可变进气（精选3篇）
可变进气 篇1
进气控制系统的功能主要是根据发动机转速和负荷的变化, 对发动机的进气进行控制, 从而提高发动机的充气效率、改变发动机的动力性。为了改善汽油机的性能, 先进的进气控制技术逐渐在汽车上得到应用, 其中主要包括动力阀控制、谐波增压控制和可变配气相位控制。这些改变了系统的充气效率, 提高了发动机的性能。下面对各系统分别进行介绍。
1. 动力阀控制系统
动力阀控制系统的功能是控制发动机进气道空气流通的截面大小, 以适应发动机不同转速和负荷时的进气量需求, 从而改善发动机的动力性。系统的工作原理如下:在低速、小负荷工况下, 进气量较少, 可以通过减小进气通道截面积增加进气流速来增加气缸内的涡流强度, 有利于燃烧热效率的提高, 从而改善发动机的低速性能。在高速、大负荷工况下, 进气量较多, 可以通过增大进气管空气流通截面来减小进气阻力, 增加充气效率, 有利于改善发动机在高速时的性能。进气管截面面积的改变是由动力阀来控制的。ECU控制的动力阀控制系统如图1所示。
动力阀安装在进气管上, 用来控制进气道空气流通截面大小。动力阀的开闭由膜片真空气室控制。真空气室由ECU根据传感器信号控制电磁阀通断来实现。当发动机处于小负荷低转速时, ECU根据信号控制电磁阀断电, 真空气室没有真空度, 动力阀处于关闭状态, 进气通道减小, 增大了进气流惯性, 提高了发动机的充气效率;当发动机处于高速、大负荷工况时, ECU控制真空电磁阀通电, 真空气室中有了真空度, 动力阀开启, 进气通道变大, 提高了充气效率, 改善了发动机的性能。
1-动力阀2-真空罐3-真空电磁阀4-ECU 5-膜片真空气室
1-真空电磁阀2-真空罐3-单向阀4-节气门5-真空驱动器6-进气控制阀7-空气滤清器
2. 谐波进气增压系统
谐波进气增压系统的功能就是根据发动机转速的变化, 改变进气歧管的长度, 改变进气管内压力波的传播距离, 以提高充气效率, 改善发动机性能。谐波进气增压系统工作原理如图2所示。
1-凸轮轴2-正时板3-中间摇臂4-次摇臂5-同步活塞6-正时活塞7-进气门
在进气管中增设了进气控制阀和大容量的进气室, 当发动机转速较低时, 同一气缸的进气门开启和关闭的间隔时间较长, 此时进气控制阀关闭, 使进气管内压力波的传递距离较长, 压力波反射回到进气门附近所需要的时间也较长, 从而使发动机在低速时得到较好的充气效果;当发动机转速较高时, 同一气缸的进气门开启和关闭的间隔时间较短, 此时进气控制阀开启, 由于大容量进气室的影响, 使进气管内压力波传递距离缩短, 压力波反射回到进气门附近所需要的时间也较短, 从而使发动机在高速时得到较好的充气效果。
3. 可变配气相位控制系统
可变配气相位控制系统是通过改变配气相位和气门升程来提高充气效率, 改善发动机性能。有多种控制方式可以实现对配气相位和气门升程的可变控制, 其中最常用的有液压控制方式、电子控制与电机执行方式及凸轮轴的轴向移动控制方式。
1.液压控制方式
液压控制系统主要由凸轮机构、主次气门、摇臂总成和电磁阀等结构组成, 如图3所示。凸轮机构中有3个凸轮, 它们的线性不同, 升程也不同。位于中间的凸轮速度最高, 称为中间凸轮, 它的升程最大。另2个凸轮是低速凸轮, 其中凸轮较高的一个称为主凸轮, 较低的一个称为次凸轮, 次凸轮的升程最小。中间凸轮的形状适应发动机高速时双进气门工作时的配气相位的要求。和3个凸轮相对应的摇臂分别称为中间摇臂、主摇臂和次摇臂。所需的2个气门分别安装在主、次摇臂上, 分别叫做主气门和次气门。中间摇臂不和任何气门直接接触。在工作过程中, 通过凸轮的不同升程来改变气门正时和气门升程。
这个机构的运作原理是这样的:发动机低速运转时, 3个摇臂独立运动。这时的两个气门分别由主次摇臂驱动, 主摇臂驱动主气门, 次摇臂驱动次气门。由于主凸轮升程长, 气门开度大, 所以进入气缸的混合气相对较多, 次凸轮升程较小, 气门开度小, 进入气缸的混合气相对较少。中间摇臂虽然受中间凸轮驱动, 但是对气门的动作没有影响。发动机中速运转时, 液压将主次两个摇臂连成一体, 但中间摇臂继续独立运动, 不能控制任何气门。由于主凸轮比次凸轮大, 那么连起来的摇臂实际上是受主凸轮驱动。结果, 两个进气门动作相同, 获得与低速时不同的配气正时和气门升程, 比低速时有更多的进气量。发动机高速运转时, 液压将3个摇臂连在一起, 3个摇臂同时动作。由于中间凸轮行程是最大的, 那么两个进气门都是受中间凸轮控制, 气门的开启时间和气门升程都增加, 改善了发动机高速性能。如图4所示。
2.电子控制与电机执行方式
电子控制与电机执行系统是在凸轮轴和每根摇臂之间设置了一个中间摇臂, 用来将凸轮轴的运动转化在气门摇臂上。中间摇臂上加入了电子控制与电机执行系统。在这个系统中有一个凸轮轴、一个偏心轮、滚轴和顶杆等装置, 由步进电机驱动。ECU通过接收的信号, 控制步进电机, 来改变偏心轮的偏移量。偏心轮偏移量不同会改变中间摇臂接触凸轮轴和气门摇臂的角度, 从而改变气门的升程。气门升程大时, 进气较多, 气门升程小时, 进气较少, 实现可变升程的气门开闭控制过程。结构图和简图如图5所示。
3.凸轮轴的轴向移动控制方式
一般的气门升程技术是通过改变摇臂的作动模式来完成气门的升程可变的, 气门升程可变也可以通过凸轮轴的轴向移动来切换不同升程的凸轮实现。凸轮轴轴向移动控制系统结构图如图6所示。
这套系统主要组成部分就是液压顶针。工作原理如下:当发动机低速运转时, 受液压控制的顶针处于收缩状态, 顶针与凸轮轴之间没有接触, 凸轮轴处于自由状态, 工作凸轮是低速凸轮。该凸轮升程小, 气门开度小, 所以进入气缸的混合气相对较少;当发动机在高速工况下, 液压顶针充油, 顶针向下方延伸, 顶针头卡在凸轮轴上的螺旋槽内。由于顶针是固定在气缸体上的, 因此随着凸轮轴继续旋转, 凸轮轴将会被顶针与螺旋槽共同作用往左推 (图中向左箭头方向) 。工作凸轮切换为高速凸轮, 该凸轮升程较大, 气门开度大, 进入气缸的混合气相对较多。而当顶针缩回去, 凸轮轴又将恢复自由状态, 也就是恢复使用低速凸轮驱动气门。这样就可以通过凸轮升程的改变而改变充气效率。
可变的气门正时和气门升程有利于混合气的燃烧, 既可以降低废气的排放, 又可以提高燃油经济性和发动机的动力性。随着各大汽车公司对各种先进进气控制技术的研究和使用, 发动机的充气效率得到了提高, 发动机的性能也会得到大幅度的提高。
某可变进气歧管仿真分析 篇2
为了充分利用进气波动效应和尽量缩小发动机在高、低转速运行时进气速度的差别,从而达到改善发动机经济性和动力性,特别是改善中低转速时的经济性和动力性的目的,要求发动机在高转速时装备粗短的进气歧管;而在中低转速时装备细长的进气歧管。可变进气歧管就是为适应这种要求而设计的。
我们将对某型可变进气歧管进行CFD计算,分析其在各工况下的进气均匀性是否满足设计要求。
1 可变进气歧管技术介绍
我们分析的可变进气歧管是一种双通道可变进气歧管,每个进气歧管都有两个进气通道,一长一短。根据汽油机的工作转速高低、负荷大小,由旋转阀控制空气经过哪一个通道流进气缸。当发动机在中、低速运转时,旋转阀将短进气通道封闭,见图1,新鲜空气将沿长进气通道进入气缸。
而当发动机在高速运转时,旋转阀将短进气道打开,使长进气道通道短路,将长进气通道改变为辅助进气通道。这时,新鲜空气同时经过两个进气通道进入气缸,见图2。
可变进气歧管技术与可变配气技术有些类似,但是可变进气歧管技术更注重低转速时的扭矩输出。与可变配气技术相比,可变进气歧管技术成本更低,它只需要一些简单的电磁阀和进气管的设计就能实现,目前在轿车上正得到越来越多的应用。
2 CFD分析设置及评价指标
2.1 计算模型
本次分析的对象为可变进气歧管,共有长管和短管,长管为常开,短管在高负荷时开启。因此在计算时把歧管分为两种状态,即在低负荷时长管开启(不包含短管模型)的模型和在高负荷时长短管同时开启的模型,见图3。
2.2 控制方程
流体流动要受物理守恒定律的控制,基本的守恒定律包括质量守恒定律、动量守恒定律以及能量守恒定律。控制方程就是这些守恒定律的数学描述。而进行模拟计算,实际上就是求解控制方程的过程。控制方程的通用形式可表示如下:
2.3 求解参数
计算采用稳态计算模式,离散格式选择迎风格式,压力与速度耦合算法选择SILMPLE。设定管内空气流动为可压缩粘性湍流流动,湍流模型选择四方程的k-zeta-f方程,并使用混合壁处理来描述壁面附近边界层流体速度、压力等的分布,且要求贴近壁面的网格的y+值在11~200之间,残差小于0.000 1。
2.4 边界条件
边界条件是指在求解域的边界上所求解的变量或其一阶导数随地点及时间变化的规律。只有给定了合理边界条件的问题,才能计算得出流场的解。因此,边界条件是使CFD问题有定解的必要条件,任何一个CFD问题都不可能没有边界条件。
文中的计算采用定压差法,即在每个歧管的进出口给出相同的压力条件,然后计算其流量系数,通过流量系数的大小分析进气均匀性是否满足设计要求。具体边界条件为进口设为总压,压力大小为0.1 MPa,进口温度为20℃。而出口设为静压边界,压力大小为97.5 k Pa。
2.5 评价指标
流量系数是评价流通能力的指标,流量系数越大,表明进气阻力越小,进气量越大,流通能力越强;反之则表明流通能力越差。流量系数的公式如下所示:
式中,mth为理论流量,R为气体常数(287.14k J/kg),T为温度,p为出口压力,p0为进口压力,Aref为出口面积,Ψ为流量因子,k为绝热指数(1.41),mcalc为计算所得流量,α为流量系数。
根据评价标准,流量系数的偏差必须控制在±2.5%以内。
3 结果分析
通过3 000个迭代步的计算,得到收敛解。图4为一缸进气时,两种歧管模型内部气流的分布情况。
从图4可以看出,在中低负荷时,由于短管关闭,气流仅从长管经过;而在高负荷时,由于长短管同时开启,气流不仅从长管经过,还有部分气流从短管经过。长短管同时开启,这也使得气流的流通面积增加,从而进气阻力变小,因此,进气的流量系数会比中低负荷长管开启短管关闭时要大。除了一缸进气时流量系数的结果如前所述一样,在其它各缸分别进气时,高负荷的流量系数也是明显高于中低负荷的流量系数。
具体计算结果详见图5、图6。
从图5、图6的计算结果来看,无论是在中低负荷长管开启、短管关闭时,还是在高负荷长短管同时开启时,四根支管的流量系数均非常接近,而高负荷时的流量系数要高于中低负荷的流量系数。从流量系数的偏差来看,均控制在±2.2%以内,满足控制在±2.5%以内的评价标准,因此,可以说进气均匀性良好,满足设计要求。
4 结束语
将CFD技术应用到进气歧管的设计过程中,能够细致地分析、研究气流在歧管内部的流动情况,为歧管的设计提供理论指导。这样不仅有利于减少样件的制作次数,节约研发成本,而且有利于缩短研发周期。
参考文献
[1]陈家瑞.汽车构造(上册)[M].北京:人民交通出版社,2003.
[2]王莉.发动机塑料进气歧管的应用现状与发展趋势[J].小型内燃机与摩托车,2007,(6
可变进气 篇3
全球气候变化一直是国际社会关注的重要环境问题, 世界各国都在为降低CO2排放做出积极努力。根据中国的碳排放目标, 预计到2020年, 单位国内生产总值CO2排放比2005年下降40%~45%。这些需求对汽车制造商及其产品带来不小挑战, 高性能进气歧管成为帮助他们应对这一需求的理想解决方案之一。
作为发动机进气系统最重要的周边部件之一, 进气歧管的核心功能是为发动机提供较高的容积效率, 使发动机效率和性能更具竞争力, 其结构和质量是影响发动机整体性能的关键因素。德国滤清专家曼胡默尔不仅拥有完整的滤清器产品和塑料产品, 而且在过滤和发动机塑料部件领域, 如进气歧管、油气分离器、曲轴箱通风系统等, 也同样拥有丰富的自主研发和生产经验, 为国内外各大主机厂提供高质量高性能的产品和解决方案。
专利技术有效降低油耗
在进气歧管方面, 曼胡默尔研发出业界领先的旋转阀专利技术, 通过切换长短气道, 运用压力脉动的原理, 兼顾不同转速下的发动机性能, 提升容积效率, 最大程度提升中低速转矩, 并在发动机高转速状态下大大提高发动机功率, 为汽车带来更有效的“肺活量”, 从而能够在功率输出相同的情况下, 比同类产品更为有效地提升发动机效率。
坚持创新研发满足客户需求
在采用先进技术 (如旋转阀开关) 的同时, 曼胡默尔在进气歧管的设计和生产工艺上, 几近百分之百进行了创新研发, 研发实力得到不断提升, 从而提供性能可靠的进气歧管产品, 满足客户的更高需求。
在进气歧管的设计上, 曼胡默尔拥有专业的设计团队, 在开发初期即采用了专业的仿真软件来验证进气歧管的功能。工程师们可以测算其在工作状态下的变形特性, 并根据气缸盖大小设计发动机接口, 确保密封牢固, 从而使设计出的进气歧管最大程度地改善发动机的动力性和容积效率。曼胡默尔还将主机厂的需求贯穿于进气歧管设计的始终, 要求设计人员必须全面而深入地了解发动机, 从而研发出符合需求的产品。
在进气歧管的生产工艺上, 除了使用目前应用最广泛的振动摩擦焊接工艺外, 曼胡默尔不断引进用于制造和装配流程的新技术, 如热气焊接技术等。这些新技术可以实现进气歧管的小型化和轻量化设计, 生产出清洁度更高的进气歧管。曼胡默尔还越来越多地应用旋转抽芯的模具技术, 能实现气道的一次注塑成型, 使内表面更为光滑, 从而减少甚至避免焊接工序, 来满足发动机日益严格的清洁度要求。
严格把控产品质量
作为发动机上最核心的部件之一, 进气歧管的检测至关重要, 在最终发布之前必须通过一些试验对其进行严格的质量检测以确保其功能和性能, 例如密封性测试、爆破压力试验、可变岐管阀片旋转功能试验以及热老化及耐久性试验等各种功能实验检测, 否则当其发生故障时会导致发动机工作不正常、制动无力、发动机自燃等严重事故。为了满足对质量检测的需求, 曼胡默尔采用MMS (曼胡默尔管理体系) 以确保工厂生产、质检等所有活动都能按照规范有条不紊地运作。另外曼胡默尔还投资了检测清洁度的先进实验室, 可以监测进气歧管内污染物颗粒的质量和尺寸。
紧扣市场脉搏引领行业发展
未来3~5年, 汽车行业对涡轮增压发动机的需求将持续增长, 同时对减少发动机空间占比、进气温度冷却等需求也在不断提升。曼胡默尔已经为满足这些需求做好了充足准备, 比如已经研发出可以承受200℃持续高温的塑料进气歧管。另外, 曼胡默尔正与其他主机厂一起开发集成中冷进气歧管, 已取得重要的阶段性成果, 很快也会投入到市场上使用。
凭借稳定质量和卓越服务, 曼胡默尔创新研发的进气歧管已经得到全球知名汽车制造企业的采用, 并不断获得好评。在传统发动机周边部件领域取得傲人成绩的同时, 曼胡默尔也早已投身目前汽车行业的前沿领域, 运用自身深厚的技术积淀和制造技术, 为节能减排持续做出自己的贡献。