汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的發(fā)展研究

鄒雙寅 蘆興宇

摘要：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的發(fā)展主要經(jīng)歷了諧波增壓進(jìn)氣系統(tǒng)、可變氣門正時(shí)系統(tǒng)、可變氣門升程系統(tǒng)和電子氣門技術(shù)三個(gè)階段，接下來(lái)我們針對(duì)這三種系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行逐一分析。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動(dòng)機(jī);進(jìn)氣系統(tǒng);發(fā)展研究

1進(jìn)氣系統(tǒng)的發(fā)展

1.1增壓進(jìn)氣系統(tǒng)

渦輪增壓是一種利用內(nèi)燃機(jī)云狀產(chǎn)生的廢氣驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)。增壓裝置可以在發(fā)動(dòng)機(jī)工作容積和轉(zhuǎn)速不變的條件下，通過(guò)壓縮供燃料燃燒所需的空氣，提高進(jìn)入氣缸內(nèi)的空氣質(zhì)量流量，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度。增壓系統(tǒng)的組成不僅包括增壓器主體、中冷器、增壓冷卻管路硬件主體，還包括增壓壓力傳感器、空氣流量計(jì)、轉(zhuǎn)速傳感器、爆震傳感器、油門踏板位置（節(jié)氣門及節(jié)氣門位置傳感器）、噴油器、點(diǎn)火線圈等各類電子傳感器進(jìn)行信號(hào)反饋。增壓器主體還包含廢氣旁通閥與進(jìn)氣泄壓閥，EMS系統(tǒng)通過(guò)電子油門踏板（踏板開度）、轉(zhuǎn)速等電子傳感器反饋信號(hào)判斷駕駛員對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力需求，從而輸出一個(gè)增壓占空比，控制增壓器主體的廢氣旁通閥的開度，從而使更多的排氣進(jìn)入到廢氣渦輪側(cè)，增大增壓強(qiáng)度，使進(jìn)氣壓力達(dá)到目標(biāo)壓力，提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率。當(dāng) EMS 從各個(gè)電子傳感器中接收到車輛不需要增壓動(dòng)力時(shí)，此時(shí) EMS 輸出增壓占空比為 0，排氣從旁通管路排出，增壓器不再對(duì)進(jìn)氣進(jìn)行增壓;EMS 同時(shí)控制增壓器上的進(jìn)氣泄壓閥打開，使進(jìn)氣壓力快速降到非增壓水平，使發(fā)動(dòng)機(jī)功率快速降到目標(biāo)功率。增壓器的固有特性決定了增壓器能達(dá)到的最大增壓強(qiáng)度。增壓器的固有特性包括了增壓器允許的最大轉(zhuǎn)速與增壓器的喘振線。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)選用了某款增壓器，此時(shí)增壓系統(tǒng)的固有特性已經(jīng)確定。發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架標(biāo)定根據(jù)增壓器允許的最大轉(zhuǎn)速與增壓器的喘振線來(lái)標(biāo)定各個(gè)功率轉(zhuǎn)速下的最大增壓比。發(fā)動(dòng)機(jī)完成臺(tái)架標(biāo)定后，增壓器的基本控制方向已經(jīng)確定。

1.2可變氣門正時(shí)系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷變化時(shí)，其進(jìn)氣量、排氣量、進(jìn)排氣流的流速、進(jìn)氣及排氣行程的持續(xù)時(shí)間、氣缸內(nèi)燃燒過(guò)程等都不一樣，對(duì)配氣相位和氣門升程的要求也不同。例如：轉(zhuǎn)速高時(shí)，進(jìn)氣氣流流速高，慣性能量大，所以希望進(jìn)氣門早些打開，晚些關(guān)閉，以便充分利用進(jìn)氣氣流的慣性，使新鮮空氣盡量多一些充入氣缸;反之，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，進(jìn)氣流速低，慣性能量也小，如果進(jìn)氣門遲閉角過(guò)大，會(huì)使已進(jìn)入氣缸的新鮮氣體被壓縮行程中上行的活塞擠出氣缸;同樣，如果進(jìn)氣門過(guò)早開啟，由于此時(shí)活塞正上行排氣，很容易把廢氣擠入進(jìn)氣管中，使進(jìn)氣中的殘余廢氣增多，新鮮氣體反而減少，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作不穩(wěn)定。因此，沒有任何一種固定的配氣相位設(shè)置能讓發(fā)動(dòng)機(jī)在高低轉(zhuǎn)速時(shí)都能獲得最佳的性能?？勺儦忾T正時(shí)（VVT）系統(tǒng)通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)配氣相位，使發(fā)動(dòng)機(jī)在各種轉(zhuǎn)速和負(fù)荷情況下都有良好的燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性及運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，減少排放污染。東風(fēng)雪鐵龍EW10A發(fā)動(dòng)機(jī)（排量2.0L，配備于凱旋、世嘉和C5等車型）通過(guò)改變進(jìn)氣凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，進(jìn)而改變所有進(jìn)氣門開啟和關(guān)閉時(shí)刻，并最終改變氣門重疊角，以改善發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速扭矩輸出性能。

1.3可變氣門升程系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，氣門行程越大進(jìn)氣截面積就越大，進(jìn)氣阻力越小，氣缸的進(jìn)氣越通暢，與汽車的高速行駛狀態(tài)非常匹配。但汽車行駛速度較慢時(shí)，進(jìn)氣截面積越大，進(jìn)氣負(fù)壓降低，從會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)無(wú)力或運(yùn)行不平穩(wěn)。同樣，氣門行程越小氣門越小，發(fā)動(dòng)機(jī)能適應(yīng)慢速運(yùn)轉(zhuǎn)工況，不適應(yīng)高速行駛的狀況，氣缸進(jìn)氣和排氣不流暢。發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門行程與凸輪軸轉(zhuǎn)角長(zhǎng)度有關(guān)，早期發(fā)動(dòng)機(jī)氣門行程固定不變時(shí)，氣門行程一般根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)主要工況的設(shè)計(jì)。例如，賽車發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速時(shí)強(qiáng)大的功率輸出易采用長(zhǎng)行程設(shè)計(jì)，普通民用車兼顧高低轉(zhuǎn)速易采用適中氣門行程設(shè)計(jì)，固定氣門行程的發(fā)動(dòng)機(jī)，不能滿足高低轉(zhuǎn)速區(qū)域的功率要求。造成發(fā)動(dòng)機(jī)工作不穩(wěn)定、功率損失或浪費(fèi)燃料現(xiàn)象。采用可變行程技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)，可根據(jù)轉(zhuǎn)速調(diào)解氣門行程。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，使用長(zhǎng)行程來(lái)增加氣門流通截面積，保證進(jìn)氣流量。提高進(jìn)氣效率;在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，使用長(zhǎng)行程來(lái)減小氣門流通截面積，有利于在活塞下移數(shù)度較低使保證進(jìn)氣負(fù)壓，產(chǎn)生更多的渦流，讓吸入汽缸內(nèi)部的空氣和燃油快速混合均勻，讓燃燒更充分，提高低轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的扭矩。當(dāng)前豐田汽車普遍使用的一項(xiàng)可變氣門升程技術(shù)就是VVT-i 智能可變氣門系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要功能是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門運(yùn)動(dòng)進(jìn)行連續(xù)的正時(shí)調(diào)節(jié)，但不能對(duì)氣門的開度大小進(jìn)行控制。豐田汽車 VVT-i 智能可變氣門系統(tǒng)的主要工作原理是：當(dāng)汽車由低速狀態(tài)切換為高速狀態(tài)時(shí)，行車電腦 ECU 會(huì)向凸輪控制下的小渦輪內(nèi)擠壓機(jī)油，使小渦輪開始運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)轉(zhuǎn)方向是與凸輪相對(duì)進(jìn)行的。這樣就可以使凸輪在前后 60°的范圍內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到控制氣門開啟和閉合時(shí)間的目的，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣門開啟的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行控制。這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)所處工況對(duì)凸輪進(jìn)行科學(xué)合理的控制，對(duì)凸輪軸的旋轉(zhuǎn)角度也能進(jìn)行合理的調(diào)整，從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量的分配達(dá)到最佳狀態(tài)，盡可能的提高燃油的燃燒效率，進(jìn)一步提升汽車扭矩，提升汽車的各項(xiàng)基本性能。

1.4電子氣門技術(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下。對(duì)于氣門行程的需求差別非常大。在低速下，由于進(jìn)氣量小，如果氣門行程很大，將無(wú)法產(chǎn)生足夠的進(jìn)氣負(fù)壓，噴油器在噴油以后，無(wú)法與吸入的空氣充分混合，造成燃燒效率低，低速轉(zhuǎn)矩將大幅減小，而且排放也會(huì)增高。在這種情況下，應(yīng)采用較小的氣門行程。由于氣門行程小，增加了進(jìn)氣負(fù)壓，由此產(chǎn)生的大量渦流可以將混合氣充分混合，滿足低轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。到了高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下情況則恰好相反，此時(shí)的進(jìn)氣量非常大，如果氣門行程過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣氣阻過(guò)大，無(wú)法吸入足夠的空氣，從而影響到動(dòng)力的發(fā)揮。因此在高轉(zhuǎn)速下，就需要?dú)忾T行程較大，才能獲得最佳的配氣需求。為減小耗油量，寶馬車的可調(diào)式氣門機(jī)構(gòu)導(dǎo)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣量不是通過(guò)節(jié)氣門而是通過(guò)進(jìn)氣門的可調(diào)式升程調(diào)整的。通過(guò)電動(dòng)可調(diào)偏心軸，由中間杠桿改變凸輪軸對(duì)滾子式氣門壓桿的作用，由此產(chǎn)生進(jìn)氣門的可調(diào)式升程。節(jié)氣門只在起動(dòng)時(shí)和應(yīng)急運(yùn)行時(shí)使用。在所有其他的運(yùn)行狀態(tài)下節(jié)氣門均全開，幾乎無(wú)節(jié)流作用。電子氣門技術(shù)通過(guò)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣門行程的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，達(dá)到對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，功率轉(zhuǎn)矩輸出的最佳均衡。

2進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

如今國(guó)內(nèi)外的汽車生產(chǎn)商和制造商對(duì)于汽車進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究已經(jīng)有了一套很成熟的技術(shù)，對(duì)于進(jìn)氣系統(tǒng)的研究，可以分三步走：根據(jù)對(duì)流體的模擬設(shè)計(jì)，充分利用有限容積的算法建立發(fā)動(dòng)機(jī)模型;運(yùn)用插入損失的計(jì)算公式進(jìn)行進(jìn)氣系統(tǒng)的插入損失分析，找出中心頻率;根據(jù)以上對(duì)中心頻率進(jìn)行聲學(xué)元件設(shè)計(jì)。這種三步走的設(shè)計(jì)方法，可以從科學(xué)的角度出發(fā)，驗(yàn)證進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性和安全性。

3結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)今社會(huì)的不斷進(jìn)步的同時(shí)，也對(duì)我們賴以生存的環(huán)境造成了許多負(fù)面影響。在這樣一個(gè)形勢(shì)影響下，未來(lái)的科技發(fā)展中汽車的低碳、節(jié)能、環(huán)保發(fā)展已經(jīng)漸漸成為一種趨勢(shì)，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的發(fā)展研究，不僅有利于我們進(jìn)一步了解發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)律，還對(duì)未來(lái)汽車進(jìn)氣系統(tǒng)的研究探索起到一定的指引作用，汽車油耗大、污染率高的弊端才能一步步得以解決。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：長(zhǎng)城汽車股份有限公司）