谐振充气原理与可变进气管

谐振充气原理与可变进气管

摘要:发动机的扭矩和功率输出对该发动机的性能特点具有重大影响,这两项性能的优劣主要取决于发动机的充气效率。除了配气会影响发动机充气效率外,还有一个不容忽视的影响进气的因素就是进气管。本文介绍了谐振充气原理与可变进气管技术。

关键词:谐振波可变进气管

发动机的扭矩和功率输出对该发动机的性能特点具有重大影响,这两项性能的优劣主要取决于发动机的充气效率。除了配气会影响发动机充气效率外,还有一个不容忽视的影响进气的因素就是进气管。不论是纯空气还是空气和汽油的混合物,都可以看成是有一定质量的流体,而流体是在进气管中流过的,根据流体力学和震动学的原理来优化进气管的设计对于提高发动机的吸气效率是非常重要的。具体方法有:把进气歧管内壁加工得非常光滑来减小气阻,也可以设计特殊的进气道形状让流体阻力得到优化,还可以减小空气滤清器的吸气阻力等等。这些都是传统对进气管的优化方法,现在大部分车都是这样做的。本文将介绍技术含量更高的进气管优化方法,即利用谐振充气原理的可变进气管技术。

1 进气歧管长度对进气的影响

四行程发动机曲轴每旋转两圈为一个周期,而这个周期的1/4的时间是用来进气的,即在一个周期内1/4的时间进气门打开,剩下的3/4

的时间进气门是关闭的。这就造成进气管内的空气存在一定的进气频率。所以我们不妨把它假设成震动来进行分析。根据震动学的原理,当震动物体的震动周期和频率与他的固有周期和固有频率频率相同时,震动能量最大,震动波叠加,即为共振。对于震动的物体而言共振的能量是最大的。

如果把进气看成是震动,则当发动机的吸气频率与进气管中空气的固有频率相同时,进气能量最大。但发动机的吸气频率是随发动机转速的变化而变化的。当发动机转速高时,吸气频率也高;当发动机转速降低时,吸气频率就随之降低了。那怎么样才能让进气管内的空气的固有频率能与发动机的吸气频率保持一致呢？最可行的办法就是改变进气管的长度。当发动机处于低转速时使用长进气管,因为进气管越长,空气在管内的震动频率越低,只要长度与转速相匹配就能得到最大的进气能量;反之,当发动机处于高转速时,由于吸气频率高,所以就要换上较短的进气管来提高空气在进气管内的固有频率,得到最大的进气能量。

2 谐振充气原理

当进入进气行程时,进气门打开,活塞向下止点方向运动;此时,气缸内开始产生真空度,首先在进气门附近产生了一种低压波。随着进气管内的空气逐渐的被吸入气缸,此低压波沿着进气管道向另一端传

播,并向谐振箱推进。当低压波传至管道末端时与谐振箱内的空气相互作用。(如图1～4)

由于谐振箱体积较大,且箱内的空气压力近似等于周围环境大气压力。因此,谐振箱内的空气压力远远高于进气管开口端的气体压力,进气管端现存的低压波将谐振箱内的空气吸引到进气管口附近。在低压波自身内力的作用下,空气被同时吸进谐振管内,与此同时便在谐振管内产生一组同样大小的高压波,此高压波向进气阀方向传播。即低压波在谐振箱侧的进气管开口端发生了反射作用。

这组高压波沿着进气管道返回,并将一部分空气通过仍然开启的进气阀压进气缸。这个过程一直持续到进气门前的气体压力与缸内压力相同为止。

采用该项技术的发动机经过谐振充气之后,其充气效率可达到1.0,甚至更高,且避免了当进气门即将关闭时的缸内新鲜气体的回流。

进气管长度一定的情况下,进气管内的低压波和高压波在进气管内来回传播所需要的时间是相等的,但是进气门开启持续时间却是变化的,它取决于发动机转速。随着发动机转速的升高,进气门开启持续时间缩短,流进气缸的空气量减少,若低压波和高压波传播的时间不变,则将会导致在高压波传入气缸前,进气门已经关闭,使得谐振充气无法进行。

所以,要满足不同转速区域的需要,就必须设计出不同长度的进气

管。长的进气管道(扭矩段)对应于发动机低速到中等转速的性能特点,而短的进气管道(功率段)对应于发动机高速区的性能特点。根据发动机转速的变化来开启或关闭进气管的不同长度段,这就是所谓的可变进气管。

3 大众VR系列发动机的可变进气管

大众VR系列发动的可变进气管被设计成一种带有可变通道长度的顶置式进气歧管,气缸盖上的进气道先与进气歧管的下体相通,然后再与进气管上体上的谐振管相通。谐振管的两侧各有一个谐振箱,分别为功率谐振箱和扭矩谐振箱。两个谐振箱将谐振波的传递路径分成了两条通道,扭矩管道和功率管道。扭矩管道为进气门至扭矩谐振箱,功率管道为进气门至功率谐振箱。在功率管道入口处安装有通道转换翻板,当翻板打开时,功率管道接通,反之则关闭。

VR系列发动机的进气系统其进气管长度并非可变,变化的是谐振波传递的路径,利用谐振充气技术来完美的实现发动机不同转速或负荷区域的充气效率,实现自然吸气式发动机的增压效果,与丰田的谐波增压进气控制系统(ACIS)有异曲同工之妙。

4 奔驰发动机的可变进气管

奔驰发动机的可变进气管采用的是进气管长度可变技术,进气管制作成螺旋形通道,通道内置一控制阀。当发动机处于低转速区域时,控制阀关闭,空气流经螺旋形通道后进入气缸,此时为长进气管状态。当发动机处于高转速区域时,控制阀开启,让空气不经螺旋通道而直接进入气缸,此时为短进气管状态。采用了可变进气管技术,发动机就能在高低转速区域时都能保持良好的进气效率,而进气效率的提高即使发动机的整个工作效率也就提高了,使发动机更节能,更环保,动力更强大。