可變進(jìn)氣歧管在VR發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用

1、可變進(jìn)氣歧管在VR 發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用附錄：自發(fā)動(dòng)機(jī)采用多氣門(mén)技術(shù)后， 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及動(dòng)力性能有了進(jìn)一步的提高。如汽油機(jī)的標(biāo)高 50008000r/min。與此同時(shí)，高負(fù)荷下動(dòng)力性能好與中， 低轉(zhuǎn)速中小負(fù)荷下動(dòng)力性能及經(jīng)濟(jì)性能差的矛盾， 燃油經(jīng)濟(jì)性與排放性能之間的矛盾也更為突出。 為了解決這些矛盾， 可變化技術(shù)得到日益重視和發(fā)展。其中，提高充氣效率是提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的重要措施。除了采用增壓技術(shù)以外， 合理的選擇配起相位以及能隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不同而變化以利用進(jìn)氣的慣性及諧振的效應(yīng)，是提高充氣效率的重要途徑。對(duì)于可變進(jìn)氣系統(tǒng)可分兩類(lèi)： 1/多氣門(mén)分別投入工作； 2/可變進(jìn)氣道系統(tǒng)。在這里我們主要講一下可變

2、進(jìn)氣道系統(tǒng)。 采用可變進(jìn)氣道系統(tǒng)的目的是為了改變進(jìn)氣渦流強(qiáng)度， 提高充氣效率； 或者為了形成諧振及進(jìn)氣脈沖慣性效應(yīng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)中，低域的轉(zhuǎn)矩提高，以適應(yīng)低速及中高速工況，改善汽車(chē)的加速響應(yīng)性能。下面介紹幾個(gè)有關(guān)影響發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩的概念。輸出功率：發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由曲軸輸出的轉(zhuǎn)矩稱(chēng)有效轉(zhuǎn)矩T。發(fā)動(dòng)機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)速為 n （r/min ）時(shí)，則每秒鐘所作的功為2 nT (Nm/s)。轉(zhuǎn)矩與輸出的60有效功率之間有如下的關(guān)系 P= 2 nT=1.047104nT60 103由此 T= 9550Pn式中： P有效功率n發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速T 有效轉(zhuǎn)矩充氣效率：當(dāng)進(jìn)氣過(guò)程終了時(shí)， 汽缸內(nèi)氣體的壓力由于經(jīng)受進(jìn)氣管系統(tǒng)中各種

3、阻力的作用（如空氣濾清器、進(jìn)氣歧管、節(jié)氣門(mén)等阻力） ，低于進(jìn)氣管進(jìn)口處的壓力， 進(jìn)氣終了時(shí)汽缸內(nèi)氣體的溫度， 由于受進(jìn)氣系統(tǒng)與汽缸壁面的熱交換以及與汽缸內(nèi)殘余氣體的混合加熱， 要高于進(jìn)氣口處的溫度。所以進(jìn)入汽缸新氣（空氣或混合氣）的體積，如果換算到進(jìn)氣口處壓力溫度狀態(tài)的話(huà)，將小于汽缸的工作體積。若進(jìn)氣換算的體積越大， 發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效果就越好。 為了表示發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效果的好壞，經(jīng)常應(yīng)用充氣效率的概念。充 氣 效 率l的 定 義為 每 循 環(huán) 實(shí) 際 進(jìn) 入 汽 缸 的 充 氣 量 ma 與理論充滿(mǎn)汽缸充氣量 m之比th即： l= mamth對(duì)于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)氣狀態(tài)常采用增壓器或中冷器之后的進(jìn)氣管處

4、的狀態(tài)。對(duì)于非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，常采用大氣狀態(tài)的壓力和溫度。影響充氣效率的動(dòng)態(tài)因素：在活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)中， 管內(nèi)產(chǎn)生的壓力波動(dòng)直接影響到同一進(jìn)氣行程的現(xiàn)象稱(chēng)之為慣性效應(yīng)。 在進(jìn)氣管較長(zhǎng)與高轉(zhuǎn)速的情況下， 在一個(gè)進(jìn)氣過(guò)程中產(chǎn)生的壓力波動(dòng) , 若在進(jìn)氣結(jié)束后仍殘留在管內(nèi) , 并且影響到下一個(gè)循環(huán)的進(jìn)氣行程的現(xiàn)象 , 稱(chēng)為波動(dòng)效應(yīng)。進(jìn)氣管對(duì)進(jìn)氣的影響在于：在進(jìn)氣行程中，由于活塞向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的抽吸作用，進(jìn)氣門(mén)一旦開(kāi)啟，氣體就從進(jìn)氣管吸入氣缸內(nèi)。在進(jìn)氣管內(nèi)的進(jìn)氣門(mén)處就產(chǎn)生負(fù)壓，此負(fù)壓波（也稱(chēng)膨脹波）即在進(jìn)氣管內(nèi)向開(kāi)口出傳播。 在開(kāi)口端的邊界處， 膨脹波經(jīng)一定時(shí)間后反射回來(lái)的是正壓波（也稱(chēng)壓縮波） 。如果負(fù)壓波和負(fù)

5、壓波重合，則合成波在進(jìn)氣行程后半期為正壓， 若恰當(dāng)?shù)倪x擇進(jìn)氣管長(zhǎng)度， 使正壓恰在進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉前達(dá)到最大值，就可增大進(jìn)氣量。在進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)，進(jìn)氣管內(nèi)壓力傳播的頻率或周期如圖：1 所示圖 1：一端開(kāi)放的管子所產(chǎn)生的駐波及其沿管長(zhǎng)方向的振幅分布。實(shí)線：壓力波虛線：速度波圖 a 表示一階波動(dòng)管長(zhǎng)相當(dāng)于 1/4 波長(zhǎng)。b 表示二階段波動(dòng)管長(zhǎng)相當(dāng)于 3/4 波長(zhǎng)。因此，此壓力波的固有頻率 .這個(gè)壓力波震動(dòng)頻率f S 與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣頻率之比稱(chēng)為波動(dòng)次數(shù) Q圖 2表示 Q 變化時(shí)進(jìn)氣門(mén)前壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系當(dāng) Q=1, 2 時(shí)，正好是在下一個(gè)循環(huán)的氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)，靠近氣門(mén)前方形成負(fù)壓區(qū)，對(duì)進(jìn)氣不利。當(dāng) q=1.5 時(shí)

6、，正好是正壓力與氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)重合，因此可增大進(jìn)氣量。若進(jìn)氣管較長(zhǎng)壓力波傳播的時(shí)間t 比進(jìn)氣行程的時(shí)間 tS 長(zhǎng)時(shí)，（圖3a 所示）此壓力波就不能對(duì)進(jìn)氣行程施加直接影響。若進(jìn)氣管較短，如 t tS 時(shí)就產(chǎn)生吸入的負(fù)壓波和反射的正壓波合成迭加的情況，如圖（ 3b）所示。迭加以后的壓力波就變?yōu)樵谶M(jìn)氣行程的后半段中的正壓波。 由此可見(jiàn)當(dāng)進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)， 氣門(mén)處剛好正壓波傳來(lái)使新鮮氣體流入汽缸，進(jìn)氣量增多，充氣效率增大，這就是進(jìn)氣過(guò)程中的慣性效應(yīng)。產(chǎn)生慣性效應(yīng)最大的條件是進(jìn)氣壓力波的周期與進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟的持續(xù)時(shí)間相等。即： tS= 1f S慣性效應(yīng)最大所對(duì)應(yīng)的條件為：n l S =SfaS12v慣性效應(yīng)最大時(shí)，

7、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)氣管當(dāng)量長(zhǎng)度l S 和進(jìn)氣管截面積 f ，進(jìn)氣門(mén)有效開(kāi)啟度S 以及汽缸容積 V 之間應(yīng)滿(mǎn)足一定的相互關(guān)系。當(dāng)進(jìn)氣管不同長(zhǎng)度時(shí)，充氣效率隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化，當(dāng)轉(zhuǎn)速不同時(shí),最佳充氣效率所要求的進(jìn)氣管長(zhǎng)度不同。一般在高轉(zhuǎn)速時(shí)需用較短的進(jìn)氣管，低轉(zhuǎn)速時(shí)需用較長(zhǎng)的進(jìn)氣管。 由于發(fā)動(dòng)機(jī)使用的轉(zhuǎn)速范圍寬廣，所以有必要開(kāi)發(fā)可變進(jìn)氣管長(zhǎng)度的進(jìn)氣控制系統(tǒng)， 使在較大的使用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都能取得良好的進(jìn)氣動(dòng)態(tài)效應(yīng)。原理與工作圖形高功率、高扭矩和低油耗是現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)所具備的特征。這些又在很大程度上受到汽缸容積和進(jìn)氣歧管幾何形狀的影響。輸出高扭矩和高功率所需進(jìn)氣歧管的幾何形式是不一樣的，一個(gè)中等長(zhǎng)度的進(jìn)氣歧管要有

8、一個(gè)中等直徑來(lái)與之協(xié)調(diào)， 但對(duì)于可變進(jìn)氣歧管它的適應(yīng)性就強(qiáng)多了。在這里盡可能的解釋VR 發(fā)動(dòng)機(jī)可變進(jìn)氣歧管與輸出功率和扭矩的關(guān)系，以及進(jìn)氣歧管對(duì)于空氣供給的影響。在VR6 發(fā)動(dòng)機(jī)上傳統(tǒng)的進(jìn)氣歧管已經(jīng)被新的可變歧管所取代。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道進(jìn)氣系統(tǒng)的職責(zé)是為滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提供所必需的混合氣體。 它保證為每一個(gè)汽缸都提供充足的空氣?；推骱蛦吸c(diǎn)噴射的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道是用來(lái)運(yùn)輸汽油混合氣的。 多點(diǎn)噴射發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道是運(yùn)輸空氣的。圖中進(jìn)氣支管定義為：諧振管諧振充氣的原理：開(kāi)始諧振充氣進(jìn)氣系統(tǒng)的工作是根據(jù)諧振腔的原理，就是說(shuō)高壓和低壓波相互充填汽缸，以達(dá)到更大的容積效率。開(kāi)始諧振充氣的條件：1進(jìn)氣門(mén)打開(kāi)2活塞向下運(yùn)

9、動(dòng)， 運(yùn)行到下止點(diǎn)， 就在進(jìn)氣門(mén)附近產(chǎn)生一個(gè)低壓區(qū)。低壓波的傳播低壓波的傳播通過(guò)諧振管到達(dá)另一端，一直延伸到諧振收集器。低壓波一直活動(dòng)到收集容器的底部。 在收集器中， 底部的壓力和周?chē)諝獾膲毫Υ蠹s是相等的。 這很重要，收集器中壓力要比在諧振腔中末端的空氣壓力要高。高壓波的產(chǎn)生現(xiàn)在諧振管的底部由于壓力低就把空氣拉向它那里。 因?yàn)閴毫Σㄊ且月曀賯鞑サ模?所以壓力波幾乎同時(shí)就被反射回來(lái)， 反射回來(lái)的壓力波稱(chēng)為正壓波，反射回來(lái)后進(jìn)氣管中的壓力將增大。具體講，諧振充氣有如下特征：1低壓波在進(jìn)氣管開(kāi)口處的收集器中被反射。2高壓波通過(guò)諧振管傳播回來(lái)，由于反射回來(lái)的壓力增大，將推動(dòng)氣團(tuán)進(jìn)入仍然打開(kāi)的進(jìn)氣門(mén)進(jìn)

10、入汽缸。 這一切一直持續(xù)到進(jìn)氣門(mén)前壓力和汽缸的壓力相等為止。發(fā)動(dòng)機(jī)由于充壓進(jìn)氣， 此時(shí)充氣效率達(dá)到 1 或者更高。當(dāng)進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)，在進(jìn)氣管中，高效充壓進(jìn)氣產(chǎn)生的逆流被阻止了。由于高低壓波是以聲速傳播的， 所以它們傳輸?shù)臅r(shí)間不變的。 但是進(jìn)氣門(mén)打開(kāi)的時(shí)間是與發(fā)動(dòng)機(jī)速度有關(guān)的。 隨著發(fā)動(dòng)機(jī)速度的增加， 進(jìn)氣門(mén)打開(kāi)和氣體流入汽缸的時(shí)間在減少。所以通過(guò)諧振管返回到已經(jīng)關(guān)閉的進(jìn)氣門(mén)的高壓波， 是適合中低轉(zhuǎn)速的。很顯然，在轉(zhuǎn)速不同時(shí)，最佳充氣效率所要求的進(jìn)氣管長(zhǎng)度是不一樣的。一般來(lái)講速，發(fā)動(dòng)機(jī)中，低速轉(zhuǎn)矩的提高需要長(zhǎng)的進(jìn)氣管。而高速功率的提高需要較短的進(jìn)氣管。VR 發(fā)動(dòng)機(jī)的可變進(jìn)氣歧管可變進(jìn)氣管被設(shè)計(jì)成為

11、有不同管徑長(zhǎng)度的進(jìn)氣管。另外諧振管的長(zhǎng)度和汽缸數(shù)是有關(guān)系的，就諧振管長(zhǎng)度（ mm）轉(zhuǎn)矩集流器功率集流器VR5 和 VR6 發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)：VR5VR6700770330450為了便于裝配，可變進(jìn)氣管被分成上下兩部分。噴油嘴和壓力調(diào)節(jié)器作成一體化位于進(jìn)氣管的下部。進(jìn)氣管的上部包括諧振管，功率收集器，筒式轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)器依附于功率收集器?？諝鈴钠醉敳窟M(jìn)入進(jìn)氣歧管的下半部分和位于進(jìn)氣歧管上半部分的轉(zhuǎn)矩通道和功率通道。轉(zhuǎn)矩收集管路位于封閉的彎曲的通道中，從汽缸頂部到轉(zhuǎn)矩收集器。功率收集管路位于寬闊的彎曲的功率收集器中，在轉(zhuǎn)矩收集管路之后，從汽缸頂部到轉(zhuǎn)換閥之間。一個(gè)筒式轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)器在功率管路之中被插入，而且控制

12、著功率管路的開(kāi)通與關(guān)閉。所有 VR 發(fā)動(dòng)機(jī)的可變進(jìn)氣歧管都是塑料的，因?yàn)樗蠕X制的更加經(jīng)濟(jì)，更加適用。VR6 發(fā)動(dòng)機(jī)可變進(jìn)氣管處工作在轉(zhuǎn)矩集流器位置轉(zhuǎn)矩位置顯示出發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速范圍時(shí)空氣流向。此時(shí)，轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)器已經(jīng)把功率管路關(guān)閉了。 汽缸將空氣從轉(zhuǎn)矩收集器中經(jīng)過(guò)長(zhǎng)的轉(zhuǎn)矩通道吸引過(guò)來(lái)。 有效的轉(zhuǎn)矩管路長(zhǎng)度： 770mm如圖：在低速和中速范圍內(nèi)可變進(jìn)氣管充氣效率是比較高的。VR6 發(fā)動(dòng)機(jī)可變進(jìn)氣歧管工作在功率集流器位置這時(shí)，在一個(gè)特定的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速條件下，轉(zhuǎn)換閥被翻轉(zhuǎn) 90 這個(gè)動(dòng)作打開(kāi)了功率管路和功率集流器。功率管路的有效長(zhǎng)度為 450mm，空氣同時(shí)從功率管路和轉(zhuǎn)矩管路進(jìn)入。轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)器打開(kāi)功率管VR5

13、VR6時(shí)的轉(zhuǎn)速rpm42003950功率集流器經(jīng)轉(zhuǎn)矩和功率管路提供空氣。由于低壓波在進(jìn)氣過(guò)程中產(chǎn)生， 這時(shí)在功率管底部低壓波被反射， 它逆向前往進(jìn)氣門(mén)方向產(chǎn)生一個(gè)短期的高壓波。此時(shí)，充壓進(jìn)氣效果大大降低。由于在諧振管較短時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較高的充氣效率，所以采用可變進(jìn)氣歧管發(fā)動(dòng)機(jī)功率的提高不是很明顯。 可變進(jìn)氣歧管主要是改善發(fā)動(dòng)機(jī)中低速的轉(zhuǎn)矩特性。VR6 發(fā)動(dòng)機(jī)采用和不采用可變歧管的功率和轉(zhuǎn)矩特征由圖中可以看出，在VR6 發(fā)動(dòng)機(jī)上采用新的可變進(jìn)氣歧管對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)中低速功率和轉(zhuǎn)矩增加的效果是十分明顯的。（VR 5 發(fā)動(dòng)機(jī)從開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)就采取了可變進(jìn)氣歧管）由于發(fā)動(dòng)機(jī)中、低速的轉(zhuǎn)矩很高，在

14、此低速范圍內(nèi)利用檔位的經(jīng)常調(diào)整就可獲得非常舒適的駕駛要求（即此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩幾乎可以滿(mǎn)足每個(gè)檔位的需求，而不用爆轟油門(mén)）。這時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和油耗基本上沒(méi)有太大的變化。因此，正常的駕駛過(guò)程中，轉(zhuǎn)換閥是很少打開(kāi)的。但有些雜質(zhì)，例如灰塵或機(jī)油會(huì)進(jìn)入轉(zhuǎn)換閥內(nèi)，會(huì)阻止它的正常運(yùn)動(dòng)，為保證轉(zhuǎn)換閥的操作， 從一開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)轉(zhuǎn)換閥就被延伸到旁邊的一個(gè)特殊的位置上。轉(zhuǎn)換閥保持在功率位置直到轉(zhuǎn)速上升到1100rpm 時(shí)，閥體轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩位置。這個(gè)額外的轉(zhuǎn)換點(diǎn)是為了轉(zhuǎn)換閥能頻繁的運(yùn)動(dòng)，而不至于導(dǎo)致機(jī)油和灰塵的進(jìn)入閥體而無(wú)法工作。一個(gè)更深遠(yuǎn)的設(shè)計(jì)：負(fù)荷轉(zhuǎn)換閥的概念根據(jù)這個(gè)概念，轉(zhuǎn)換閥的動(dòng)作還將依靠發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷。為了達(dá)

15、到最大的充氣效率，在全負(fù)荷下，轉(zhuǎn)換閥就轉(zhuǎn)到功率位置。這也是閥體平常不工作時(shí)的位置。而發(fā)動(dòng)機(jī)不在全負(fù)荷時(shí)， 轉(zhuǎn)換閥在轉(zhuǎn)矩位置。因?yàn)橹C振管進(jìn)氣頻率不協(xié)調(diào)，部分負(fù)荷時(shí)，充壓充氣效率降低。此時(shí)，進(jìn)氣能量降低，也使得進(jìn)入燃燒室的燃油減少。空氣動(dòng)力箱和筒式轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)換閥的機(jī)械裝置位于可變進(jìn)氣歧管的上部， 轉(zhuǎn)換閥對(duì)于每一個(gè)功率管都有一個(gè)分開(kāi)的通道與之相對(duì)應(yīng)。 在功率位置，這些通道將變成功率管的一部分。轉(zhuǎn)換閥是由塑料制成的而且很有彈性。在轉(zhuǎn)換閥和動(dòng)力室之間有一點(diǎn)點(diǎn)縫隙是必要的， 可以保證設(shè)備運(yùn)行良好，但是不能太大。就是很少的空氣缺口也會(huì)造成轉(zhuǎn)矩很大的減少， 這個(gè)減少是由于反射波經(jīng)過(guò)每個(gè)管路到動(dòng)力室時(shí)能量減少

16、所致。功率集流器的進(jìn)氣每個(gè)汽缸得到直接從轉(zhuǎn)矩集流器中轉(zhuǎn)矩管出來(lái)的空氣。 由于所有汽缸的功率集流器通道關(guān)閉，所以不能滿(mǎn)足大功率時(shí)進(jìn)氣量的需求。隨著集流器通道的開(kāi)啟， 可變開(kāi)關(guān)連接功率管到功率集流器。 這時(shí)正在吸氣的汽缸得到從功率管和轉(zhuǎn)矩管中來(lái)的空氣。 由于在功率收集器中充滿(mǎn)空氣， 空氣循環(huán)在容器中快速進(jìn)行，所以每個(gè)汽缸都可得到其他通道得空氣。筒式轉(zhuǎn)換閥塑料管內(nèi)都是真空的。發(fā)動(dòng)機(jī)控制可變進(jìn)氣管改變閥 N156 真空可從可變轉(zhuǎn)矩箱得到。真空儲(chǔ)存在真空儲(chǔ)存器中，又一個(gè)控制閥來(lái)控制。轉(zhuǎn)換閥在發(fā)動(dòng)機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)或怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，它被用一個(gè)壓縮彈簧固定在那里。可變進(jìn)氣歧管轉(zhuǎn)換電磁閥可變進(jìn)氣閥是一個(gè)真空閥。它依靠發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由電腦控制。大氣壓力作用于排列管上的磁鐵上。還有橡皮筏，攔阻真空到各單位。當(dāng)螺線管被通電時(shí)，磁鐵被升高，真空管就被打開(kāi)了。有一個(gè)泡沫塑料過(guò)濾器在大氣的入口處，防止那些會(huì)阻止筏體運(yùn)動(dòng)的微粒進(jìn)入。應(yīng)急狀態(tài)：如果沒(méi)有信號(hào)，真空管將關(guān)閉。可變進(jìn)氣道保持在功率集流器位置。自我診斷功能：（用 1551 檢測(cè)儀）