汽车发动机进气系统的发展研究
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摘要：汽车发动机进气系统的发展主要经历了谐波增压进气系统、可变气门正时系统、可变气门升程系统和电子气门技术三个阶段，接下来我们针对这三种系统来进行逐一分析。
关键词：汽车发动机;进气系统;发展研究
1进气系统的发展
1.1增压进气系统
涡轮增压是一种利用内燃机云状产生的废气驱动空气压缩机。增压装置可以在发动机工作容积和转速不变的条件下，通过压缩供燃料燃烧所需的空气，提高进入气缸内的空气质量流量，进而提高发动机功率密度。增压系统的组成不仅包括增压器主体、中冷器、增压冷却管路硬件主体，还包括增压压力传感器、空气流量计、转速传感器、爆震传感器、油门踏板位置（节气门及节气门位置传感器）、喷油器、点火线圈等各类电子传感器进行信号反馈。增压器主体还包含废气旁通阀与进气泄压阀，EMS系统通过电子油门踏板（踏板开度）、转速等电子传感器反馈信号判断驾驶员对发动机动力需求，从而输出一个增压占空比，控制增压器主体的废气旁通阀的开度，从而使更多的排气进入到废气涡轮侧，增大增压强度，使进气压力达到目标压力，提高发动机功率。当 EMS 从各个电子传感器中接收到车辆不需要增压动力时，此时 EMS 输出增压占空比为 0，排气从旁通管路排出，增压器不再对进气进行增压;EMS 同时控制增压器上的进气泄压阀打开，使进气压力快速降到非增压水平，使发动机功率快速降到目标功率。增压器的固有特性决定了增压器能达到的最大增压强度。增压器的固有特性包括了增压器允许的最大转速与增压器的喘振线。当发动机选用了某款增压器，此时增压系统的固有特性已经确定。发动机台架标定根据增压器允许的最大转速与增压器的喘振线来标定各个功率转速下的最大增压比。发动机完成台架标定后，增压器的基本控制方向已经确定。
1.2可变气门正时系统
发动机转速和负荷变化时，其进气量、排气量、进排气流的流速、进气及排气行程的持续时间、气缸内燃烧过程等都不一样，对配气相位和气门升程的要求也不同。例如：转速高时，进气气流流速高，惯性能量大，所以希望进气门早些打开，晚些关闭，以便充分利用进气气流的惯性，使新鲜空气尽量多一些充入气缸;反之，在发动机转速较低时，进气流速低，惯性能量也小，如果进气门迟闭角过大，会使已进入气缸的新鲜气体被压缩行程中上行的活塞挤出气缸;同样，如果进气门过早开启，由于此时活塞正上行排气，很容易把废气挤入进气管中，使进气中的残余废气增多，新鲜气体反而减少，使发动机工作不稳定。因此，没有任何一种固定的配气相位设置能让发动机在高低转速时都能获得最佳的性能。可变气门正时（VVT）系统通过改变发动机配气相位，使发动机在各种转速和负荷情况下都有良好的燃油经济性、动力性及运转稳定性，减少排放污染。东风雪铁龙EW10A发动机（排量2.0L，配备于凯旋、世嘉和C5等车型）通过改变进气凸轮轴转动时间，进而改变所有进气门开启和关闭时刻，并最终改变气门重叠角，以改善发动机低转速扭矩输出性能。
1.3可变气门升程系统
发动机在运行过程中，气门行程越大进气截面积就越大，进气阻力越小，气缸的进气越通畅，与汽车的高速行驶状态非常匹配。但汽车行驶速度较慢时，进气截面积越大，进气负压降低，从会造成发动机运转无力或运行不平稳。同样，气门行程越小气门越小，发动机能适应慢速运转工况，不适应高速行驶的状况，气缸进气和排气不流畅。发动机的气门行程与凸轮轴转角长度有关，早期发动机气门行程固定不变时，气门行程一般根据发动机主要工况的设计。例如，赛车发动机在高转速时强大的功率输出易采用长行程设计，普通民用车兼顾高低转速易采用适中气门行程设计，固定气门行程的发动机，不能满足高低转速区域的功率要求。造成发动机工作不稳定、功率损失或浪费燃料现象。采用可变行程技术的发动机，可根据转速调解气门行程。在发动机转速较高时，使用长行程来增加气门流通截面积，保证进气流量。提高进气效率;在发动机转速较低时，使用长行程来减小气门流通截面积，有利于在活塞下移数度较低使保证进气负压，产生更多的涡流，让吸入汽缸内部的空气和燃油快速混合均匀，让燃烧更充分，提高低转速时发动机输出的扭矩。当前丰田汽车普遍使用的一项可变气门升程技术就是VVT-i 智能可变气门系统，该系统的主要功能是对发动机气门运动进行连续的正时调节，但不能对气门的开度大小进行控制。丰田汽车 VVT-i 智能可变气门系统的主要工作原理是：当汽车由低速状态切换为高速状态时，行车电脑 ECU 会向凸轮控制下的小涡轮内挤压机油，使小涡轮开始运转，运转方向是与凸轮相对进行的。这样就可以使凸轮在前后 60°的范围内进行旋转，从而达到控制气门开启和闭合时间的目的，从而实现对气门开启的持续时间进行控制。这项技术的优点在于可以根据发动机所处工况对凸轮进行科学合理的控制，对凸轮轴的旋转角度也能进行合理的调整，从而对发动机进气量的分配达到最佳状态，尽可能的提高燃油的燃烧效率，进一步提升汽车扭矩，提升汽车的各項基本性能。
1.4电子气门技术
发动机在不同转速下。对于气门行程的需求差别非常大。在低速下，由于进气量小，如果气门行程很大，将无法产生足够的进气负压，喷油器在喷油以后，无法与吸入的空气充分混合，造成燃烧效率低，低速转矩将大幅减小，而且排放也会增高。在这种情况下，应采用较小的气门行程。由于气门行程小，增加了进气负压，由此产生的大量涡流可以将混合气充分混合，满足低转速下发动机的正常运转。到了高转速状态下情况则恰好相反，此时的进气量非常大，如果气门行程过小，会导致进气气阻过大，无法吸入足够的空气，从而影响到动力的发挥。因此在高转速下，就需要气门行程较大，才能获得最佳的配气需求。为减小耗油量，宝马车的可调式气门机构导入发动机的空气量不是通过节气门而是通过进气门的可调式升程调整的。通过电动可调偏心轴，由中间杠杆改变凸轮轴对滚子式气门压杆的作用，由此产生进气门的可调式升程。节气门只在起动时和应急运行时使用。在所有其他的运行状态下节气门均全开，几乎无节流作用。电子气门技术通过实现对气门行程的无级调节，达到对发动机不同转速状态下，功率转矩输出的最佳均衡。
2进气系统的设计研究
如今国内外的汽车生产商和制造商对于汽车进气系统的设计研究已经有了一套很成熟的技术，对于进气系统的研究，可以分三步走：根据对流体的模拟设计，充分利用有限容积的算法建立发动机模型;运用插入损失的计算公式进行进气系统的插入损失分析，找出中心频率;根据以上对中心频率进行声学元件设计。这种三步走的设计方法，可以从科学的角度出发，验证进气系统设计的可靠性和安全性。
3结束语
当今社会的不断进步的同时，也对我们赖以生存的环境造成了许多负面影响。在这样一个形势影响下，未来的科技发展中汽车的低碳、节能、环保发展已经渐渐成为一种趋势，汽车发动机进气系统的发展研究，不仅有利于我们进一步了解发动机进气系统的发展规律，还对未来汽车进气系统的研究探索起到一定的指引作用，汽车油耗大、污染率高的弊端才能一步步得以解决。
参考文献
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[2]张欣欣，文健康，冯策，祁华宪，李晓刚.FSAE赛车发动机进气系统优化设计[J].农业装备与车辆工程，2013，5109：20-24.
[3]岳贵平，张义民.基于试验设计的发动机进气系统动态优化设计[J].振动与冲击，2011，3002：177-180.
（作者单位：长城汽车股份有限公司）
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