汽車發動機進氣系統的發展研究

鄒雙寅 蘆興宇

摘要：汽車發動機進氣系統的發展主要經歷了諧波增壓進氣系統、可變氣門正時系統、可變氣門升程系統和電子氣門技術三個階段，接下來我們針對這三種系統來進行逐一分析。

關鍵詞：汽車發動機;進氣系統;發展研究

1進氣系統的發展

1.1增壓進氣系統

渦輪增壓是一種利用內燃機云狀產生的廢氣驅動空氣壓縮機。增壓裝置可以在發動機工作容積和轉速不變的條件下，通過壓縮供燃料燃燒所需的空氣，提高進入氣缸內的空氣質量流量，進而提高發動機功率密度。增壓系統的組成不僅包括增壓器主體、中冷器、增壓冷卻管路硬件主體，還包括增壓壓力傳感器、空氣流量計、轉速傳感器、爆震傳感器、油門踏板位置（節氣門及節氣門位置傳感器）、噴油器、點火線圈等各類電子傳感器進行信號反饋。增壓器主體還包含廢氣旁通閥與進氣泄壓閥，EMS系統通過電子油門踏板（踏板開度）、轉速等電子傳感器反饋信號判斷駕駛員對發動機動力需求，從而輸出一個增壓占空比，控制增壓器主體的廢氣旁通閥的開度，從而使更多的排氣進入到廢氣渦輪側，增大增壓強度，使進氣壓力達到目標壓力，提高發動機功率。當 EMS 從各個電子傳感器中接收到車輛不需要增壓動力時，此時 EMS 輸出增壓占空比為 0，排氣從旁通管路排出，增壓器不再對進氣進行增壓;EMS 同時控制增壓器上的進氣泄壓閥打開，使進氣壓力快速降到非增壓水平，使發動機功率快速降到目標功率。增壓器的固有特性決定了增壓器能達到的最大增壓強度。增壓器的固有特性包括了增壓器允許的最大轉速與增壓器的喘振線。當發動機選用了某款增壓器，此時增壓系統的固有特性已經確定。發動機臺架標定根據增壓器允許的最大轉速與增壓器的喘振線來標定各個功率轉速下的最大增壓比。發動機完成臺架標定后，增壓器的基本控制方向已經確定。

1.2可變氣門正時系統

發動機轉速和負荷變化時，其進氣量、排氣量、進排氣流的流速、進氣及排氣行程的持續時間、氣缸內燃燒過程等都不一樣，對配氣相位和氣門升程的要求也不同。例如：轉速高時，進氣氣流流速高，慣性能量大，所以希望進氣門早些打開，晚些關閉，以便充分利用進氣氣流的慣性，使新鮮空氣盡量多一些充入氣缸;反之，在發動機轉速較低時，進氣流速低，慣性能量也小，如果進氣門遲閉角過大，會使已進入氣缸的新鮮氣體被壓縮行程中上行的活塞擠出氣缸;同樣，如果進氣門過早開啟，由于此時活塞正上行排氣，很容易把廢氣擠入進氣管中，使進氣中的殘余廢氣增多，新鮮氣體反而減少，使發動機工作不穩定。因此，沒有任何一種固定的配氣相位設置能讓發動機在高低轉速時都能獲得最佳的性能。可變氣門正時（VVT）系統通過改變發動機配氣相位，使發動機在各種轉速和負荷情況下都有良好的燃油經濟性、動力性及運轉穩定性，減少排放污染。東風雪鐵龍EW10A發動機（排量2.0L，配備于凱旋、世嘉和C5等車型）通過改變進氣凸輪軸轉動時間，進而改變所有進氣門開啟和關閉時刻，并最終改變氣門重疊角，以改善發動機低轉速扭矩輸出性能。

1.3可變氣門升程系統

發動機在運行過程中，氣門行程越大進氣截面積就越大，進氣阻力越小，氣缸的進氣越通暢，與汽車的高速行駛狀態非常匹配。但汽車行駛速度較慢時，進氣截面積越大，進氣負壓降低，從會造成發動機運轉無力或運行不平穩。同樣，氣門行程越小氣門越小，發動機能適應慢速運轉工況，不適應高速行駛的狀況，氣缸進氣和排氣不流暢。發動機的氣門行程與凸輪軸轉角長度有關，早期發動機氣門行程固定不變時，氣門行程一般根據發動機主要工況的設計。例如，賽車發動機在高轉速時強大的功率輸出易采用長行程設計，普通民用車兼顧高低轉速易采用適中氣門行程設計，固定氣門行程的發動機，不能滿足高低轉速區域的功率要求。造成發動機工作不穩定、功率損失或浪費燃料現象。采用可變行程技術的發動機，可根據轉速調解氣門行程。在發動機轉速較高時，使用長行程來增加氣門流通截面積，保證進氣流量。提高進氣效率;在發動機轉速較低時，使用長行程來減小氣門流通截面積，有利于在活塞下移數度較低使保證進氣負壓，產生更多的渦流，讓吸入汽缸內部的空氣和燃油快速混合均勻，讓燃燒更充分，提高低轉速時發動機輸出的扭矩。當前豐田汽車普遍使用的一項可變氣門升程技術就是VVT-i 智能可變氣門系統，該系統的主要功能是對發動機氣門運動進行連續的正時調節，但不能對氣門的開度大小進行控制。豐田汽車 VVT-i 智能可變氣門系統的主要工作原理是：當汽車由低速狀態切換為高速狀態時，行車電腦 ECU 會向凸輪控制下的小渦輪內擠壓機油，使小渦輪開始運轉，運轉方向是與凸輪相對進行的。這樣就可以使凸輪在前后 60°的范圍內進行旋轉，從而達到控制氣門開啟和閉合時間的目的，從而實現對氣門開啟的持續時間進行控制。這項技術的優點在于可以根據發動機所處工況對凸輪進行科學合理的控制，對凸輪軸的旋轉角度也能進行合理的調整，從而對發動機進氣量的分配達到最佳狀態，盡可能的提高燃油的燃燒效率，進一步提升汽車扭矩，提升汽車的各項基本性能。

1.4電子氣門技術

發動機在不同轉速下。對于氣門行程的需求差別非常大。在低速下，由于進氣量小，如果氣門行程很大，將無法產生足夠的進氣負壓，噴油器在噴油以后，無法與吸入的空氣充分混合，造成燃燒效率低，低速轉矩將大幅減小，而且排放也會增高。在這種情況下，應采用較小的氣門行程。由于氣門行程小，增加了進氣負壓，由此產生的大量渦流可以將混合氣充分混合，滿足低轉速下發動機的正常運轉。到了高轉速狀態下情況則恰好相反，此時的進氣量非常大，如果氣門行程過小，會導致進氣氣阻過大，無法吸入足夠的空氣，從而影響到動力的發揮。因此在高轉速下，就需要氣門行程較大，才能獲得最佳的配氣需求。為減小耗油量，寶馬車的可調式氣門機構導入發動機的空氣量不是通過節氣門而是通過進氣門的可調式升程調整的。通過電動可調偏心軸，由中間杠桿改變凸輪軸對滾子式氣門壓桿的作用，由此產生進氣門的可調式升程。節氣門只在起動時和應急運行時使用。在所有其他的運行狀態下節氣門均全開，幾乎無節流作用。電子氣門技術通過實現對氣門行程的無級調節，達到對發動機不同轉速狀態下，功率轉矩輸出的最佳均衡。

2進氣系統的設計研究

如今國內外的汽車生產商和制造商對于汽車進氣系統的設計研究已經有了一套很成熟的技術，對于進氣系統的研究，可以分三步走：根據對流體的模擬設計，充分利用有限容積的算法建立發動機模型;運用插入損失的計算公式進行進氣系統的插入損失分析，找出中心頻率;根據以上對中心頻率進行聲學元件設計。這種三步走的設計方法，可以從科學的角度出發，驗證進氣系統設計的可靠性和安全性。

3結束語

當今社會的不斷進步的同時，也對我們賴以生存的環境造成了許多負面影響。在這樣一個形勢影響下，未來的科技發展中汽車的低碳、節能、環保發展已經漸漸成為一種趨勢，汽車發動機進氣系統的發展研究，不僅有利于我們進一步了解發動機進氣系統的發展規律，還對未來汽車進氣系統的研究探索起到一定的指引作用，汽車油耗大、污染率高的弊端才能一步步得以解決。

參考文獻

[1]施佳輝，王東方，王燕，魯宜文.FSAE賽車發動機進氣系統設計與流場分析[J].輕工學報，2017，3205：66-73.

[2]張欣欣，文健康，馮策，祁華憲，李曉剛.FSAE賽車發動機進氣系統優化設計[J].農業裝備與車輛工程，2013，5109：20-24.

[3]岳貴平，張義民.基于試驗設計的發動機進氣系統動態優化設計[J].振動與沖擊，2011，3002：177-180.

（作者單位：長城汽車股份有限公司）