諧振充氣原理與可變進氣管

　　摘 要：發動機的扭矩和功率輸出對該發動機的性能特點具有重大影響，這兩項性能的優劣主要取決于發動機的充氣效率。除了配氣會影響發動機充氣效率外，還有一個不容忽視的影響進氣的因素就是進氣管。本文介紹了諧振充氣原理與可變進氣管技術。
　　關鍵詞：諧振波 可變進氣管
　　中圖分類號：U464文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2012）09（a）-0239-01
　　發動機的扭矩和功率輸出對該發動機的性能特點具有重大影響，這兩項性能的優劣主要取決于發動機的充氣效率。除了配氣會影響發動機充氣效率外，還有一個不容忽視的影響進氣的因素就是進氣管。不論是純空氣還是空氣和汽油的混合物，都可以看成是有一定質量的流體，而流體是在進氣管中流過的，根據流體力學和震動學的原理來優化進氣管的設計對于提高發動機的吸氣效率是非常重要的。具體方法有：把進氣歧管內壁加工得非常光滑來減小氣阻，也可以設計特殊的進氣道形狀讓流體阻力得到優化，還可以減小空氣濾清器的吸氣阻力等等。這些都是傳統對進氣管的優化方法，現在大部分車都是這樣做的。本文將介紹技術含量更高的進氣管優化方法，即利用諧振充氣原理的可變進氣管技術。
　　1 進氣歧管長度對進氣的影響
　　四行程發動機曲軸每旋轉兩圈為一個周期，而這個周期的1/4的時間是用來進氣的，即在一個周期內1/4的時間進氣門打開，剩下的3/4的時間進氣門是關閉的。這就造成進氣管內的空氣存在一定的進氣頻率。所以我們不妨把它假設成震動來進行分析。根據震動學的原理，當震動物體的震動周期和頻率與他的固有周期和固有頻率頻率相同時，震動能量最大，震動波疊加，即為共振。對于震動的物體而言共振的能量是最大的。
　　如果把進氣看成是震動，則當發動機的吸氣頻率與進氣管中空氣的固有頻率相同時，進氣能量最大。但發動機的吸氣頻率是隨發動機轉速的變化而變化的。當發動機轉速高時，吸氣頻率也高；當發動機轉速降低時，吸氣頻率就隨之降低了。那怎么樣才能讓進氣管內的空氣的固有頻率能與發動機的吸氣頻率保持一致呢？最可行的辦法就是改變進氣管的長度。當發動機處于低轉速時使用長進氣管，因為進氣管越長，空氣在管內的震動頻率越低，只要長度與轉速相匹配就能得到最大的進氣能量；反之，當發動機處于高轉速時，由于吸氣頻率高，所以就要換上較短的進氣管來提高空氣在進氣管內的固有頻率，得到最大的進氣能量。
　　2 諧振充氣原理
　　當進入進氣行程時，進氣門打開，活塞向下止點方向運動；此時，氣缸內開始產生真空度，首先在進氣門附近產生了一種低壓波。隨著進氣管內的空氣逐漸的被吸入氣缸，此低壓波沿著進氣管道向另一端傳播，并向諧振箱推進。當低壓波傳至管道末端時與諧振箱內的空氣相互作用。（如圖1～4）
　　由于諧振箱體積較大，且箱內的空氣壓力近似等于周圍環境大氣壓力。因此，諧振箱內的空氣壓力遠遠高于進氣管開口端的氣體壓力，進氣管端現存的低壓波將諧振箱內的空氣吸引到進氣管口附近。在低壓波自身內力的作用下，空氣被同時吸進諧振管內，與此同時便在諧振管內產生一組同樣大小的高壓波，此高壓波向進氣閥方向傳播。即低壓波在諧振箱側的進氣管開口端發生了反射作用。
　　這組高壓波沿著進氣管道返回，并將一部分空氣通過仍然開啟的進氣閥壓進氣缸。這個過程一直持續到進氣門前的氣體壓力與缸內壓力相同為止。
　　采用該項技術的發動機經過諧振充氣之后，其充氣效率可達到1.0，甚至更高，且避免了當進氣門即將關閉時的缸內新鮮氣體的回流。
　　進氣管長度一定的情況下，進氣管內的低壓波和高壓波在進氣管內來回傳播所需要的時間是相等的，但是進氣門開啟持續時間卻是變化的，它取決于發動機轉速。隨著發動機轉速的升高，進氣門開啟持續時間縮短，流進氣缸的空氣量減少，若低壓波和高壓波傳播的時間不變，則將會導致在高壓波傳入氣缸前，進氣門已經關閉，使得諧振充氣無法進行。
　　所以，要滿足不同轉速區域的需要，就必須設計出不同長度的進氣管。長的進氣管道（扭矩段）對應于發動機低速到中等轉速的性能特點，而短的進氣管道（功率段）對應于發動機高速區的性能特點。根據發動機轉速的變化來開啟或關閉進氣管的不同長度段，這就是所謂的可變進氣管。
　　3 大眾VR系列發動機的可變進氣管
　　大眾VR系列發動的可變進氣管被設計成一種帶有可變通道長度的頂置式進氣歧管，氣缸蓋上的進氣道先與進氣歧管的下體相通，然后再與進氣管上體上的諧振管相通。諧振管的兩側各有一個諧振箱，分別為功率諧振箱和扭矩諧振箱。兩個諧振箱將諧振波的傳遞路徑分成了兩條通道，扭矩管道和功率管道。扭矩管道為進氣門至扭矩諧振箱，功率管道為進氣門至功率諧振箱。在功率管道入口處安裝有通道轉換翻板，當翻板打開時，功率管道接通，反之則關閉。
　　VR系列發動機的進氣系統其進氣管長度并非可變，變化的是諧振波傳遞的路徑，利用諧振充氣技術來完美的實現發動機不同轉速或負荷區域的充氣效率，實現自然吸氣式發動機的增壓效果，與豐田的諧波增壓進氣控制系統（ACIS）有異曲同工之妙。
　　4 奔馳發動機的可變進氣管
　　奔馳發動機的可變進氣管采用的是進氣管長度可變技術，進氣管制作成螺旋形通道，通道內置一控制閥。當發動機處于低轉速區域時，控制閥關閉，空氣流經螺旋形通道后進入氣缸，此時為長進氣管狀態。當發動機處于高轉速區域時，控制閥開啟，讓空氣不經螺旋通道而直接進入氣缸，此時為短進氣管狀態。采用了可變進氣管技術，發動機就能在高低轉速區域時都能保持良好的進氣效率，而進氣效率的提高即使發動機的整個工作效率也就提高了，使發動機更節能，更環保，動力更強