進氣諧振

由於進氣過程具有間歇性與周期性，致使進氣歧管內產生一定幅度的壓力波，此壓力波以聲速的形式在進氣系統內傳播和往復反射，如果利用一定長度和直徑的進氣歧管和一定容積的諧振室組成諧振進氣系統，並使其固有頻率與氣門的進氣周期協調，那么在特定轉速下，就會在進氣門關閉之前，在進氣歧管內產生大幅度的壓力波，使進氣歧管壓力增高，從而增加進氣量。這種效應稱為進氣波效應。這就是進氣諧振系統了。

基本介紹

• 中文名：進氣諧振
• 領域：汽車

簡介

足夠的空氣進入氣缸，是組織完善燃燒過程、提高發動機性能的前提，所以提高充氣係數是研究發動機工作過程的重要內容。通過合理設計進氣系統,充分利用進氣系統中的不穩定波動，即利用進氣管中充氣係數的動力效應提高充量是一種簡單而有效的方法，利用氣動效應產生諧振增加進氣量的進氣系統通常包括：進氣支管，諧振箱，諧振管(進氣總管)等部分組成。以六缸機為例,其進氣系統結構簡圖，如圖1所示。

圖1進氣系統結構簡圖

背景

隨著國家經濟與科學技術水平的發展,儘管車用發動機變得越來越完善,但人們對它的性能還是提出了新的要求。隨著能源的日益短缺和人們對環境污染問題的日益關注,要求新一代的發動機具有更高的動力性、經濟性和環保性能。

諧振原理

多缸機進氣支管並不是簡單地從外界吸入穩壓氣流。由於各缸在進氣過程中均會產生氣流波動,因此發動機進氣系統中的氣體波動是極其複雜的。

在進氣過程中,由於活塞的吸入作用,在進氣門入口處所形成的負壓波,經支管到達支管開口處時,遇到開口邊界條件,反射回一波形相反的正壓波,在該缸進氣衝程後期增加進氣。與此同時,支管開口反射回一壓力波,諧振管中的氣體也會受到負壓波的擾動,負壓波經諧振箱、總管傳至上游開口端,再反射回來。支管入口處壓力波形態取決於總管、外接管及上游耦合部件中複雜的氣流波動,故它不是自身負壓波的簡單眼射，而是由自身負壓波、上游各部件中氣體反射波以及來自各缸的負壓波在此處疊加而成。當該缸下次進氣產生的波與進氣系統內殘餘的波動相位吻合,各波合成效果為正壓波時,則有利於後續進氣,使充量係數增加;若相位不吻合甚至相反,則不利於進氣,充量係數降低。此即諧振進氣的基本原理。

參數的影響

諧振管管徑的影響

諧振管管徑不僅對發動機諧振頻率有影響,進而影響諧振轉速,還對諧振強度有影響。增大諧振管管徑,即增大諧振管橫截面積A,則對應的諧振轉速較高。同理,減小諧振管管徑,則對應的諧振轉速較低。

在發動機諧振轉速附近,若採用較大的諧振管直徑,可使諧振強度及最大充量係數增加。在偏離諧振轉速的低轉速區,採用相對較小的管徑,可使壓力波動幅值略大於直徑較大時產生的波形。其主要原因是諧振能量同時受到諧振系統內氣體的流速及摩擦阻力的影響。減小諧振管直徑,可以增加管內的流速,提高氣體的激發能量,增加諧振效應。但同時若管徑過小,摩擦阻力增加,反而削弱了諧振效果。

對於一定的諧振系統,綜合考慮氣體流速及摩擦阻力的影響存在一個最佳的諧振管直徑。對車用增壓柴油機,為增加諧振轉速範圍,使之在低於諧振轉速時仍有較好的充氣性能,以此來彌補低速時壓氣機壓力不足的問題,則不宜採用過粗的諧振管。若管徑過大則需增加諧振管長度,這需要根據具體的安裝空間來確定,諧振管直徑的下限受摩擦阻力的制約。

諧振箱容積的影響

諧振箱是各入射波和反射波的必經之道,是進氣系統利用諧振效應的一個重要部分。諧振箱與進氣管合理匹配,在諧振轉速,能夠使進氣壓力波形成諧振波形。因此,諧振箱容積對壓力波形態及諧振強度都有直接影響。增大諧振箱容積V,則對應的諧振轉速較高。同理,減小諧振箱容積,則對應的諧振轉速較低。增大諧振箱容積時,可使波形峰值變小,同時對應的諧振轉速範圍變寬。同理,較小的諧振箱容積,可使諧振波峰峰值較高,相應的諧振轉速範圍較窄。

這是因為,當進氣管不變和諧振箱容積增大時,整個諧振系統的自振頻率必然下降,系統諧振轉速向低速方向移動。而在低諧振轉速,由於活塞運行速度慢,其下行對氣流的吸入作用小,從而引起諧振系統的壓力波振幅減小。如此相互影響,最終導致進氣壓力波動減小,諧振效果也相應下降。當諧振箱容積過大時,便形成一穩壓腔,壓力波動很小,發動機也就很難產生諧振。然而,要獲得較高又合適的充氣效率特性,也不應採用過小的諧振箱容積,因為過小的諧振箱容積,會使氣流阻力增加,流動損失增大。因此,對於不同缸數和進氣管的發動機,應通過合理的計算比較,以求得諧振進氣時諧振箱容積的最佳範圍。

支管長度的影響

進氣支管是進氣系統中的重要組成部分,進氣支管長度既決定了進氣系統中慣性效應壓力波的相位,而且也影響波動效應壓力波的相位以及合成波傳遞到進氣門處的時間。合成波的相位應與配氣相位的關閉時刻配合,而合成波相位主要取決於支管長度,配氣相位的關閉時刻則與轉速有關。

對於不同的進氣系統,支管長度越短,合成波傳遞到進氣門處的時間越短,所對應的發動機諧振轉速越高。同理,支管越長,所對應的發動機諧振轉速越低。而對於某一台發動機,對於變速、變負荷的情況下,這一動力效應的利用通常只能針對常用工況。

研究方向

對於不可變的諧振進氣系統只能保證發動機在某一工況下具有良好的性能,無法在運行過程中進行調節,不能滿足在較大的轉速範圍都有很好的充氣效果的要求。因此,在發動機運行過程中,能夠調節進氣系統參數,改變自身頻率,使發動機在多個轉速附近都有很好諧振效果的可變諧振進氣系統在實際中受到越來越廣泛的重視。

優缺點

可變諧振進氣系統結構簡單,可靠性高,適用於汽車、拖拉機、機車等的發動機。可以在較寬廣的轉速範圍內產生進氣諧振,提高發動機充量係數,在發動機低速運行時,提升發動機扭矩,在高速運行時,提高發動機最大功率,而這只需要對原機進氣管稍加改變即可實現。該系統的缺點是:由於要充分利用氣體波動,導致諧振管路較長,會給發動機布置帶來一定困難。若使用無級可變長度進氣系統,還會有控制系統較為複雜,密封性差等問題。