可变进气歧管在VR发动机上的应用.docx

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可变进气歧管在VR发动机上的应用

可变进气歧管在VR发动机上的应用

附录：

自发动机采用多气门技术后，发动机转速及动力性能有了进一步的提高。

如汽油机的标高5000—8000r/min。

与此同时，高负荷下动力性能好与中，低转速中小负荷下动力性能及经济性能差的矛盾，燃油经济性与排放性能之间的矛盾也更为突出。

为了解决这些矛盾，可变化技术得到日益重视和发展。

其中，提高充气效率是提高发动机动力性能的重要措施。

除了采用增压技术以外，合理的选择配起相位以及能随发动机转速不同而变化以利用进气的惯性及谐振的效应，是提高充气效率的重要途径。

对于可变进气系统可分两类：

1/多气门分别投入工作；2/可变进气道系统。

在这里我们主要讲一下可变进气道系统。

采用可变进气道系统的目的是为了改变进气涡流强度，提高充气效率；或者为了形成谐振及进气脉冲惯性效应，使发动机中，低域的转矩提高，以适应低速及中高速工况，改善汽车的加速响应性能。

下面介绍几个有关影响发动机功率和扭矩的概念。

输出功率：

发动机运转时由曲轴输出的转矩称有效转矩T。

发动机每分钟转速为n（r/min）时，则每秒钟所作的功为（Nm/s）。

转矩与输出的有效功率之间有如下的关系P==1.047nT

由此T=

式中：

P—有效功率n—发动机转速T—有效转矩

充气效率：

当进气过程终了时，汽缸内气体的压力由于经受进气管系统中各种阻力的作用（如空气滤清器、进气歧管、节气门等阻力），低于进气管进口处的压力，进气终了时汽缸内气体的温度，由于受进气系统与汽缸壁面的热交换以及与汽缸内残余气体的混合加热，要高于进气口处的温度。

所以进入汽缸新气（空气或混合气）的体积，如果换算到进气口处压力温度状态的话，将小于汽缸的工作体积。

若进气换算的体积越大，发动机的充气效果就越好。

为了表示发动机充气效果的好坏，经常应用充气效率的概念。

充气效率的定义为每循环实际进入汽缸的充气量与理论充满汽缸充气量之比

即：

=

对于增压发动机，进气状态常采用增压器或中冷器之后的进气管处的状态。

对于非增压发动机，常采用大气状态的压力和温度。

影响充气效率的动态因素：

在活塞式发动机中，管内产生的压力波动直接影响到同一进气行程的现象称之为惯性效应。

在进气管较长与高转速的情况下，在一个进气过程中产生的压力波动,若在进气结束后仍残留在管内,并且影响到下一个循环的进气行程的现象,称为波动效应。

进气管对进气的影响在于：

在进气行程中，由于活塞向下止点运动的抽吸作用，进气门一旦开启，气体就从进气管吸入气缸内。

在进气管内的进气门处就产生负压，此负压波（也称膨胀波）即在进气管内向开口出传播。

在开口端的边界处，膨胀波经一定时间后反射回来的是正压波（也称压缩波）。

如果负压波和负压波重合，则合成波在进气行程后半期为正压，若恰当的选择进气管长度，使正压恰在进气门关闭前达到最大值，就可增大进气量。

在进气门关闭时，进气管内压力传播的频率或周期如图：

1所示

图1：

一端开放的管子所产生的驻波及其沿管长方向的振幅分布。

实线：

压力波虚线：

速度波

图a表示一阶波动管长相当于1/4波长。

b表示二阶段波动管长相当于3/4波长。

因此，此压力波的固有频率.

这个压力波震动频率与发动机进气频率之比称为波动次数Q

图2表示Q变化时进气门前压力随时间的变化关系

当Q=1,2时，正好是在下一个循环的气门开启时，靠近气门前方形成负压区，对进气不利。

当q=1.5时，正好是正压力与气门开启时重合，因此可增大进气量。

若进气管较长压力波传播的时间t比进气行程的时间长时，（图3a所示）此压力波就不能对进气行程施加直接影响。

若进气管较短，如t时就产生吸入的负压波和反射的正压波合成迭加的情况，如图（3b）所示。

迭加以后的压力波就变为在进气行程的后半段中的正压波。

由此可见当进气门关闭时，气门处刚好正压波传来使新鲜气体流入汽缸，进气量增多，充气效率增大，这就是进气过程中的惯性效应。

产生惯性效应最大的条件是进气压力波的周期与进气门开启的持续时间相等。

即：

=

惯性效应最大所对应的条件为：

=

惯性效应最大时，发动机转速，进气管当量长度和进气管截面积f，进气门有效开启度以及汽缸容积V之间应满足一定的相互关系。

当进气管不同长度时，充气效率随发动机转速变化，当转速不同时,最佳充气效率所要求的进气管长度不同。

一般在高转速时需用较短的进气管，低转速时需用较长的进气管。

由于发动机使用的转速范围宽广，所以有必要开发可变进气管长度的进气控制系统，使在较大的使用转速范围内都能取得良好的进气动态效应。

原理与工作图形

高功率、高扭矩和低油耗是现代发动机所具备的特征。

这些又在很大程度上受到汽缸容积和进气歧管几何形状的影响。

输出高扭矩和高功率所需进气歧管的几何形式是不一样的，一个中等长度的进气歧管要有一个中等直径来与之协调，但对于可变进气歧管它的适应性就强多了。

在这里尽可能的解释VR发动机可变进气歧管与输出功率和扭矩的关系，以及进气歧管对于空气供给的影响。

在VR6发动机上传统的进气歧管已经被新的可变歧管所取代。

发动机进气道

进气系统的职责是为满足发动机点火提供所必需的混合气体。

它保证为每一个汽缸都提供充足的空气。

化油器和单点喷射的发动机进气道是用来运输汽油混合气的。

多点喷射发动机进气道是运输空气的。

图中进气支管定义为：

谐振管

谐振充气的原理：

开始谐振充气

进气系统的工作是根据谐振腔的原理，就是说高压和低压波相互充填汽缸，以达到更大的容积效率。

开始谐振充气的条件：

1．进气门打开

2．活塞向下运动，运行到下止点，就在进气门附近产生一个低压区。

低压波的传播

低压波的传播通过谐振管到达另一端，一直延伸到谐振收集器。

低压波一直活动到收集容器的底部。

在收集器中，底部的压力和周围空气的压力大约是相等的。

这很重要，收集器中压力要比在谐振腔中末端的空气压力要高。

高压波的产生

现在谐振管的底部由于压力低就把空气拉向它那里。

因为压力波是以声速传播的，所以压力波几乎同时就被反射回来，反射回来的压力波称为正压波，反射回来后进气管中的压力将增大。

具体讲，谐振充气有如下特征：

1．低压波在进气管开口处的收集器中被反射。

2．高压波通过谐振管传播回来，由于反射回来的压力增大，将推动气团进入仍然打开的进气门进入汽缸。

这一切一直持续到进气门前压力和汽缸的压力相等为止。

发动机由于充压进气，此时充气效率达到1或者更高。

当进气门关闭时，在进气管中，高效充压进气产生的逆流被阻止了。

由于高低压波是以声速传播的，所以它们传输的时间不变的。

但是进气门打开的时间是与发动机速度有关的。

随着发动机速度的增加，进气门打开和气体流入汽缸的时间在减少。

所以通过谐振管返回到已经关闭的进气门的高压波，是适合中低转速的。

很显然，在转速不同时，最佳充气效率所要求的进气管长度是不一样的。

一般来讲速，发动机中，低速转矩的提高需要长的进气管。

而高速功率的提高需要较短的进气管。

VR发动机的可变进气歧管

可变进气管被设计成为有不同管径长度的进气管。

另外谐振管的长度和汽缸数是有关系的，就VR5和VR6发动机来说：

谐振管长度（mm）

VR5

VR6

转矩集流器

700

770

功率集流器

330

450

为了便于装配，可变进气管被分成上下两部分。

喷油嘴和压力调节器作成一体化位于进气管的下部。

进气管的上部包括谐振管，功率收集器，筒式转换调节器依附于功率收集器。

空气从汽缸顶部进入进气歧管的下半部分和位于进气歧管上半部分的转矩通道和功率通道。

转矩收集管路位于封闭的弯曲的通道中，从汽缸顶部到转矩收集器。

功率收集管路位于宽阔的弯曲的功率收集器中，在转矩收集管路之后，从汽缸顶部到转换阀之间。

一个筒式转换调节器在功率管路之中被插入，而且控制着功率管路的开通与关闭。

所有VR发动机的可变进气歧管都是塑料的，因为它比铝制的更加经济，更加适用。

VR6发动机可变进气管处工作在转矩集流器位置

转矩位置显示出发动机低转速范围时空气流向。

此时，转换调节器已经把功率管路关闭了。

汽缸将空气从转矩收集器中经过长的转矩通道吸引过来。

有效的转矩管路长度：

770mm

如图：

在低速和中速范围内可变进气管充气效率是比较高的。

VR6发动机可变进气歧管工作在功率集流器位置

这时，在一个特定的发动机转速条件下，转换阀被翻转90这个动作打开了功率管路和功率集流器。

功率管路的有效长度为450mm，空气同时从功率管路和转矩管路进入。

转换调节器打开功率管时的转速

VR5

VR6

rpm

4200

3950

功率集流器经转矩和功率管路提供空气。

由于低压波在进气过程中产生，这时在功率管底部低压波被反射，它逆向前往进气门方向产生一个短期的高压波。

此时，充压进气效果大大降低。

由于在谐振管较短时，发动机高速运转将会产生一个较高的充气效率，所以采用可变进气歧管发动机功率的提高不是很明显。

可变进气歧管主要是改善发动机中低速的转矩特性。

VR6发动机采用和不采用可变歧管的功率和转矩特征

由图中可以看出，在VR6发动机上采用新的可变进气歧管对于发动机中低速功率和转矩增加的效果是十分明显的。

（VR5发动机从开始设计时就采取了可变进气歧管）由于发动机中、低速的转矩很高，在此低速范围内利用档位的经常调整就可获得非常舒适的驾驶要求（即此时的发动机的转矩几乎可以满足每个档位的需求，而不用爆轰油门）。

这时，发动机的功率和油耗基本上没有太大的变化。

因此，正常的驾驶过程中，转换阀是很少打开的。

但有些杂质，例如灰尘或机油会进入转换阀内，会阻止它的正常运动，为保证转换阀的操作，从一开始设计时转换阀就被延伸到旁边的一个特殊的位置上。

转换阀保持在功率位置直到转速上升到1100rpm时，阀体转换为转矩位置。

这个额外的转换点是为了转换阀能频繁的运动，而不至于导致机油和灰尘的进入阀体而无法工作。

一个更深远的设计：

负荷转换阀的概念

根据这个概念，转换阀的动作还将依靠发动机的负荷。

为了达到最大的充气效率，在全负荷下，转换阀就转到功率位置。

这也是阀体平常不工作时的位置。

而发动机不在全负荷时，转换阀在转矩位置。

因为谐振管进气频率不协调，部分负荷时，充压充气效率降低。

此时，进气能量降低，也使得进入燃烧室的燃油减少。

空气动力箱和筒式转换调节器

转换阀的机械装置位于可变进气歧管的上部，转换阀对于每一个功率管都有一个分开的通道与之相对应。

在功率位置，这些通道将变成功率管的一部分。

转换阀是由塑料制成的而且很有弹性。

在转换阀和动力室之间有一点点缝隙是必要的，可以保证设备运行良好，但是不能太大。

就是很少的空气缺口也会造成转矩很大的减少，这个减少是由于反射波经过每个管路到动力室时能量减少所致。

功率集流器的进气

每个汽缸得到直接从转矩集流器中转矩管出来的空气。

由于所有汽缸的功率集流器通道关闭，所以不能满足大功率时进气量的需求。

随着集流器通道的开启，可变开关连接功率管到功率集流器。

这时正在吸气的汽缸得到从功率管和转矩管中来的空气。

由于在功率收集器中充满空气，空气循环在容器中快速进行，所以每个汽缸都可得到其他通道得空气。

筒式转换阀

塑料管内都是真空的。

发动机控制可变进气管改变阀N156

真空可从可变转矩箱得到。

真空储存在真空储存器中，又一个控制阀来控制。

转换阀在发动机不运转或怠速运转时，它被用一个压缩弹簧固定在那里。

可变进气歧管转换电磁阀

可变进气阀是一个真空阀。

它依靠发动机负荷和发动机转速由电脑控制。

大气压力作用于排列管上的磁铁上。

还有橡皮筏，拦阻真空到各单位。

当螺线管被通电时，磁铁被升高，真空管就被打开了。

有一个泡沫塑料过滤