进气系统综述

摘要
随着当今世界科技的迅猛发展，汽车领域发展也日新月异，许多新技术、新科技被大量运用在了汽车上。

这些技术不断被更新，并趋于日臻完善！其中发动机进气系统部分新就显得尤为重要！
进气系统包含了空气滤清器、进气歧管、进气门机构。

空气经空气滤清器过滤掉杂质后，流过空气流量计，经由进气道进入进气歧管，与喷油嘴喷出的汽油混合后形成市适当比例的油气，由进气门送入汽缸内点火燃烧，产生动力。

本论文着重从发动机的进气系统进行了分析，提出了一些建议和实际过程中已经解决的问题。

关键词：可变进气系统可变配气相位涡轮增压机械增压及故障诊断
发动机进气系统综述
发动机是工程机械的心脏，而进气系统是发动机的命脉，进气系统的合理性直接影响发动机的性能、寿命。

从而影响发动机整体的性能、寿命及环保性。

进气系统的功用是为发动机提供清洁、干燥、充足的空气，系统中主要组件空滤器、管路及其设计安装将直接影响发动机功能的发挥、工作的稳定性、可靠性，甚至大大缩短其寿命下面结合实践对发动机进气系统合理设计进行一些探讨：
一、可变进气系统与可变配气相位
近年来发动机上采用的可变配气系统和配气正时等新技术大大的改变了发动机的动力性、经济性和排放差的问题！传统的发动机的配气相位是选择发动机最常用转速来确定最佳配气相位，经确定则固定不变，而可变配气系统和配气正时正改变了这些不足，它不仅能兼顾高速及低速不同工况，提高发动机的动力性和经济性而且还能降低发动机的排放、改善发动机怠速及低速时的性能及稳定性。

由于进气过程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。

此压力波以当地声速在进气系统内传播和往复反射。

如果利用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进气系统，并使其固有频率与气门的进气周期调谐，那么在特定的转速下，就会在进气门关闭之前，在进气歧管内产生大幅度的压力波，使进气歧管的压力增高，从而增加进气量。

这种效应称作进气波动效应。

谐振进气系统的优点是没有运动件，工作可靠，成本低。

但只能增加特定转速下的进气量和发动机转矩。

为了充分利用进气波动效应和尽量缩小发动机在高、低速运转时进气速度的差别，从而达到改善发动机经济性及动力性特别是改善中、低速和中、小负荷时的经济性和动力性的目的，要求发动机在高转速、大负荷时装备粗短的进气歧管；而在中、低转速和中、小负荷时配用细长的进气歧管。

可变进气歧管就是为适应这种要求而设计的。

下面对可变进气系统和可变配气相位做了逐一介绍：
（一）可变进气系统
可变进气系统分两类：多气门分别投入工作和可变进气道系统。

其目的都是为了改变涡流强度、提高充气效率；或者为了形成谐振及进气脉冲惯性效应，以满足低速及中高速工况都能提高性能的需要。

1、多气门分别投入工作：实现多气门分别投入工作的结构方案有如下两种：第一，通过凸轮或摇臂控制气门按时开或关；第二，在气道中设置旋转阀门，按需要打开或关闭该气道的进气通道，这种结构比凸轮、摇臂控制要简单。

当发动机在节气门部分开度工作时，涡流控制阀关闭，混合气通过进气道进入气缸。

节流的气道促进混合气加速，并沿着切线方向进入气缸，这样可以形成较强的进气涡流，对于低速工况及燃烧稀混合气是有利的。

当发动机转速及负荷增加时，仅由主气道进入气缸的混合气不能满足发动机的需要。

于是副气道中的阀门开启，增加进入气缸的混合气，而且抑制了进气道中的进气涡流强度，这对于提高发动机高速工况时的容积效率及燃烧效率、减少能量损失是有利的。

2、可变进气道系统：可变进气系统是根据发动机不同转速，使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效应，从而提高充气效率及发动机动力性能。

（1）双脉冲进气系统：双脉冲进气系统由空气室及两根脉冲近期管组成。

如图1所示。

空气室的入口处设置节气门，并与两根直径较大的进气管相连接，其目的在于防止两组进气管中谐振空气柱的相互干扰。

两根脉冲进气管成为形成谐振空气波的通道，分别连接两组气缸。

将六缸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度的进气冲程，各气缸之间不会有进气脉冲波干扰。

上述可变进气系统的
效果在于：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，以及中间产生谐振空气波的通道同支管一起，形成脉冲波谐振系统。

图1 双脉冲进气系统示意图
（2）四气门二阶段进气系统：该进气系统由弯曲的长进气管，和短的直进气管分别与空气室相连接，并分别连接到缸盖的两个进气门上。

在发动机中低速工况时由长的弯曲管向发动机供气；而在高速进，短进气管也同时供气，提高了发动机功率。

在发动机中低速工况下，动力阀关闭短进气管上的通道，空气通过长的弯曲通道，使气流速度增加，并且形成较强的涡流，促进混合气的形成。

此外，长进气管能够在进气门即将关闭时，形成较强的反射压力波峰，使进入气缸的空气增加。

在发动机高速工况下，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，将中低速工况形成的涡流改变成涡流运动，能更好的满足高速高负荷时改善燃烧性能的需要。

如图2所示
图2
（3）三阶段进气涡流：该进气系统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0管通过1根单独的脉冲管连接到左侧或右侧的气缸上。

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204度两根空气室管的入口处有各自的节流阀，在两根空气室中部有且阀门控制的连接通道，
在空气室管末端U形连接管处布置有两个蝶式阀门。

在发动机低速下，两根空气室管之间的阀门及高速工况用阀关闭。

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

当发动机转速处于4000~5000r/min时，连接两根空气室管的阀门打开，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。

当转速达到5000r/min以上时，短进气管中的蝶阀打开。

在两个空气室之间的短的直进气管中的空气流动，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。

（二）可变配气相位
可变配气相位机构有多种方案，本论文就以本田雅阁的可变气门控制（VTEC）机构来讲述：
装有VTEC机构的发动机每个气缸和常规的高速发动机一样，都配置有两个进气门和两个排气门。

不过，两个进气门有主次之分，即主进气门和次进气门。

每个气门均有单独的凸轮通过摇臂来驱动。

主次摇臂之间有一个特殊的中间摇臂，它不与任何气门直接接触，三个摇臂并列在一起，均可在摇臂轴上摆动。

在主次摇臂和中间摇臂相对应的凸轮轴上铸有三个不同升程的凸轮，分别为主凸轮、次凸轮和中间凸轮。

其中中间凸轮升程最大，它是按照发动机双进、双排气门工作最佳输出功率要求设计的；主凸轮升程小于中间凸轮，它是按发动机低速工作时单进气门开闭要求设计的；次凸轮的升程最小，最高只是稍高于基圆，其作用只是在发动机怠速运行时，在通过次摇臂稍微打开次气门，以免燃油汇集在次进气门。

中间摇臂的一端和中间凸轮接触，另一端在低速时可以自由活动。

三个摇臂在靠近进气门一端均有一个油缸孔。

油缸孔都安置在靠油压控制的活塞，他们依次为正时活塞、主同步活塞、中间同步活塞、次同步活塞。

工作原理：VTVC机构是采用采用一跟凸轮轴上设计两种不同配气定时和气门升程的凸轮，利用液压进行切换的装置。

高、低速的切换是由ECU根据发动机转速、负荷、水温和车速信号来确定，并讲控制信号输出给电磁阀来控制油压进行切换。

VTEC不工作时，正时活塞和主同步活塞位于主摇臂缸内，次同步活塞和弹簧一起则位于次摇臂油缸内。

正时活塞的一端和液压油来自工作油泵，油道的开启由ECU通过VTEC电磁阀控制。

发动机低速运行时，ECU无指令，油道内无油压，活塞位于各自的油缸内，因此各个摇臂均独自上下运动。

如图3所示。

于是主摇臂紧随主凸轮开闭主进气道，以供给低速运行时发动机所需要的混合气，次凸轮则迫使摇臂微微起伏，微微开闭次进气道，中间摇臂虽然随着中间凸轮大幅度运动，但是它对于任何气门不起作用。

图3 VTEC控制原理
当发动机高速时，负荷达到一定程度时，发动机控制电脑ECU就会向VTEC电磁阀供电以开启工作油道，
于是工作油道中的压力就会推动活塞移动，压缩弹簧，这样主摇臂、中间摇臂和次摇臂就被同步活塞、中间同步活塞和次同步活塞联为一体，成为一个同步活动的组合摇臂。

由于中间凸轮的升程大于另两个凸轮，而且凸轮角度提前，故组合摇臂随中间摇臂一起受中间凸轮角度驱动，主、次气门都大幅度地同步开闭，因此配气相位变化了，吸入的混合气量增多了，满足了发动机高速、大负荷时的充气量要求。

二、涡轮增压
涡轮增压器(Tubro)实际上就是一个空气压缩机。

它是利用发动机排出的废气作为动力来推动涡轮室内的涡轮(位于排气道内)，涡轮又带动同轴的叶轮位于进气道内？，叶轮就压缩由空气滤清器管道送来的新鲜空气，再送入气缸。

当发动机转速加快，废气排出速度与涡轮转速也同步加快，空气压缩程度就得以加大，发动机的进气量就相应地得到增加，就可以增加发动机的输出功率和扭矩。

一台发动机装上涡轮增压器后，其输出的最大功率与未装增压器相比，可增加大约40％甚至更多。

原理如图4所示
图4
（一）增压发动机主要有4大类：
1、机械增压（如图3）系统(Supercharger)：装置在发动机上并由皮带与发动机曲轴相连接，从发动机输出轴获得动力来驱动增压器的转子旋转，从而将空气增压吹到进气岐道里。

优点：转子的速度与发动机转速是相对应的，所以没有滞后或超前，动力输出更为流畅；
缺点：由于它要消耗部分引擎动力，会导致增压效率不高。

图5
2、废气涡轮增压系统：利用发动机排出的废气达到增压目的。

增压器与发动机无任何机械联系，压气机由内燃机废气驱动的涡轮来带动。

一般增压压力可达180～200kPa，或300 kPa左右，需要增设空气中间冷却器来给高温压缩空气进行冷却。

国内轿车1998年开始在排量1．8的奥迪200上运用，以后又有奥迪A6的1．8T、奥迪A41．8T，直至帕萨特1．8T、宝来1．8T。

优点：增加效率高于机械增压；
缺点：发动机动力输出略滞后于油门的开启，加大油门后一般需要等片刻，稍后发动机会有惊人的动力爆发。

3、复合增压系统：即废气涡轮增压和机械增压并用，大功率柴油机上用的较多。

复合增压系统发动机输出功率大、燃油消耗率低、噪声小，但结构过于复杂。

4、气波增压系统：利用高压废气的脉冲气波迫使空气压缩。

这种系统低速增压性能好、加速性好、工况范围大；但尺寸大、笨重和噪声大。

《废气涡轮增压器》不是为让发动机发出原设计标定的最大功率而设计的，而是为在发动机效率不变的前提下发出比非增压的同型发动机原设计标定功率高出40%以上的功率而设计的。

废气涡轮增压器的目的不仅仅是保证发动机按原设计标准所需的15份空气，而是可以超过原设计标准的30%以上向发动机输入更多的空气，此时只需通过调整发动机控制电脑的数据来增加油料的供应，便可让同型发动机在工作效率不变的前提下输出比原设计大40%的功率。

废气涡轮增压发动机和不加装废气涡轮增压的同型发动机相比，如果不考虑发动机功率增加这个因素，废气涡轮增压发动机不但不能省油，反而还会更费油，这就是我们常见的同类型的1.8车和1.8T(Ｔ即废气涡轮增压发动机的通用英文标记)车相比，1.8T的
车反而更费油的原因。

当然，如果用型号相同、功率相同的废气涡轮增压发动机和不加装废气涡轮增压的发动机相比的话，加装废气涡轮增压的发动机肯定比不加装废气涡轮增压的发动机省油。

进气涡轮增压器与废气涡轮增压器有异曲同工之处！它是近年来上市的新产品，具有不改动原车结构，安装简便，相对废气涡轮增压器使用寿命长，价格低的优点。

在目前的条件下，它可能是己经出厂的汽车进行动力改装的最佳产品之一。

进气涡轮增压器工作的目的与废气涡轮增压器有所不同。

是为让发动机发出原设计标定的最大功率为目的而设计的(当然它有时也可能会让发动机超过原设计标定的最大功率,但它只会在发动机控制电脑编程允许的范围内超过,一般情况下不会大于发动机原设计最大功率的5%)。

它的作用是补充发动机在自然进气状态下
所缺乏的部分空气，使进入发动机的空气总量尽可能达到原设计标定的最大功率所需的最佳空燃比(15.0 ：1)的规定空气量，使发动机内的混和气能完全燃烧而爆发出最佳的热效率来，让发动机发出原设计标定的最大功率。

由于发动机在自然进气状态下能够进入气缸内的进气量不够,进入发动机内的燃油因此不能充分燃烧而导致发动机功率下降。

《进气涡轮增压器》补充发动机在自然进气状态下所缺乏的部分空气后增加的发动机功率实际上就是发动机在自然进气状态下进气量不够造成的发动机功率下降部分。

因此，发动机的整个工作状况自始自终在原设计的范围内进行，所有供给发动机控制电脑工作的参数均在原设计的允许值内，发动机的控制电脑因此不会指定供油系统超过原设计标淮额外供给发动机多余的油料。

这就是为什么安装《进气涡轮增压器》后可以明显感觉到汽车动力提升了，却不但不会造成汽车油耗的上升，反而在相同状态下汽车油耗还会下降的关建所在！
（二）故障诊断
多年的经验告诉我们，造成涡轮增压器事故的主要原因是润滑问题，例如润滑油供油滞后、节流或缺油和在润滑油里有杂质等。

占第二位的原因是外来物体进入压气机叶轮或涡轮叶轮。

要有良好的维护保养习惯，特别是对空气滤清器、润滑油品质和润滑油滤清器等的维护保养。

因为涡轮增压器工作转速很高，所以良好的维护保养是非常重要的。

适当的操作步骤和预防性的维护保养，可以保证涡轮增压器的使用寿命和良好性能。

除了偶尔要对压气机进行清洗以外，不需要单独对涡轮增压器作周期性的维护保养。

因为一般的维修人员没有专用设备是不能对涡轮增压器做校准和调整工作，并且涡轮增压器的润滑油是由它所在的发动机供应的。

所以涡轮增压器的预防性维护保养主要是保证发动机与空气增压系统的完整性以及不让发动机以损害涡轮增压器和发动机自身的方式来工作。

在找出问题的原因之前，不能如通常所做的那样先轻率地把涡轮增压器从发动机上拆下来，而应该先检查和评估涡轮增压器的工作情况。

现场出现的问题大多数可以通过系统故障诊断来解决。

如果必须把涡轮增压器从发动机上拆下来，则在把软管、夹头和接头拆下来时，要确定接头是否是紧的，是否有漏气。

因为一旦把涡轮增压器拆下来后，就很难证实产生这类问题的真正原因。

更换了新的涡轮增压器的立即出现故障可能与下列因素有关：没有完全解决造成需要更换涡轮增压器的问题；在更换涡轮增压器时产生的问题；涡轮增压器本身有缺陷。

1、由于发动机本身的问题没解决,如节气门粘合,空气滤芯不合格,三元催化器被堵塞或被直接捅破.出现机油消耗大.常被认为是增压器有问题.通常情况下,增压器压端气压和其本身的油压基本平衡,再加上密封系通的密封作用,机油不会漏出增压器,只有在很长时间怠速状况下稍有渗出,所以怠速时间一般不要超过10分钟.新增压器的密封件一般不会坏,压端漏油多数是滤芯不合格或型号不合适,市场上有很多滤芯不适于增压发动机.滤芯通气量低或进气系统漏气或节气门粘止运动不灵,造成内外压力不平衡, 增压气润滑油被倒吸到进气中被烧损.由于燃气比例不对又吸入了机油,所以燃烧不好,发动机冒白烟或冒黑烟.
2、发动机机油加的太多机油容易从曲轴箱进入进气系统,从而引起发动机烧机油冒黑烟或冒蓝烟。

3、发动机本身烧机油,由于增压发动机有充分的供气,所以,燃烧比较充分,发动机尾部也发现不了冒烟,而机油也在烧损。

4、旁通阀被卡住或调节螺帽被非专业人士调整过,造成增压气漏气,从而使其压气效率降低,这时出现发动机无力,加速困难或冒黑烟现象。

5、增压器和三元催化器之间的压力应当基本平衡.再加上密封系统的作用,新增压器涡端一般不漏油.下列情况可能造成其漏油:排气系统漏气; 三元催化器不合格; 三元催化器被直接桶破.这几种情况造成排气压力太低,油气压力失去平衡,机油渗入到排气中烧损或冒白烟。

6、发动机气门漏气严重时,增压器增压困难,易造成增压器抖动,发动机噪音等.有时造成增压器螺冒脱落。

7、增压器装车后不久又被磨损.出现这种情况应当从下列几方面考滤:第一驾驶员必需主意自己的驾驶习惯.特别是冬季,发动机初启动时,油的粘度很高.润滑油膜不易形成.浮动轴承和止推轴承都很容易磨损.汽车高速行驶后不能空挡滑行.第二曾经也有这样的情况,即在装新增压器前油底壳的油垢没清理干净,导致增压器止推轴承上的小润滑孔被油垢堵塞,润滑失败,轴封很快被磨坏。

一台已经正常运行的涡轮增压器，在以后的日子里是不大可能再发现缺陷的。

有很多因素影响增压器的寿命.如:冬季有无车库.润滑油品质,更换机油和机油滤清器的频率.个人驾驶习惯.为了最大限度的增加增压器
的使用寿命,我们建议汽车不用或夜间要放到零度以上的车库里,尤其是北方地区.定期更换合格的汽车三滤和润滑油.关于驾驶习惯我们建议尊从如下习惯:
（1) 在发动机润滑油压力建立以前，必须使发动机保持在怠速状态。

发动机在启动之后立即加速，会使涡轮增压器在其轴承还来不及得到充分润滑的情况下就以最大转速工作。

涡轮增压器在润滑不充分的情况下工作会损坏它的轴承。

重复地这样做会导致涡轮增压器过早地损坏。

建议驾驶员起动发动机后应先怠速运行3~5分钟。

（2) 在发动机停车之前，要使它的温度和转速逐步地从最大值降下来。

涡轮增压器的工作转速和连续工作温度都比其它机器要高。

当发动机在最大输出功率或最大扭矩状态下工作时，涡轮增压器的转速和温度也达到最大值。

当发动机在这一工作点突然停车时，会使发动机尤其是涡轮增压器出问题。

这时需要发动机中速怠速或在轻负荷工况下工作一段时间，同时仍要保持发动机的润滑油压力和流过冷却系统的空气量不变。

遵循这些准则可以防止涡轮增压器长期在缺乏润滑油的情况下运转，并可以防止涡轮增压器内部积碳现象，这是在热回吸的作用下使轴承或中间壳里的残留润滑油碳化而形成的。

建议驾驶员在停机前应先怠速运行3~5分钟。

（3) 预先润滑涡轮增压器。

在更换滑油或做任何维修（包括放出润滑油）之后，涡轮增压器需要进行预先润滑。

在发动机启动前要将曲轴盘动几次。

启动发动机后，在进入高速运转前，让它怠速一段时间，以建立起整个润滑油循环和压力。

（4) 低温时启动发动机必须谨慎。

当环境温度过低或车辆长时间不用时，会影响发动机建立正常的润滑油压力和流量。

在这种情况下，发动机启动后必须怠速几分钟才能进入高速工作状态。

在冬季高纬度地区,气候寒冷,机油粘度大,发动机刚启动时不易在增压器浮动轴承内行成润滑油膜,所以浮动轴承或轮轴磨坏是经常性的故障之一.
（5) 要避免发动机长时间的怠速。

当涡轮和压气机中气体压力过低和涡轮增压器轴的转速过低时，润滑油会通过密封件渗漏到涡轮和压气机中。

这一般不会造成机械损伤，但会弄脏叶轮，使用户产生抱怨。

参考文献
（1）陆际清孟嗣宗，汽车发动机设计[M]，清华大学出版社，1990
（2）施新刘荣鲍捷唐波，发动机进气系统，《车用发动机》 2008年第2期
（3）沈权，内燃机增压技术，北京：中国铁道出版社，1990
（4）杨玉茹，发动机与汽车理论，北京：人民交通出版社，1988
（5）邵恩坡等，我国车用发动机的发展趋势，小型内燃机，1996
（6）刘铮，汽车发动机原理教程，北京：清华大学出版社，2001。