浅析汽车发动机进气控制技术

浅析汽车发动机的进气控制技术
第一章概述
1.1 本课题的研究内容介绍
本课题主要是介绍汽车发动机供给系统，包括进气系统的组成、空气供给系统的主要零件以及进气系统的工作原理，除此之外，还探讨包括现代汽车进气控制的运用和有关进气控制常见的故障分析和诊断方法，以及一些典型的故障事例。

同时也讨论其他辅助装置控制同时新技术研发面临着关键技术问题和机遇与挑战并存，而现在的电控喷神系统、共轨式燃油喷射系统、涡轮增压及中冷技术、二次进气系统、谐波增压控制系统以及进气涡流控制等利用新技术的控制装置。

1.2 课题研究的意义
从二十世纪九十年代开始，随着汽车保有量的增加,环境保护的呼声越来越高，各个国家越来越重视大气环境的保护，苛刻的环保法规不断出台，汽车的排放成为进入市场的先决条件；而石油资源的日益减少又导致对汽车耗油量的要求也日益严格；进入二十一世纪后，这些要求更加严格。

因此，各个汽车厂家不惜投入大量的资金进行技术研究、设计和开发，电子计算机模拟技术的使用使新技术的研发实验周期大幅度缩短，尤其在这几年新材料的不断应用，汽车发动机技术的进展可以说是日新月异，出现了长足的进步。

除了发动机本体没有太大改动之外，其它各个系统都发生了质的变化，很多原来在理论上认为不可能成立的想法，在今天竟然成为现实；不管是从体积、质量、转速、功率、稳定性还是可靠性方面，传统发动机与现代发动机简直无法同日而语，以及生活水平的提高，汽车发动机的发展使得人们对汽车的动力性能舒适性能、可靠性能以及经济性能都达到一个新的定点，所以汽车的各个配件部位的控制也达到一个新的技术要求，进气系统影响了汽车发动机的工作工况，新技术的使用，使得发动机能达到最佳的空燃比，具有最大的功率和转矩，同时在排放方面能达到标准的一个最理想的值。

本文将浅析发动机进气系统的控制技术，其中包含（进气系统的结构、工作原理充、气效率和现代汽车所用的进气控制技术）。

重点讲述现代汽车发动机进气控制所运用的技术和产生的效果。

1.3现有燃料汽车领域的技术
汽油机虽采用挥发性较好的汽油为燃料，但在起动时，发动机温度低，进气系统和气缸中的汽油不能很好地雾化、蒸发并与空气形成均匀的混合气，以致燃烧不良，所以在动力上与效率上还有很大的欠缺，导致燃油消耗过大，同时也造成了一定的环境污染，因为汽车上各个装置的作用与理论值有一定的偏差，而且在空燃比上也不能达到14.7的理论值，而是在那受传感器偏差控制，现在的燃油燃烧的能量转换成机械能的少，不能达到一个较高的水平，所以说现在汽车达到了一个电子与机械一体化
的发展阶段，尽可能的精确工作精度，但技术的创新还需要时间与现实的一个考核，现在汽车的进气控制多种不同的装置，都有不同的效果，L型和D性的进气方式不同但控制的结果都一样的，还有各个部件的传感器的运用。

现代汽车技术主要电子控制为基础，目前向着安全、环保、节能、轻松舒适、防盗智能的方向发展，尤以轿车为最大突破，其中有些技术已普及，成为汽车的标准配置；有些只用少数高级轿车；有些还处于试验阶段。

在这些技术中，以安全技术居多。

各汽车厂家为强调汽车技术的先进性或配置较高，往往把该技术的英文缩写字母表在车上，如ESP、ASR、VVTC等。

现代汽车的安全技术都使用电子控制动力转向系统、主动悬架、胎压监控系统和智能轮胎、倒车雷达和倒车影像系统、双级爆燃气囊、主动头部约束系统、减轻碰撞系统、防侧翻系统、盲点和车道偏离警告系统、前照灯照距自动调节系统。

而在舒适、轻松、防盗、智能的技术有，定速巡航系统、智能巡航系统、汽车导航技术、车载自动诊断系统、事故辅助上传系统、汽车防盗技术、汽车智能安全气囊、汽车智能空调汽车夜视系统、汽车智能钥匙。

第二章汽车发动机进气系统
2.1 汽车进气系统的论述
发动机的进气系统是把空气或混合气导入发动机汽缸的零部件集合体称为发动机的进气系统。

以L型系统为例，用空气流量计测量，通过节气门体进入进气总管，再分配到各个歧管。

在进气歧管内，从喷油器喷出的汽油和空气混合后被吸入气缸内燃烧。

在冷却液温度较低时为发动机暖机的过程，设计了快怠速装置，由空气阀来控制快怠速所需的空气，这时经空气流量计计量后的空气，绕过节气门体经空气阀直接进入总管。

可以通过怠速调整螺钉调节怠速转速，用空气阀控制怠速转速，也可以用ECU
操作怠速控制阀控制怠速与快怠速。

2.2 进气系统的组成
发动机进气系统主要有空气滤清器、空气流量计、节气门体、进气室，各种连接管和真空管等组成此外还有计量节气门位置传感器和用于发动机怠速控制的怠速控制阀。

2.3.进气系统的各个部件的作用
节气门体:节气门体内装有副节气门和主节气门用于控制进气量（即发动机的负荷大小）外部还有主节气门位置传感器、副节气门位置传感器、节气门缓冲器和节气门强制开启器，为节气门体的外部配置。

进气室和进气歧管进气室位于v型汽缸体内，进气室犹如一只大容量的空气室，其作用以减少进气脉动和各缸的充气量，进气室的两侧各设有4个进气管， 8个进气歧管相互交叉布置，目的是增加进气歧支管的长度，提高进气谐波压力，有利于进一步提高充气量。

进气室的前端装有ISC阀左侧装有EGR阀。

进气歧管是将由节气门导入的空气分配到每个缸，与喷入的燃油雾化后参与引擎燃烧室内的重要部件，对整台引擎的工作效率和动力输出起着至关重要的作用。

进气歧管的不同设计取决于引擎的工作特性，管越扭曲细长，越注重低转扭力输出，适用于低转速区域的工况，而越笔直粗壮，越是注重高扭力输出，适用于高转速的设计。

空气流量计:空气流量计安装在空气滤清器和节气门之间它的作用是检查吸入空气量的多少并把检测结果转换成电信号传给电脑，按结构分空气流量传感器分为热线式和热膜式传感器，他们的工作原理都相同，是通过流经传感器后热量损失的多少，通过带走的热量来计算流过的空气量。

通过ECU来确定喷油量。

节气门位置传感器:节气门位置传感器传感器安装在节气门体上，他将节气门的开度转换成电压信号以便微机控制喷油量，节气门位置传感器又分成很多种，比如开关式节气门位置传感器，线性节气门位置传感器、综合位置传感器。

下面主要介绍综
合性节气门位置传感器他在线性节气门位置传感器的基础上附加一个怠速触电而成，它的结构、等效电路即输出特性，这是现在运用最多的节气门位置传感器。

空气滤清器:空气滤清器是用来过滤清除空气中的微小杂质的一种清除过滤装置。

空气滤清器主要应用于内燃机，作用是为了使发动机机械设备提供清洁的空气，以防止发动机吸入带有杂质的颗粒增加磨蚀和耗损的几率。

空气滤清器的组要成分有滤芯承担着气体的过滤工作，而机壳起到保护的作用。

按照结构和条件不同，空气滤清器分为干惯性式空气滤清器、湿惯性式，干惯性式空气滤清器除尘罩，导流片，排尘口集尘杯等组成。

其工作原理是利用汽缸进气行程产生吸力，空气滤清内外产生压力差，外部空气在压力的作用下以较高的速度进入空气滤清器内，将混杂在空气中的质量较大的尘土甩到杯尘内以达到过滤。

第三章进气系统的工作原理和进气效率
3.1进气系统的工作原理
把空气或混合气导入发动机缸体中的零部件的集合体称为发动机的进气系统。

发动机是汽车的心脏，进气系统是发动机的动脉。

进气系统的布置、安装直接影响到发动机功能的发挥、工作稳定性，以及可靠性、环保性、甚至大大缩短发动机的寿命。

统计表明发动机的早期磨损、烟大、油耗高、无力等故障绝大多与进气系统有关，所占比例达到85%以上。

通常，原始进气道与连接管路截面积越大，弯曲越小管壁越平滑则整个进气系统的进气性能越好。

气门是由发动机的曲轴通过凸轮轴带动的，气门的配气正时取决于凸轮轴的转角。

在发动机运转的时候，我们需要让更多的新鲜空气进入到燃烧室，让废气能尽可能的排出燃烧室，最好的解决方法就是让进气门提前打开，让排气门推迟关闭。

当发动机工作，空气流量传感器，节气门位置传感器或进气压力传感器等计算出进气量后，进入各个气缸之前由配气机构所控制，配气机构根据发动机各缸的工作过程，定时的开启和关闭进排气门，以便气缸进气和换气，气门的传动由凸轮轴、气门导管和挺柱推杆，发动机工作时，正时齿轮带动凸轮轴旋转，当发动机要进行换气冲程时凸轮突起部分通过挺柱、推杆、高速螺钉推动摇臂摆动，摇臂的另一端向下推开气门并压缩气门弹簧。

凸轮突起部分分离挺柱时，气门完全关闭，换气冲程结束，压缩和做工冲程开始，气门弹簧释放张力使气门关闭，这样的循环运动就是缸内的进气控制，在整个过程中都受到ECU的控制，ECU除了空气流量计和其他各种传感器的输入信号控制外，还通过对车速和冷却液温度进一步修正，从而达到一个理想的空燃比，以达到一个经济性与动力性。

3.2 进气效率
引擎在运转时，每一循环所获得空气量多少，是决定引擎动力大小的基本因素，而引擎的进气能力乃是由引擎的“容积效率”及“填充效率”来衡量。

“容积效率”的定义就是每一个进气行程中，汽缸所吸入的空气体积和气缸活塞行程容积的比值。

之所以要用所吸入空气在大气压力作用下所占的体积标准，是因为空气进入气缸时，气缸内的压力比外在的压力低，而且压力值会有所改变，所以采用以大气压的状态下的体积作为共通的标准。

并且由于在进行吸气行程时，会遭受各种的进气阻力，加上气缸内的高温作用，因此将吸入气缸内的空气体积换算成以大气压状态时，小于汽缸的体积，也就是说自然吸气引擎的容积效率小于1，进气阻力的降低、汽缸内压力的提高、温度降低、排气回压降低、进气门面积加大都可提高引擎的容积效率，而引擎在高速运转时则会降低容积效率。

大气压力高、温度低、密度高时，引擎的填充效率也将随之提高。

由此也可看出，容积效率所表现的引擎构造及运转状态造成引擎性能的差异，填
充效率表现为大气状态所引起引擎性能的变化率，引擎除了在极低的转速外，进气门前的压力在进气期间也会不断地产生变动。

第四章现代汽车的进气控制的运用技术
现代汽车进气控制运用有很多种，本章将重点介绍进气涡轮增压式；可变气门正时控制；进气噪声控制；进气歧管控制；进气惯性增压控制；丰田可变进气系统控制和其他辅助装置等。

4.1 进气涡轮增压式
1. 涡轮增压器的工作原理
涡轮增压器的组成由涡轮、压气机、转子总成、轴承机构、中间体和密封装置等组成。

工作原理是利用发动机排出的高温高压废气驱动废气涡轮旋转，废气涡轮带动同一轴上的压气机共同旋转，压气机压缩由空气滤清器过滤后的空气，使空气被压缩后增压进入发动机气缸内，提高发动机进气量的一种装置，以减少废气中CO、HC、CL粒等有害物的排放。

废气涡轮与压气机通常装成一体。

2 .涡轮增压器的作用
涡轮增压器按增压方式分为废气涡轮增压器、复合式废气涡轮增压器和组合式涡轮增压器。

它们的作用分别如下：
(1) 废气涡轮增压器是利用发动机排出的具有一定能量的废气进入涡轮并膨胀做功，废气涡轮的全部功率用于驱动与涡轮机同轴旋转的压气机工作叶轮，在压气机中将新鲜空气压缩后再送入气缸。

废气涡轮与压气机通常装成一体，便称为废气涡轮增压器。

其结构简单、工作可靠，一般柴油机合理地加装废气涡轮增压系统后，可提高功率30%～50%，降低油耗5%左右，有利于改善整机动力性能、经济性能及排放性能，因而得到广泛应用。

(2) 复合式废气涡轮增压器。

废气涡轮增压器是将废气动力涡轮与废气涡轮增压器串联起来工作，称为复合式废气涡轮增压器。

在某些增压度较高的柴油机上，废气能量除驱动废气涡轮增压器外，尚有多余的能量用于驱动低压废气动力涡轮，该动力涡轮通过齿轮变速器及液力耦合器与发动机输出轴连接。

这样，废气涡轮增压器达到增压的目的，而废气动力涡轮将废气能量直接变为功率送给曲轴。

复合式废气涡轮增压器可充分利用废气能量，使动力性能、经济性能大为改善，但结构复杂，成本高且技术难度大。

(3) 组合式涡轮增压器。

组合式涡轮增压器由废气涡轮增压与进气惯性增压组合而成。

在该增压系统中，除废气涡轮增压器外，还有由稳压箱、共振管、共振室等构成的进气惯性增压系统，利用压力峰值可进一步提高增压后的进气压力。

该系统使柴油机加速性能变好，并对改善柴油机的低速转矩有利。

3. 涡轮增压器的使用
我们正确使用汽车涡轮增压器，使其保持良好的工作性能，满足汽车发动机的正常工作需求。

发动机在正常工作情况下，涡轮增压器的转速在8-12万/分钟（r/min），涡轮排气的温度可达600-900摄氏度。

4.2 可变气门正时的控制技术
若要提高发动机动力性能只有提高充气效率，提高充气效率的途径除了采用增压之外，可以采用适当的配气相位并能随发动机转速不同而变化，也可以利用进气的惯性及谐振效应,这些都是提高充气效率的最佳方式。

进气惯性及谐振效应是随着发动机转速、进气管长度及管径大小的变化而变化。

在不同转速下，进气管长度应有所不同，才能获得良好的进气惯性效应。

因此，只有结合可变配气相位控制，可变进气系统才能适应不同工况的要求，比较全面的提高发动机性能。

可变进气系统分为两类：多气门分别投入工作和可变进气道系统；目的都是为了改变进气涡流强度、提高充气效率；或是为了形成谐振及进气脉冲惯性效应，以适应低速及中高速工况都能提高性能的需要。

多气门分别投入工作：多气门分别投入工作的方式有以下两种：一是通过凸轮或摇臂控制气门按时开或关；二是在气道中设置旋转阀门，按需要打开或关闭该气门的进气通道；后者比采用凸轮、摇臂控制简单。

可变进气道系统：可变进气道系统是根据发动机不同工况，采用不同长度及容积的进气管向气缸内充气，以便能形成惯性充气效应及谐振脉冲波效应，从而提高充气效率及发动机动力性能。

它有三种工作形式：双脉冲进气系统、四气门二段进气系统和三段进气系统。

（1）双脉冲进气系统：双脉冲进气系统由空气室及两根脉冲进气管组成，空气室的入口处设置节气门，与两根直径较大的进气管相连接，作用是在于防止两组（每三缸一组）进气管中谐振空气柱的相互干扰。

每根脉冲管子成为形成谐振空气波的通道，分别连接两组气缸。

将六缸机的进气道分成前后两组，这就相当于两个三缸机的进气管，每个气缸有240°的进气冲程，各气缸之间不会产生进气脉冲波的相互干扰。

该系统能够使每个气缸都会产生空气谐振波的动力效应，而直径较大的空气室、中间产生谐振空气波的通道与歧管一起，形成脉冲波谐振循环系统。

它的工作分为两段：即低速段（转速<4400r/min）和高速段（转速>4400r/min）。

（2）四气门二段进气系统：二段即低中速段（转速<3800r/min）和高速段（转速>3800r/min）；该进气系统由弯曲的长进气管和短的直进气管与空气室相连接，分别连接到缸盖的两个进气门上。

在发动机低、中速工况，动力阀关闭短进气管的通道，空气通过长的弯曲气道向气缸供气，使气流速度增加，并且形成较强的涡流，促进良好混合气的形成。

而在高速工况，动力阀打开，额外的空气从空气室经过短进气管进入气缸，改善了容积效率，并且由另一气门进入气缸的这股气流，将低、中速工况形
成的涡流改变成滚流运动，更能满足高速高负荷时改善燃烧的需要。

可提高气缸充气率，实现提高发动机动力性能的目的。

另外，进气管的长度能够在进气门即将关闭时，形成较强的反射压力波峰，增加进入气缸的空气量。

这都有助于提高发动机低速时的转矩。

（3）三段进气系统：三段即低速段（转速<4000r/min）、中速段（转速>4000r/min）和高速段（转速>5000r/min）；与两段进气系统不同，它由末端连在一起的两根空气室管组成，并布置在V形夹角之间。

每根空气室通过三根单独的脉冲管连接到左侧或者右侧的气缸上。

每一侧气缸形成独立的三缸机，各缸的进气冲程相位为均匀隔开的240°。

两根空气室的入口处有各自的节流阀，在两根空气室中部有用阀门控制的连接通道，在空气室末端U形连接管处布置有两个蝶形阀门，在发动机低速工况，两空气室管之间的阀及高速工况用阀关闭。

每根空气室管及与其相连接的三根脉冲进气管形成完整的谐振系统，将在一定转速工况下（转速＝3500r/min），将惯性及波动效应综合在一起，从而使充气效率及转矩达到峰值。

当发动机转速高于3500r/min时，谐振压力波的波幅值变小，因此可变系统的效果也变差，相应地每个气缸的充气效率也会变小。

当发动机转速处于4000～5000r/min之间，即中速工况时，连接两根空气室的阀门打开，因此部分损坏了低速工况谐振压力波频率，然而却在转速为4500r/min的工况下，形成新的谐振压力波峰，从而使更多的空气或混合气进入气缸。

当发动机转速进一步提高，如达到5000r/min 以上时，短进气道中蝶阀打开，在两个空气室之间的短的及直接通道的空气流动，影响了第二阶段的惯性及脉冲效应。

然而在高速范围（5000～6000r/min）内，通过各缸进气管的脉冲及谐振作用，建立了新的脉冲压力波及效果。

于是三阶段的可变进气系统在三段转速范围内都能形成一个高的转矩峰值，从而提高了整个转速范围内的转矩，使转矩特性更平坦，数值更高。

气缸燃烧所必需的空气通过进气歧管进入气缸。

较长的进气歧管能使发动机在低转速时获得较大转矩，但在高转速时却会出现较低的最大输出功率这一矛盾；而较短的进气歧管可以使发动机在低转速时获得较小的转矩，但在高转速时却会出现较高的最大输出功率的矛盾。

这些矛盾可以通过双级可变进气歧管来解决，可以保证在相应的转速范围内始终具有一定的有效长度，保证低转速时具有较大转矩的同时，在高转速时也具有较高的最大输出功率，保证发动机在高速行驶时具有较好的加速性。

可变进气制技术能兼顾高速及低速的不同工况，改善发动机怠速及低速时的性能及稳定性；提高发动机的动力性和经济性；降低发动机的排放。

4.3 进气噪声控制
发动机的进气系统是一个非常复杂的噪声源，包含各种类型的噪声，每种噪声产生的机理也各不相同。

因此，对进气系统噪声进行优化首先要明确各个噪声源产生的
原因，并确定各个噪声源的供量，再有针对性地解决噪声问题。

进气系统噪声从总体上可以分为空气噪声和结构噪声两大类。

1.空气噪声包括脉动噪声和流体噪声
脉动噪声是由进气门的周期性开、闭而产生的压力起伏变化所形成的。

这部分噪声主要影响进气系统低频噪声特性。

另外如果进气管的空气柱的固有频率与周期性脉动噪声的主要频率一致时，会产生空气柱的共鸣声。

此外由于进气口和前侧板之间可能形成一个共鸣腔，产生额外的噪声。

流体噪声是气流以高速流经进气门流通截面，形成涡流，产生的高频噪声。

由于进气门流通截面是不断变化的，故这种噪声具有一定宽度的频率分布，主要频率成分在1000Hz 以上。

此外在节气门体处有时也会产生涡流噪声。

2.进气系统结构辐射噪声
进气系统结构辐射噪声是由于塑料壳体较小的刚度特性造成的，在内部压力波的激励下，壳体产生振动，外表面推动空气产生波动，从而辐射出噪声。

这里所说的内部压力波实际上就是壳体内部的声波流体噪声和结构噪声处理的方法相对比较单一，而且往往不是进气系统的主要噪声。

这里主要探讨低频噪声的降噪措施。

（1）合理设计空气滤清器。

根据安装空间设计空气滤清器本体。

空气滤清器容积应该尽可能的大，这样传递损失大而且覆盖的频带宽。

空滤器的进气管和出气管有时会插入到空滤器中，插入的长度对传递损失有影响，不同的插入长度都能够提高空滤器的传递损失，但插入管会带来较大的功率损失，其功率损失要比减小管道截面积带来的损失还要大。

（2）确定空滤器进出管的管径和长度。

减小空滤器进、出管管径，增大扩张比，对降低噪声有好处，但是会增加进气系统的压力损失，降低发动机的进气量，影响发动机的性能。

进气管的长度的会影响到空气滤清器的有效消声频率，随着进气管长度的增加，空气滤清器有效消声频率将移向低频，所设计时根据需要合理确定进、出气管的长度也很重要。

（3）合理使用消声单元。

常用的消声单元有赫姆霍兹共振腔、1/4 波长管、1/2 波长管等。

赫姆霍兹消声器一般是针对低频的，1/4 波长管一般用来消除高频噪声。

（4)特殊的消声措施。

当发动机机舱空间不能满足布置消声单元要求时，可以考虑使用特殊的消声措施，如采用进气编织管，可以在较宽的范围内，取得消声效果。

在空气滤清器模态高声压集中区域布置多孔吸声材料。

4.4 进气支管的控制
由于在进气过程中具有间歇性和周期性，致使进气歧管内产生一定幅度的压力波。

此压力波以声速在进气系统内传播和往复反射。

如果以一定长度和直径的进气歧管与一定容积的谐振室组成谐振系统图，并使其固有频率与气门的进气周期协调，那。