摘 要：發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和功率輸出對該發(fā)動(dòng)機(jī)的性能特點(diǎn)具有重大影響，這兩項(xiàng)性能的優(yōu)劣主要取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率。除了配氣會影響發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率外，還有一個(gè)不容忽視的影響進(jìn)氣的因素就是進(jìn)氣管。本文介紹了諧振充氣原理與可變進(jìn)氣管技術(shù)。
　　關(guān)鍵詞：諧振波 可變進(jìn)氣管
　　中圖分類號：U464文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791（2012）09（a）-0239-01
　　發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和功率輸出對該發(fā)動(dòng)機(jī)的性能特點(diǎn)具有重大影響，這兩項(xiàng)性能的優(yōu)劣主要取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率。除了配氣會影響發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率外，還有一個(gè)不容忽視的影響進(jìn)氣的因素就是進(jìn)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(zhì)量的流體，而流體是在進(jìn)氣管中流過的，根據(jù)流體力學(xué)和震動(dòng)學(xué)的原理來優(yōu)化進(jìn)氣管的設(shè)計(jì)對于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的吸氣效率是非常重要的。具體方法有：把進(jìn)氣歧管內(nèi)壁加工得非常光滑來減小氣阻，也可以設(shè)計(jì)特殊的進(jìn)氣道形狀讓流體阻力得到優(yōu)化，還可以減小空氣濾清器的吸氣阻力等等。這些都是傳統(tǒng)對進(jìn)氣管的優(yōu)化方法，現(xiàn)在大部分車都是這樣做的。本文將介紹技術(shù)含量更高的進(jìn)氣管優(yōu)化方法，即利用諧振充氣原理的可變進(jìn)氣管技術(shù)。
　　1 進(jìn)氣歧管長度對進(jìn)氣的影響
　　四行程發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸每旋轉(zhuǎn)兩圈為一個(gè)周期，而這個(gè)周期的1/4的時(shí)間是用來進(jìn)氣的，即在一個(gè)周期內(nèi)1/4的時(shí)間進(jìn)氣門打開，剩下的3/4的時(shí)間進(jìn)氣門是關(guān)閉的。這就造成進(jìn)氣管內(nèi)的空氣存在一定的進(jìn)氣頻率。所以我們不妨把它假設(shè)成震動(dòng)來進(jìn)行分析。根據(jù)震動(dòng)學(xué)的原理，當(dāng)震動(dòng)物體的震動(dòng)周期和頻率與他的固有周期和固有頻率頻率相同時(shí)，震動(dòng)能量最大，震動(dòng)波疊加，即為共振。對于震動(dòng)的物體而言共振的能量是最大的。
　　如果把進(jìn)氣看成是震動(dòng)，則當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的吸氣頻率與進(jìn)氣管中空氣的固有頻率相同時(shí)，進(jìn)氣能量最大。但發(fā)動(dòng)機(jī)的吸氣頻率是隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化的。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高時(shí)，吸氣頻率也高；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，吸氣頻率就隨之降低了。那怎么樣才能讓進(jìn)氣管內(nèi)的空氣的固有頻率能與發(fā)動(dòng)機(jī)的吸氣頻率保持一致呢？最可行的辦法就是改變進(jìn)氣管的長度。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于低轉(zhuǎn)速時(shí)使用長進(jìn)氣管，因?yàn)檫M(jìn)氣管越長，空氣在管內(nèi)的震動(dòng)頻率越低，只要長度與轉(zhuǎn)速相匹配就能得到最大的進(jìn)氣能量；反之，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于高轉(zhuǎn)速時(shí)，由于吸氣頻率高，所以就要換上較短的進(jìn)氣管來提高空氣在進(jìn)氣管內(nèi)的固有頻率，得到最大的進(jìn)氣能量。
　　2 諧振充氣原理
　　當(dāng)進(jìn)入進(jìn)氣行程時(shí)，進(jìn)氣門打開，活塞向下止點(diǎn)方向運(yùn)動(dòng)；此時(shí)，氣缸內(nèi)開始產(chǎn)生真空度，首先在進(jìn)氣門附近產(chǎn)生了一種低壓波。隨著進(jìn)氣管內(nèi)的空氣逐漸的被吸入氣缸，此低壓波沿著進(jìn)氣管道向另一端傳播，并向諧振箱推進(jìn)。當(dāng)?shù)蛪翰▊髦凉艿滥┒藭r(shí)與諧振箱內(nèi)的空氣相互作用。（如圖1～4）
　　由于諧振箱體積較大，且箱內(nèi)的空氣壓力近似等于周圍環(huán)境大氣壓力。因此，諧振箱內(nèi)的空氣壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于進(jìn)氣管開口端的氣體壓力，進(jìn)氣管端現(xiàn)存的低壓波將諧振箱內(nèi)的空氣吸引到進(jìn)氣管口附近。在低壓波自身內(nèi)力的作用下，空氣被同時(shí)吸進(jìn)諧振管內(nèi)，與此同時(shí)便在諧振管內(nèi)產(chǎn)生一組同樣大小的高壓波，此高壓波向進(jìn)氣閥方向傳播。即低壓波在諧振箱側(cè)的進(jìn)氣管開口端發(fā)生了反射作用。
　　這組高壓波沿著進(jìn)氣管道返回，并將一部分空氣通過仍然開啟的進(jìn)氣閥壓進(jìn)氣缸。這個(gè)過程一直持續(xù)到進(jìn)氣門前的氣體壓力與缸內(nèi)壓力相同為止。
　　采用該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過諧振充氣之后，其充氣效率可達(dá)到1.0，甚至更高，且避免了當(dāng)進(jìn)氣門即將關(guān)閉時(shí)的缸內(nèi)新鮮氣體的回流。
　　進(jìn)氣管長度一定的情況下，進(jìn)氣管內(nèi)的低壓波和高壓波在進(jìn)氣管內(nèi)來回傳播所需要的時(shí)間是相等的，但是進(jìn)氣門開啟持續(xù)時(shí)間卻是變化的，它取決于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，進(jìn)氣門開啟持續(xù)時(shí)間縮短，流進(jìn)氣缸的空氣量減少，若低壓波和高壓波傳播的時(shí)間不變，則將會導(dǎo)致在高壓波傳入氣缸前，進(jìn)氣門已經(jīng)關(guān)閉，使得諧振充氣無法進(jìn)行。
　　所以，要滿足不同轉(zhuǎn)速區(qū)域的需要，就必須設(shè)計(jì)出不同長度的進(jìn)氣管。長的進(jìn)氣管道（扭矩段）對應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)低速到中等轉(zhuǎn)速的性能特點(diǎn)，而短的進(jìn)氣管道（功率段）對應(yīng)于發(fā)動(dòng)機(jī)高速區(qū)的性能特點(diǎn)。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化來開啟或關(guān)閉進(jìn)氣管的不同長度段，這就是所謂的可變進(jìn)氣管。
　　3 大眾VR系列發(fā)動(dòng)機(jī)的可變進(jìn)氣管
　　大眾VR系列發(fā)動(dòng)的可變進(jìn)氣管被設(shè)計(jì)成一種帶有可變通道長度的頂置式進(jìn)氣歧管，氣缸蓋上的進(jìn)氣道先與進(jìn)氣歧管的下體相通，然后再與進(jìn)氣管上體上的諧振管相通。諧振管的兩側(cè)各有一個(gè)諧振箱，分別為功率諧振箱和扭矩諧振箱。兩個(gè)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(jìn)氣門至扭矩諧振箱，功率管道為進(jìn)氣門至功率諧振箱。在功率管道入口處安裝有通道轉(zhuǎn)換翻板，當(dāng)翻板打開時(shí)，功率管道接通，反之則關(guān)閉。
　　VR系列發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)其進(jìn)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(shù)來完美的實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速或負(fù)荷區(qū)域的充氣效率，實(shí)現(xiàn)自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓效果，與豐田的諧波增壓進(jìn)氣控制系統(tǒng)（ACIS）有異曲同工之妙。
　　4 奔馳發(fā)動(dòng)機(jī)的可變進(jìn)氣管
　　奔馳發(fā)動(dòng)機(jī)的可變進(jìn)氣管采用的是進(jìn)氣管長度可變技術(shù)，進(jìn)氣管制作成螺旋形通道，通道內(nèi)置一控制閥。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于低轉(zhuǎn)速區(qū)域時(shí)，控制閥關(guān)閉，空氣流經(jīng)螺旋形通道后進(jìn)入氣缸，此時(shí)為長進(jìn)氣管狀態(tài)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于高轉(zhuǎn)速區(qū)域時(shí)，控制閥開啟，讓空氣不經(jīng)螺旋通道而直接進(jìn)入氣缸，此時(shí)為短進(jìn)氣管狀態(tài)。采用了可變進(jìn)氣管技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)就能在高低轉(zhuǎn)速區(qū)域時(shí)都能保持良好的進(jìn)氣效率，而進(jìn)氣效率的提高即使發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)工作效率也就提高了，使發(fā)動(dòng)機(jī)更節(jié)能，更環(huán)保，動(dòng)力更強(qiáng)