探讨可变进气歧管设计

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。

 

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。

 

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。

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