可變進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)探討

1、可變進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)探討作者：孫宗強(qiáng)來(lái)源：AI汽車(chē)制造業(yè)為了充分利用轎車(chē)汽油機(jī)進(jìn)氣歧管的諧波效應(yīng)和盡量縮小轎車(chē)汽油機(jī)在高、低速運(yùn)轉(zhuǎn)及大、中、小各種負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)氣速度的差別，現(xiàn)代轎車(chē)汽油機(jī)采用了可變進(jìn)氣系統(tǒng)。它由可變進(jìn)氣歧管（VIM）和可變氣門(mén)正時(shí)（VVT）等結(jié)構(gòu)組成。采用可變進(jìn)氣歧管技術(shù)后，現(xiàn)代轎車(chē)汽油機(jī)可以實(shí)現(xiàn)：每一氣缸使用第一和第二兩個(gè)進(jìn)氣歧管，即兩個(gè)進(jìn)氣氣流通道。通過(guò)改變第二進(jìn)氣歧管上控制閥開(kāi)度，可使轎車(chē)汽油機(jī)總的進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度和截面面積發(fā)生變化，從而改善轎車(chē)汽油機(jī)在中、低速和中、小負(fù)荷的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性及排放凈化性。正常行駛的轎車(chē)要求搭載的汽油機(jī)在高轉(zhuǎn)速、大負(fù)荷時(shí)，進(jìn)氣已具有較高的流速，相

2、應(yīng)的進(jìn)氣阻力有增大的傾向。為了減少進(jìn)氣流動(dòng)阻力，需要用短而粗的進(jìn)氣歧管；在中、低轉(zhuǎn)速和中小負(fù)荷時(shí)進(jìn)氣氣流速度較小，進(jìn)氣壓力較小，配用進(jìn)氣截面較小（細(xì)）、歧管長(zhǎng)度較長(zhǎng)的進(jìn)氣歧管。設(shè)計(jì)原則及設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)原則要求各缸進(jìn)氣量要多而且要均勻。為了實(shí)現(xiàn)轎車(chē)多缸汽油機(jī)進(jìn)氣均勻分配，總的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是：1 .力求對(duì)所有氣缸具有相同氣流通道（包括管長(zhǎng)、截面尺寸、對(duì)稱(chēng)性都要求一致）；2 .力求具有很高的紊流強(qiáng)度；3 .力求具有合適的（進(jìn)氣予熱）加熱區(qū)域；4 .力求具有光滑的內(nèi)表面（這對(duì)減小油膜厚度有利）；例如復(fù)合塑料進(jìn)氣歧管的內(nèi)表面。5 .力求選用合適的氣流速度；6 .可變進(jìn)氣歧管安裝位置、外形尺寸要符合要求。典型結(jié)

3、構(gòu)及簡(jiǎn)要分析1 .可變長(zhǎng)度進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)1空氣味2IV.«!,，.桁科電fd說(shuō)Iera，圖1可變長(zhǎng)度進(jìn)氣歧管圖1為一種能根據(jù)轎車(chē)汽油機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的變化而自動(dòng)改變有效長(zhǎng)度的進(jìn)氣歧管。當(dāng)汽油機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，汽油機(jī)電子控制模塊指令轉(zhuǎn)換閥控制機(jī)構(gòu)關(guān)閉轉(zhuǎn)換閥。這時(shí)，空氣須經(jīng)空氣濾清器和節(jié)氣門(mén)沿著彎曲而又細(xì)長(zhǎng)的進(jìn)氣歧管流進(jìn)氣缸。細(xì)長(zhǎng)的進(jìn)氣歧管提高了進(jìn)氣速度，增強(qiáng)了氣流的慣性，使進(jìn)氣充量增多；當(dāng)汽油機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，汽油機(jī)電子控制模塊指令轉(zhuǎn)換閥控制機(jī)構(gòu)，打開(kāi)轉(zhuǎn)換閥，空氣經(jīng)空氣濾清器和節(jié)氣門(mén)及轉(zhuǎn)換閥直接進(jìn)入粗短的進(jìn)氣歧管。粗短的進(jìn)氣歧管，進(jìn)氣阻力減小，也使進(jìn)氣充量增多?？勺冮L(zhǎng)度進(jìn)氣歧管不僅可以提高汽油機(jī)在中

4、、低速和中、小負(fù)荷時(shí)的動(dòng)力性，即提高有效輸出扭矩Mem還由于它提高了汽油機(jī)在中、低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的進(jìn)氣速度W而增強(qiáng)了氣缸內(nèi)的氣流強(qiáng)度，從而改善了燃燒過(guò)程，使汽油機(jī)中、低速的最低燃油消耗率ge下降，燃油經(jīng)濟(jì)性有所提高。此外，可變長(zhǎng)度進(jìn)氣歧管還有減少汽油機(jī)廢氣排放量的作用。因?yàn)槠蜋C(jī)燃燒過(guò)程改善后，不僅油耗降低，經(jīng)濟(jì)性改善，汽油機(jī)的有害排氣污染物的排放量也能適當(dāng)減少，即轎車(chē)汽油機(jī)的排放凈化性能也可適當(dāng)改善。2 .雙通道可變進(jìn)氣歧管Q中，低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)1打避氣通道2檢北附3二逃通道4噴油85kt鬣上的進(jìn)氣道6進(jìn)氣門(mén)圖2雙通道可變進(jìn)氣歧管雙通道可變進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。每個(gè)進(jìn)氣歧管都有兩個(gè)進(jìn)氣通道，一長(zhǎng)一短。

5、根據(jù)汽油機(jī)的工作轉(zhuǎn)速高低、負(fù)荷大小，由旋轉(zhuǎn)閥2控制空氣經(jīng)過(guò)哪一個(gè)通道流進(jìn)氣缸。在長(zhǎng)進(jìn)氣道中安裝有噴油器。當(dāng)汽油機(jī)在中、低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)閥2受到由汽油機(jī)電子控制模塊發(fā)出的指令，在旋轉(zhuǎn)閥控制機(jī)構(gòu)（執(zhí)行器）作用下，將短進(jìn)氣通道1封閉，新鮮空氣充量經(jīng)空氣濾清器、節(jié)氣門(mén)沿長(zhǎng)進(jìn)氣通道3經(jīng)過(guò)缸蓋上的進(jìn)氣道5和進(jìn)氣門(mén)6進(jìn)入氣缸；當(dāng)汽油機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，汽油機(jī)電子控制模塊發(fā)出指令，旋轉(zhuǎn)閥控制機(jī)構(gòu)（執(zhí)行器）作用將短進(jìn)氣道1打開(kāi)，使長(zhǎng)進(jìn)氣道通道短路，將長(zhǎng)進(jìn)氣通道改變?yōu)檩o助進(jìn)氣通道。這時(shí)，新鮮空氣充量同時(shí)經(jīng)過(guò)兩個(gè)進(jìn)氣通道進(jìn)入氣缸。與可變長(zhǎng)度進(jìn)氣歧管的功用相同，雙通道可變進(jìn)氣歧管可提高汽油機(jī)在中、低速和中、小負(fù)荷的有效輸

6、出扭矩一一改善動(dòng)力性；降低汽油機(jī)在中、低速和中、小負(fù)荷的最低燃油消耗率改善經(jīng)濟(jì)性；適當(dāng)減少汽油機(jī)有害排氣污染物的排放量一一改善排氣凈化性。3 .主、副通道式可變進(jìn)氣歧管*I*,=-、-,'''gasHxin/:*kP/t_j*IrJ力璃丁:noimiHNJantKQ一二一"蕈4HH.53址時(shí)W矗力學(xué)腫疆域的把H，im23M«B4HMH圖3主、副通道式可變進(jìn)氣歧管的流量控制及其在各種轉(zhuǎn)速下的充氣系數(shù)如圖3所示，它是雙通道可變進(jìn)氣歧管的一個(gè)變型和特例。其結(jié)構(gòu)、工作過(guò)程、作用機(jī)理及功用均與雙通道可變進(jìn)氣歧管相似。在由低速向高速過(guò)渡的狀態(tài)下，控制閥部分微開(kāi)度

7、。每一氣缸使用主進(jìn)氣通道（長(zhǎng)）和副進(jìn)氣通道（短）。副進(jìn)氣通道中安裝有控制閥（圓盤(pán)閥），主進(jìn)氣通道中安裝有噴油器。在主副通道式可變進(jìn)氣歧管中，控制閥的位置由發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU根據(jù)轎車(chē)汽油機(jī)的曲軸轉(zhuǎn)速高或低進(jìn)行控制。當(dāng)汽油機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，控制閥4保持關(guān)閉，迫使所有的新鮮進(jìn)氣充量都經(jīng)主通道1高速地流入氣缸；當(dāng)汽油機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，控制閥4保持全開(kāi)，以減少進(jìn)氣的流動(dòng)阻力。此時(shí)，所有新鮮進(jìn)氣充量同時(shí)經(jīng)主、副兩個(gè)通道進(jìn)入氣缸。為了防止汽油機(jī)低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速兩種運(yùn)轉(zhuǎn)方式變更時(shí)，控制閥由全關(guān)變成全開(kāi)，控制閥位置突變，引起進(jìn)氣氣流速度突變和進(jìn)氣流量的突變，導(dǎo)致汽油機(jī)有效輸出扭矩的突變，人們?cè)鲈O(shè)了控制閥4部分微開(kāi)度的

8、控制。當(dāng)汽油機(jī)中速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，控制閥微微地開(kāi)啟（部分開(kāi)度），這時(shí)，進(jìn)氣流量的大部分即主要進(jìn)氣量仍經(jīng)主通道流入氣缸；進(jìn)氣流量的小部分即輔助進(jìn)氣量會(huì)經(jīng)副通道流入氣缸。進(jìn)氣流量的主要部分和輔助部分的比例取決于控制閥微微開(kāi)啟的比例。驅(qū)動(dòng)控制閥開(kāi)關(guān)動(dòng)作起兩種方式的作用：通過(guò)電磁閥控制的真空膜片和通過(guò)伺服電機(jī)。伺服電機(jī)起驅(qū)動(dòng)作用控制圓盤(pán)閥（驅(qū)動(dòng)控制閥），控制更精確。此類(lèi)進(jìn)氣歧管可增大汽油機(jī)中、低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的有效輸出扭矩，改善動(dòng)力性；降低汽油機(jī)中、低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的最低燃油消耗率，改善經(jīng)濟(jì)性。汽油機(jī)有害排氣污染物排放量有所減少，即排放凈化性有所提高。4 .可變長(zhǎng)度進(jìn)氣歧管圖4可變長(zhǎng)度進(jìn)氣歧管新方案的示意圖可變長(zhǎng)度進(jìn)氣歧

9、管新方案的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。汽油機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，新鮮空氣經(jīng)細(xì)長(zhǎng)進(jìn)氣歧管1流入缸蓋上的進(jìn)氣道5。此時(shí)，控制閥2關(guān)閉,成為細(xì)長(zhǎng)進(jìn)氣歧管1的部分內(nèi)壁表面，進(jìn)氣路徑最長(zhǎng)?？勺冞M(jìn)氣歧管的進(jìn)氣路徑、控制閥2的關(guān)閉位置如圖4中實(shí)線所示；汽油機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，控制閥2打開(kāi)，新鮮空氣充量可沿著短粗進(jìn)氣歧管3進(jìn)入氣缸蓋上的進(jìn)氣道5?？勺冞M(jìn)氣歧管長(zhǎng)度變短了。進(jìn)氣路徑最短?？勺冞M(jìn)氣歧管的進(jìn)氣路徑和控制閥開(kāi)啟位置如圖4中虛線所示。此時(shí)細(xì)長(zhǎng)進(jìn)氣歧管1已被短路，新鮮空氣充量主要部分都由短粗進(jìn)氣歧管3流入。經(jīng)細(xì)長(zhǎng)進(jìn)氣歧管1僅流入一少部分新鮮空氣充量。這時(shí)，兩個(gè)進(jìn)氣歧管進(jìn)入聯(lián)合工作狀態(tài)。由于可變長(zhǎng)度進(jìn)氣歧管新方案的結(jié)構(gòu)、工作原理與可變長(zhǎng)度

10、進(jìn)氣歧管完全相同，只是短粗進(jìn)氣歧管與細(xì)長(zhǎng)進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)布置作了更新，略有差異，控制閥2相對(duì)于轉(zhuǎn)換閥3的結(jié)構(gòu)位置作了改進(jìn)和調(diào)整。因此，可變長(zhǎng)度進(jìn)氣歧管新方案和可變長(zhǎng)度進(jìn)氣歧管的功用完全相同，不再贅述。5 .無(wú)級(jí)可變長(zhǎng)度進(jìn)氣歧管圖5無(wú)級(jí)可變長(zhǎng)度進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)可變長(zhǎng)度進(jìn)氣歧管（見(jiàn)圖5）最理想的方案是一種無(wú)級(jí)可變進(jìn)氣歧管?；驹砣匀皇瞧蜋C(jī)配置的進(jìn)氣歧管的長(zhǎng)度和截面面積能夠隨著汽油機(jī)轉(zhuǎn)速變化而無(wú)級(jí)、連續(xù)地改變。圖6雷克薩斯轎車(chē)無(wú)級(jí)可變長(zhǎng)度進(jìn)氣歧管工作過(guò)程無(wú)級(jí)可變長(zhǎng)度進(jìn)氣歧管的工作過(guò)程見(jiàn)圖6,低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，節(jié)氣門(mén)體可變進(jìn)氣管長(zhǎng)度閥（控制閥）關(guān)閉，進(jìn)氣歧管可變進(jìn)氣管長(zhǎng)度閥（控制閥）也關(guān)閉。此時(shí)，長(zhǎng)進(jìn)氣歧

11、管工作，成為新鮮進(jìn)氣充量的主要通道。兩閥全關(guān)，其特征是長(zhǎng)進(jìn)氣歧管工作。中等轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，節(jié)氣門(mén)體可變進(jìn)氣管長(zhǎng)度閥（控制閥）打開(kāi)，而進(jìn)氣歧管可變進(jìn)氣管長(zhǎng)度閥（控制閥）關(guān)閉，此時(shí)，中等長(zhǎng)度進(jìn)氣歧管工作，成為新鮮進(jìn)氣充量的主要通道。其特征是：兩閥一開(kāi)一關(guān)，中等長(zhǎng)度進(jìn)氣歧管工作。高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，節(jié)氣門(mén)體可變進(jìn)氣管長(zhǎng)度閥（控制閥）打開(kāi)。而進(jìn)氣歧管可變進(jìn)氣管長(zhǎng)度閥也打開(kāi)。此時(shí)，短進(jìn)氣歧管工作，成為新鮮進(jìn)氣充量的主要通道。其特征是：兩閥全開(kāi)，短進(jìn)氣歧管工作。結(jié)語(yǔ)綜上所述，現(xiàn)代轎車(chē)汽油機(jī)可變進(jìn)氣歧管技術(shù)是廣為采用的可變進(jìn)氣系統(tǒng)技術(shù)的一部分。它使每一氣缸具有細(xì)長(zhǎng)和短粗兩個(gè)進(jìn)氣氣流通道，利用位于短粗進(jìn)氣通道上控制閥的開(kāi)度變化，使其總的進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度和截