可变进气管.doc

服务 自学手册212 VR系列发动机上的可变进气管道 工作原理极其运行工况描述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。上述两项性能的优劣同时也取决于发动机的充气效率以及进气通道几何形状设计的优良程度。高扭矩和高功率所要求的进气管道的几何参数或几何形状是不同的。具有中等管道直径的中等长度的进气管是一种择衷方案，但是具有可变几何参数的进气管才是一种优化方案。本自学手册较详细地解释和说明了可变几何参数进气管道的工作原理和设计方法，并阐述了利用此工作原理如何对发动机的扭矩和功率进行优化设计，以及该种进气管是如何影响空气供给的。以VR6发动机为例，用新型的可变进气管代替了传统的进气管，使其功率和扭矩得到了明显的提高。应用在这种VR6发动机上的可变进气管技术已经申请了专利权。在保持低油耗的基础上，高功率和大扭矩是现代轿车发动机的显著特点。这样的目标是如何实现的呢？功率P与发动机转速n和扭矩M的乘积成正比。通过增大发动机扭矩或提高发动机转速均可获得大的功率。发动机中的多种运动部件（如活塞、 n = 发动机转速（rpm）连杆、曲轴等）都会限制发动机转速 M = 扭矩（Nm）的提高。 9550 = 考虑各种因素及单位换算因此，只有扭矩仍具有提高发动机功 之后的常数率的潜力。为了提高发动机扭矩，既可以通过增大发动机排量来达到目标，也可以通mL过提高压缩比来实现。mth因为汽车消费税收通常是结合技术特 L = 点，按照发动机的排量大小征收的， mL = 实际进入气缸的空气质量所以，对一种特定排量的发动机来讲， mth= 理论空气量 要想提高其功率只能通过其它途径，也就是通过提高发动机工作效率的方法。发动机扭矩曲线作为其转速的函数代表了发动机的极限工作能力。我们可以使可燃混合气在恰当的时刻完全燃烧，从而在该工况下获得最大扭矩。但是，每一次的完全燃烧都需要有一个合适的空燃比来与之配合，发动机应随不同的转速来提供最佳的空气量。 容积效率（VE，在计算公式中用L表示）是对空气供给量的定量陈述。发动机上的空气通道进气系统承担着为发动机供气的任务，以便满足燃烧过程中所需的空气量。谐振管谐振腔发动机上某种空气通道的基本结构它能确保均匀地向各缸供气。对于带有化油器或节气门体喷射单元的发动机来说，燃油和空气的混合也是在进气管内完成的，通过进气管将该可燃混合气输送到各缸燃烧室。多点喷射系统中的进气管道只传送空气。这样就为设计者提供了更大的设计自由度，以便在设计进气支管时更好地利用气体自身的动力特性，进而提高充气效率。低压波开始谐振充气谐振充气原理根据谐振充气原理可以设计出一种高效进气管，它利用进气管道内的高压波和低压波的不同效应，极大地提高了气缸的容积效率。下面描述一下进气系统的工作过程。进气阀打开；活塞向下止点方向运动；低压波谐振管谐振箱低压波的传播此时在进气阀附近产生了一种低压波。该低压波沿着谐振管道向另一端传播，并向谐振箱内推进。在管道末端的低压波与谐振箱内的空气相互作用。压力波谐振管谐振箱高压波的产生和发展谐振箱容积内的空气压力近似等于周围环境大气压力。谐振箱内的空气压力远远高于谐振管开口端的气体压力。谐振管端现存的低压波将谐振箱内的空气吸引到谐振管口附近。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。该作用效果同时还有如下特点： 低压波在谐振箱侧的谐振管开口端发生反射作用。压力波谐振管“压力效应”充气这组高压波沿着谐振管道返回，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阀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这种“压力效应“充气之后，其容积效率（见第4页）可达到1.0，甚至更高。最终结果为，当进气阀即将关闭时，由于压力效应充气功能的作用避免了S = 常数（谐振管长度）缸内充量的回流。 v = 常数（声速）进气管内的低压波和高压波在进气管 t = ms内来回传播所需要的时间t是相等的，低压波高压波因为它们都以声速V传播。但是进气阀开启持续时间取决于发动机转速。随着发动机转速的升高，进气阀开启持续时间缩短，流进气缸的空气量减少。发动机转速越高，要求谐振管长度越短。一组从谐振管中返回的高压波将继续冲向已经关闭的进气阀，“压力效应”充气过程已不能再次发生。很显然，不同长度的谐振进气管道可以对不同转速下的充气效果进行优化。技术上的折衷方案就是设计出不同长度的谐振管！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。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谐振管的不同长度段，这就是所谓的可变进气管。 功率谐振箱谐振管扭矩谐振箱节流阀体进气歧管下体翻板位置变换执行器VR6 可变进气歧管功率谐振箱该种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。此外，谐振管长度的设计需考虑特定的气缸系列，因此往往采用某种折衷方案。VR5和VR6系列发动机的谐振管长度是不同的，具体区别见下表：谐振管长度（mm）VR5VR6扭矩管700770功率管330450考虑到装配原因，可变进气歧管被设计成上下两体。喷油器和油轨以及油压调节器都被集成安装在进气歧管下体上。进气歧管上体包含如下部件：谐振管、功率谐振箱、带有执行器的转换翻板、扭矩谐振箱、节流阀体等，其中节流阀体被安装在扭矩谐振箱上。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。在这里可以把它们分成扭矩管道和功率管道。扭矩管道沿着气缸盖上一条平顺的紧密的曲线管道流过，并且终止于扭矩谐振箱。功率管道沿着一条扭矩管道之上的扩展曲线流过，终止于第二个谐振箱，功率谐振箱，它位于扭矩管道体前部的顶部。通道转换翻板被插入安装在功率管道内，并且垂直于功率管道。它可以打开功率管道，进而顺序打开功率谐振箱。所有的VR系列发动机均准备采用一种塑料可变进气管。该种进气管较铸铝进气管更经济，更轻便，并能提供许多声学优点。 VR6发动机可变进气管的扭矩位置状态在扭矩位置的转换翻板扭矩管的有效长度扭矩管空气入口扭矩谐振箱 扭矩位置显示了发动机在低转速范围内的空气通道状态。容积效率扭矩位置（长管）发动机转速容积效率对比可变进气道不可变进气道容积效率改善效果气道转换翻板此时已经关闭了功率管道。气缸通过长长的扭矩管道从扭矩谐振箱直接吸入空气。该扭矩管道的有效长度（=谐振管长度）为770mm。在发动机中低转速范围内容积效率得到大幅度提高。VR6发动机可变进气管的功率位置状态功率管转换转速功率位置（短管）容积效率对比可变进气道不可变进气道容积效率改善效果 在特定的发动机转速点，转换翻板 旋转90。 这一过程打开了功率管，并与功率 谐振箱连通，从而使450mm长的 功率管投入工作。此时，扭矩管与 功率管同时向气缸提供新鲜空气。 功率谐振箱通过其余的处于非进 气行程的扭矩管及功率管同时补 充气源。 在进气行程开始时所产生的低压 波在功率管末端被反射回来。接功率管在功率位置的转换翻板功率谐振箱扭矩谐振箱功率管的有效长度 着它很快以高压波的形式传波到 进气阀附近。 缩短的谐振管能在 发动机的高转速区提高容积效率。 扭矩功率扭矩发动机转速（rpm）带可变进气管的功率曲线不带可变进气管的功率曲线带可变进气管的扭矩曲线不带可变进气管的扭矩曲线功率与扭矩的收益部分带和不带可变进气管的VR6发动机的功率和扭矩特性装有可变进气管的VR6发动机在中、低转速范围内，其扭矩和功率的收益非常明显（VR5发动机从投产开始就装有可变进气管）。伴随着频繁使用高速档，而减少倒拖功率的损失，更高的扭矩储备能使驾驶者在发动机的中、低转速范围内实现较放松的驾驶方式，而且节省燃油消耗。其结果必然是进气管转换翻板很少动作。在进气管转换翻板和壳体之间容易积存一些灰尘和油污之类的杂质，它使得翻板运动不灵活。为确保翻板运转的灵活性，在产品开发阶段通过设定一额外的转换点将翻板的转换概念扩展了一步。进气管翻板位置在1100rpm转速以前一直保持在功率位置，在此以后才转换成扭矩位置。这个附加的翻板转换点使得翻板频繁动作，从而促使翻板与进气管壳体之间不易胀污。全负荷功率与扭矩位置转换点转换翻板在扭矩位置以VR5 2V发动机的转换点为例更进一步的发展 随发动机负荷而改变的转换概念 根据这一概念，进气管翻板转换点取决于发动机负荷。在全负荷以下，转换翻板都在功率位置。发动机停机时，翻板也在功率位置。为达到最大的气缸充气量，在发动机达到全负荷以前进气管转换翻板都不会转到扭矩位置。因为此时谐振管的谐振效应较弱，在部分负荷的情况下谐振充气效果明显变差。对于相同的功率需求，发动机可以运转在较低的负荷下。进气管内的气体动力性特点被削弱了，由此也就降低了燃烧室的充气效率。功率空气箱和进气管转换翻板进气管转换翻板与功率谐振箱壳体之间的径向间隙对VR5发动机扭矩特性的影响。最大扭矩点移向高转速区。在功率区间内（打开功率管），这种空气间隙对性能没有太大影响。功率谐振箱转换翻板进气管（功率管）转换翻板在扭矩位置时的VR5发动机上安装的可变进气管控制进气管转换的开启机构固定在进气管上体上，它根据设计时的转换原则工作。转换翻板对于每一条功率管道都有一条单独的通道。在功率位置，转换翻板中的通道就变成了功率管的一部分。转换翻板是塑料件，并通过弹性支撑固定。由于进气管与转换翻板冷热膨胀系数的不同，这样对翻板是否能够保证灵活运转提出了更高的要求。为确保翻板运转的灵活性，在翻板与功率谐振箱壳体间留有一定的径向间隙是必要的，但是该间隙不能太大。即使是极小的空气间隙也会对既定的扭矩目标值造成重大损失。这种损失是由于管道中的反射波的能量损失导致的。功率谐振箱转换翻板关闭扭矩管功率谐振箱的补气过程注意：被关闭的转换翻板=扭矩位置此时每个气缸通过各自相关的扭矩管直接从扭矩谐振箱获得新鲜空气充量。功率谐振箱对所有气缸都处于关闭状态。它对气缸的容积效率没有任何影响， 且其箱内也没有被充气。被打开的转换翻板=功率位置功率谐振箱转换翻板打开功率管当转换通道打开时，转换翻板就把功率管和功率谐振箱连接起来。正处在吸气行程中的气缸主要从功率管中获得新鲜空气，当然也从扭矩管中获得部分空气。翻板处在功率位置时，功率谐振箱通过其余没有处于吸气行程中的进气歧管来获得补充空气。气流在谐振箱中获得了很高的流动速度。从总体的设计角度出发，单单为了给功率谐振箱充气而将扭矩谐振箱和功率谐振箱直接连通起来是没有必要的。 气流在谐振箱中运动过程实例。 当曲轴转角为555时，气流从 3缸支管流向1缸支管。 当曲轴转角为605时，2缸进气 行程开始，并产生一反向气流。真空单元进气管转换电磁阀N156进气管/扭矩谐振箱通向其它真空源需求部件单向阀真空罐真空管气动开关进气管的转换是通过真空力来实现的。发动机电脑通过直接控制转换电磁阀N156，从而间接控制气动执行器，最终实现进气管的转换过程。真空源取自进气管扭矩谐振箱。真空能量被储存在真空罐中，单向阀用来阻止真空泄漏。当发动机停机或怠速运转时，转换翻板处于功率位置，也就是说进气管处于短管状态。这一位置是通过压缩弹簧来保持的。进气管转换电磁阀将真空能量封锁在真空单元中。当进气管转换电磁阀被激活时，真空能操作杆压缩弹簧隔膜连接到转换电磁阀的真空管路上真空单元量便被送到真空单元中。当压缩弹簧的张紧力被克服以后，隔膜与连接杆同时被拉下。转换翻板则翻转90角。此时，扭矩位置进入工作状态。进气管转换阀N156功能进气管转换阀是一个电磁阀。发动机电脑根据负荷和转速信号的变化情况控制该电磁阀的打开与关闭。大气压力泡沫状塑料过滤器电磁线圈磁 杆（阀杆）通往真空单元来自真空罐阀盘大气压力可直接作用于磁杆上。磁杆借助于橡胶阀盘将通往真空单元的真空源封住。当电磁阀通电时，阀杆被吸起，真空源被打开。大气压力入口处的过滤器是为了防止胀物进入阀杆影响阀杆正常运动。应急操作如果没有控制信号，通往真空单元的真空源被封住。较短的进气管一直保持工作状态，没有替代功能。自诊断 电路图自诊断可执行下列功能： J17 燃油泵继电器02 故障查询 J220 发动机ECU 对地短路 N156 进气管转换阀 对正极短路 S 保险 开路03 执行元件诊断可变进气管和它的转换功能执行器是免维护的。当发动机表现出功率不足时，有必要检查可变进气管的转换功能： 通过自诊断检查进气管转换阀的工作状态可通过02故障查询及03执行元件诊断功能来分