汽油機進氣歧管VGIS可靠性分析與改進

黃振霞韋家良　　李　堅（1-上海交通大學機械與動力工程學院　上海　0040 -上汽通用五菱汽車股份有限公司-廣西康明斯工業動力有限公司）

·綜述·

汽油機進氣歧管VGIS可靠性分析與改進

黃振霞1，2韋家良3李堅2
（1-上海交通大學機械與動力工程學院上海200240 2-上汽通用五菱汽車股份有限公司3-廣西康明斯工業動力有限公司）

摘要：在發動機臺架耐久試驗中，進氣歧管VGIS開度逐漸減小至關閉，導致發動機扭矩突然下降。通過理論計算和試驗方法分析VGIS失效原因，結果表明VGIS設計無法保證其工作的可靠性。分析優化方案，并計算相關優化參數，改進后的進氣歧管VGIS通過了VGIS功能試驗和發動機臺架試驗驗證，VGIS可靠性得到充分保證。VGIS失效問題圓滿解決，并為其他可變進氣歧管的設計提供借鑒。

關鍵詞：發動機進氣歧管V G IS系統可變進氣歧管真空執行器

引言

隨著人們對汽車動力性、經濟性要求以及環保要求的日益提高，做為自然吸氣發動機關鍵零部件之一的進氣歧管設計日趨復雜，越來越多的自然吸氣發動機進氣歧管集成了VGIS（VARIABLEGEOMETRIC INTAKE SYSTEM可變氣道長度進氣系統）。零件越復雜、部件越多，失效幾率越大，工作的穩定性越難以保證。本文基于某款可變氣道長度進氣歧管的失效，分析并改進VGIS工作可靠性[1]。

1　VGIS系統的工作原理及要求

根據波動充氣原理，當發動機進氣行程開始時，活塞下行造成的進氣門處壓力減小，波動迅速傳導到進氣歧管的進口，變為壓力增加的反射波反射回來。相應轉速下，選擇適當的進氣歧管長度，使反射波在進氣門關閉前到達進氣門，增大進氣末期的壓力，從而提高進氣量。調整進氣歧管的氣道長度，使脈動次數為整數，和進氣門重疊時間同步，可提高充氣效率。采用VGIS系統，根據需要改變氣道長度，盡可能提高更寬轉速范圍內的充氣效率，兼顧高低轉速下的動力特性。高轉速時，進氣阻力對進氣影響較大，使用短氣道進氣道阻力小，進氣更充分；低轉速時，發動機進氣頻率比較低，使用長氣道可降低脈動次數，聚集更多的空氣，且長氣道還能降低空氣流速，能使空氣和燃料更好地混合，燃燒更充分，提高低速穩定性[2，3]。

本文研究的VGIS系統可實現長短兩種氣道的切換，由真空腔、穩壓腔、電磁閥、真空執行器、切換機構組成。真空腔與穩壓腔采用內置的旁通通道相連，中間有傘形單向閥相隔，當節氣門開度減小時，穩壓腔的氣壓降低，真空腔氣體流向穩壓腔，真空建立。真空執行器由一個橡膠膜杯分隔成兩個腔，一個腔連接電磁閥，一個腔通大氣；膜杯連接驅動拉桿。如圖1所示為可變進氣歧管結構、圖2為長短氣道結構、圖3為真空執行器結構。

圖1　可變進氣歧管結構

圖2 長短氣道結構

圖3　真空執行器結構

VGIS系統默認長氣道。起動后，ECU將傳感器采集發動機的轉速、負荷、車速、冷卻液溫度和進氣溫度等信號處理后，轉換成可識別的數據與相應的預存數據做比較。信號大于預存的數據時，輸出結果為“l”；否則，輸出結果為“0”。然后把每一種信號的比較結果進行“邏輯與”運算，運算結果為“1”時，ECU給VGIS電磁控制閥高電平，電磁閥打開，導通真空執行器與真空腔間的通道。在壓力差作用下，真空執行器的驅動拉桿動作驅動切換機構轉動，切換至短氣道狀態[4]。

2　VGIS系統的失效模式及原因分析

2.1VGIS系統失效模式

在某款汽油發動機臺架耐久實驗中，出現數例在高速時扭矩突然下降的現象，調查后發現是進氣歧管在高速（4400r/min）切換到短管一段時間后，VGIS系統的開度逐漸變少甚至關閉（打開為短氣道，關閉為長氣道）。

2.2VGIS失效原因分析

初步判斷原因是進氣歧管真空腔不能連續建立真空，而隨著時間的推移或開關次數的增加，由于空氣泄漏導致真空腔真空度不斷降低，進而導致真空驅動力不足以開啟或完全開啟VGIS系統。對故障進氣歧管進行VGIS系統泄露測試，泄露量均小于允許值5mL/min。

估算該發動機怠速一次建立真空后，可維持VGIS常開的時間t和保證VGIS正常開啟的次數。

當地大氣壓P0=101 kPa

保證VGIS開啟，真空執行器真空端允許的最大壓力P1；

真空腔維持VGIS正常工作的最大壓力P2；

真空執行器驅動拉桿有效受力面直徑D=45 mm；

真空執行器真空端容積（含連接執行器與電磁閥軟管容積）V1=72mL；

真空腔容積（含連接真空腔與電磁閥軟管容積）V2=450mL；

VGIS系統泄漏率V0，約5mL/min；

VGIS系統需要的最小驅動力為F；

對VGIS系統進行泄露量測試，要求泄漏量小于5mL/min，合格。檢測VGIS系統需要的最小驅動力為F=55 N。

可見若真空腔壓力若大于60.88 kpa，則VGIS系統將不能完全開啟或無法開啟。

某款1.2L自然吸氣發動機，怠速時穩壓腔壓力約P3（30 kPa），即真空腔中可建立-71 kPa的真空。

為保證一定的工作可靠性和穩定性，發動機怠速時一次建立真空后，應保證能維持VGIS常開時間大于30 min，或保證VGIS 1min內正常開啟大于5次。可見該VGIS系統并未達到要求。

對3個故障件進行試驗，試驗方法如下：

試驗一：對真空腔抽真空，使其壓力為30kPa，給電磁閥電信號，使VGIS維持常開，記錄完全開啟時間；

試驗二：對真空腔抽真空，使其壓力為30 kPa，電磁閥連接繼電器，使VGIS開啟6 s關閉6 s并循環，記錄VGIS可以完全開啟的次數。

試驗結果見表1。

表1　進氣歧管VGIS功能試驗

3　VGIS系統的改進及對比分析

由式1和式2可知，增大P1、增大V2、減小V1，都可以有效地延長VGIS常開時間t和增加開關次數n。綜合成本、空間布置、工作可靠性等因素，無法單獨改變P1、V2或V1來達到優化目的。要增大真空執行器真空端允許的最大壓力P1，可增大真空執行器有效受力面積S或減小VGIS系統需要的最小驅動力為F。考慮成本及空間布置因素，無法增大有效受力面積S。F由切換機構的摩擦力和執行器中的彈簧力組成。減小摩擦力較困難且成本高。最終確定的優化方案為：

1）增大真空腔容積V2至570mL；

2）減小執行器中的彈簧力，使VGIS系統需要的最小驅動力F減小至39 N；

3）減小真空執行器真空端的容積至52mL。

根據式1和式2計算可知，優化后，一次建立真空后，能維持VGIS常開t′=49.9 min，或保證VGIS正常開啟次數n=5.8次。

優化后的進氣歧管做上述VGIS功能試驗，一次建立真空后，維持VGIS常開大于30min，VGIS開關次數大于5次。

分別用改進前和改進后的進氣歧管在發動機上做VGIS切換試驗。試驗方法如下：

發動機由怠速，約在2min內逐漸將節氣門全開并提速到4000 r/min，在4000 r/min～5000 r/min間來回切換5次，分別在4000 r/min和5000 r/min維持2 min。觀察VGIS正常開關的次數。

試驗時間較長，考慮泄露量，可預估VGIS可正常切換的次數。

故在該發動機VGIS工作可靠性試驗中，VGIS可正常切換4次，則認為是合格的。

試驗結果如表2、圖4所示。

表1　發動機VGIS工作可靠性試驗結果

可見，改進后的VGIS系統，在發動機一次建立真空后，既能保證完全開啟時間大于30min又能保證足夠的開啟次數。充分保證了進氣歧管VGIS工作的可靠性和穩定性。

4　結束語

可變進氣歧管的應用，一定程度上改善了發動機的動力性和經濟性，但進氣歧管復雜程度增加，失效模式和失效頻率也增加。如何保證進氣歧管的工作可靠性和穩定性，尤為重要。通過本文中提及的必要的理論計算和簡單的試驗，就可以預估和檢驗進氣歧管VGIS系統工作的可靠性和穩定性，根據計算結果優先最佳設計方案，大大節約開發時間和開發成本。為集成PDA或VGIS系統的進氣歧管設計開發提供借鑒。

圖4 秒采曲線圖

參考文獻

1寧珺，黨豐玲，陽娜，等.進氣歧管結構對進氣流動影響的數值模擬[J].汽車科技，2011（5）：32～36

2俞培泳，崔振偉.CA3GA2發動機進氣歧管的設計與開發[J].天津汽車，2008（7）：38～41

3劉霏霏，姜水生，夏興蘭.TJ376QE汽油機可變進氣歧管長度的優化設計[J].內燃機，2008（1）：23～25，28

4馬南，劉耀武，張所金，等.進氣管長度可變系統的研究[J].車用發動機，2003（4）：22～24

中圖分類號：TK413.4+4

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8234（2015）02-0070-04

收稿日期：（2015-03-12）

作者簡介：黃振霞（1984-），女，學士，主要研究方向為發動機進氣系統。

Analysisand Optim ization on IntakeManifold VGIS for Gasoline Engine

Huang Zhenxia1，2，W ei Jialiang3，Li Jian2
1-School ofMechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University（Shanghai，200240，China）
2-SAICGMWuling Automobile Co.，Ltd.
3-GuangxiCummins IndustrialPower Co.，Ltd.

Abstract：Intake Manifold VGIS closed gradually in engine endurance test,lead to engine torque drop unexpectedly.The failure cause of VGIS is analyzed by theoretical calculation and test.The result shows that VGIS can't work reliably and can't accommodate engine work.Analyzing optimization methods and calculating relative parametermake it clear thatoptimized VGISworks reliably and stably and can pass the VGIS function test and engine rig test.VGIS failure problem is solved successfully and this provides a reference for design ofother variable intakemanifold.

Keywords：Engine，Intakemanifold，VGIS，Variable intakemanifold，Vacuum activator