的进气惯性效应。
因此，只有结合可变配气相位控制，可变进气系统才能适应不同工况的要求，比较全面的提高发动机性能。
可变进气系统分为两类：
多气门分别投入工作和可变进气道系统；目的都是为了改变进气涡流强度、提高充气效率；或是为了形成谐振及进气脉冲惯性效应，以适应低速及中高速工况都能提高性能的需要。
◆多气门分别投入工作：
多气门分别投入工作的方式有以下两种：
一是通过凸轮或摇臂控制气门按时开或关；二是在气道中设置旋转阀门，按需要打开或关闭该气门的进气通道；后者比采用凸轮、摇臂控制简单。
◆可变进气道系统：
可变进气道系统是根据发动机不同工况，采用不同长度及容积的进气管向气缸内充气，以便能形成惯性充气效应及谐振脉冲波效应，从而提高充气效率及发动机动力性能。
它有三种工作形式：
双脉冲进气系统、四气门二段进气系统和三段进气系统。
（1）双脉冲进气系统：
双脉冲进气系统由空气室及两根脉冲进气管组成，空气室的入口处设置节气门，与两根直径较大的进气管相连接，作用是在于防止两组（每三缸一组）进气管中谐振空气柱的相互干扰。
每根脉冲管子成为形成谐振空气波的通道，分别连接两组气缸。
将六缸机的进气道分成前后两组，这就相当于两个三缸机的进气管，每个气缸有240°的进气冲程，各气缸之间不会产生进气脉冲波的相互干扰。
该系统能够使每个气缸都会产生空气谐振波的动力效应，而直径较大的空气室、中间产生谐振空气波的通道与歧管一起，形成脉冲波谐振循环系统。
它的工作分为两段：
即低速段（转速<4400r/min）和高速段（转速>4400r/min）。
（2）四气门二段进气系统：
二段即低中速段（转速<3800r/min）和高速段（转速>3800r/min）；该进气系统由弯曲的长进气管和短的直进气管与空气室相连接，分别连接到缸盖的两个进气门上。
在发动机低、中速工况，动力阀关闭短进气管的通道，空气通过长的弯曲气道向气缸供气，使气流速度增加，并且形成较强的涡流，促进良好混合气的形成。
而在高速工况，动力阀打开，额外的空气从空气室经过短进气管进入气缸，改善了容积效率，并且由另一气门进入气缸的这股气流，将低、中速工况形成的涡流改变成滚流运动，更能满足高速高负荷时改善燃烧的需要。
可提高气缸充气率，实现提高发动机动力性能的目的。
另外，进气管的长度能够在进气门即将关闭时，形成较强的反射压力波峰，增加进入气缸的空气量。
这都有助于提高发动机低速时的转矩。
（3）三段进气系统：
三段即低速段（转速<4000r/min）、中速段（转速>4000r/min）和高速段（转速>5000r/min）；与两段进气系统不同，它由末端连在一起的两根空气室管组成，并布置在V形夹角之间。
每根空气室通过三根单独的脉冲管连接到左侧或者右侧的气缸上。
每一侧气缸形成独立的三缸机，各缸的进气冲程相位为均匀隔开的240°。
两根空气室的入口处有各自的节流阀，在两根空气室中部有用阀门控制的连接通道，在空气室末端U形连接管处布置有两个蝶形阀门，在发动机低速工况，两空气室管之间的阀及高速工况用阀关闭。
每根空气室管及与其相连接的三根脉冲进气管形成完整的谐振系统，将在一定转速工况下（转速＝3500r/min），将惯性及波动效应综合在一起，从而使充气效率及转矩达到峰值。
当发动机转速高于3500r/min时，谐振压力波的波幅值变小，因此可变系统的效果也变差，相应地每个气缸的充气效率也会变小。
当发动机转速处于4000～5000r/min之间，即中速工况时，连接两根空气室的阀门打开，因此部分损坏了低速工况谐振压力波频率，然而却在转速为4500r/min的工况下，形成新的谐振压力波峰，从而使更多的空气或混合气进入气缸。
当发动机转速进一步提高，如达到5000r/min以上时，短进气道中蝶阀打开，在两个空气室之间的短的及直接通道的空气流动，影响了第二阶段的惯性及脉冲效应。
然而在高速范围（5000～6000r/min）内，通过各缸进气管的脉冲及谐振作用，建立了新的脉冲压力波及效果。
于是三阶段的可变进气系统在三段转速范围内都能形成一个高的转矩峰值，从而提高了整个转速范围内的转矩，使转矩特性更平坦，数值更高。
气缸燃烧所必需的空气通过进气歧管进入气缸。
较长的进气歧管能使发动机在低转速时获得较大转矩，但在高转速时却会出现较低的最大输出功率这一矛盾；而较短的进气歧管可以使发动机在低转速时获得较小的转矩，但在高转速时却会出现较高的最大输出功率的矛盾。
这些矛盾可以通过双级可变进气歧管来解决，可以保证在相应的转速范围内始终具有一定的有效长度，保证低转速时具有较大转矩的同时，在高转速时也具有较高的最大输出功率，保证发动机在高速行驶时具有较好的加速性。
可变进气歧管长度控制技术能兼顾高速及低速的不同工况，改善发动机怠速及低速时的性能及稳定性；提高发动机的动力性和经济性；降低发动机的排放。
升级会员 