進(jìn)氣歧管應(yīng)用及發(fā)展*
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顏燁強(qiáng)，尹凝霞，紀(jì)宏文，洪宏敏
（廣東海洋大學(xué)工程學(xué)院，廣東 湛江 524088）
摘要：筒述了發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管的作用，從材料和結(jié)構(gòu)兩方面描述了進(jìn)氣歧管的應(yīng)用現(xiàn)狀，最后指出了進(jìn)氣歧管的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：進(jìn)氣歧管；發(fā)動機(jī)；應(yīng)用中圖分類號：U464. 134+.4
0 引言
進(jìn)氣歧管是發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的重要組成部分，其一端與進(jìn)氣總管后的進(jìn)氣諧振室相連，另一端則與進(jìn)氣門相連，其主要功能是將清潔的空氣分配到各進(jìn)氣道，進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)的合理與否會影響到發(fā)動機(jī)的充氣效率和換氣損失，進(jìn)而影響到發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性。良好的進(jìn)氣歧管使進(jìn)入各氣缸的空氣更加均勻，同時，還能滿足當(dāng)前發(fā)動機(jī)乃至汽車的發(fā)展需求。
1 進(jìn)氣歧管的材料
隨著石油資源的日益枯竭和排放法規(guī)的日益嚴(yán)苛，汽車材料向輕量化與環(huán)�；较虬l(fā)展，汽車自重每減少10%．燃油消耗可降低6%～8%，因此，塑化汽車已成為當(dāng)今汽車制造業(yè)的一大趨勢。
在發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)中，由于進(jìn)氣端溫度較低，復(fù)合材料成為進(jìn)氣歧管材質(zhì)的熱門首選，這是因?yàn)槠滟|(zhì)量輕、內(nèi)部光滑，可有效減少阻力、提高進(jìn)氣效率。
進(jìn)氣歧管的主要功能是把清潔的空氣盡可能均勻分配到各個氣缸，為此進(jìn)氣歧管內(nèi)氣體流道長度應(yīng)盡可能相等，同時為了減少氣體流動阻力，提高進(jìn)氣能力，進(jìn)氣歧管內(nèi)壁應(yīng)盡可能光滑。
進(jìn)氣歧管形狀復(fù)雜，傳統(tǒng)進(jìn)氣歧管主要由鑄鐵或鋁合金等金屬材料鑄造而成，存在表面粗糙、充氣阻力大、質(zhì)量重等缺點(diǎn)。為減輕發(fā)動機(jī)乃至汽車質(zhì)量、降低發(fā)動機(jī)油耗、提高發(fā)動機(jī)性能，具有質(zhì)量輕、價格低特點(diǎn)的塑料材質(zhì)進(jìn)氣歧管應(yīng)運(yùn)而生。
進(jìn)氣歧管作為發(fā)動機(jī)的一個組成部分，需要承受發(fā)動機(jī)苛刻的工作條件，雖然進(jìn)氣端溫度較低，但因發(fā)動機(jī)艙內(nèi)溫度較高，因此為保證進(jìn)氣歧管可長期穩(wěn)定工作，材料需耐熱（可承受120℃高溫）、耐老化；同時為了使進(jìn)氣歧管能承受一定的真空負(fù)荷，因此進(jìn)氣歧管材料需具有一定的抗拉強(qiáng)度和剛性，以減小振動。
歐洲汽車商( Porsche)于1972年率先制造出尼龍進(jìn)氣歧管并應(yīng)用于Porsche 911運(yùn)動型車上，此后美國、日本等發(fā)達(dá)國家先后研制成功塑料進(jìn)氣歧管，并得到廣泛推廣應(yīng)用，其質(zhì)量比鋁合金進(jìn)氣歧管減少了45%，比鑄鐵材質(zhì)減少得更多，大約只相當(dāng)于鑄鐵進(jìn)氣歧管的25%。
與金屬進(jìn)氣歧管相比，塑料進(jìn)氣歧管不僅減少了重量，而且其內(nèi)壁可加工制造的非常光滑，進(jìn)而可大幅減少進(jìn)氣阻力；同時塑料進(jìn)氣歧管導(dǎo)熱性低，氣體受熱膨脹率亦相應(yīng)降低，可增大進(jìn)入缸內(nèi)的氣體密度。
塑料進(jìn)氣歧管發(fā)展過程中存在的問題是：制造工藝難度較大，可靠性有待提高，并且噪聲較大，這些也限制了塑料進(jìn)氣歧管的發(fā)展，尤其是在奢華轎車上的應(yīng)用。于是出現(xiàn)了鎂合金進(jìn)氣歧管，其比鋁合金進(jìn)氣歧管質(zhì)量輕，比塑料進(jìn)氣歧管噪聲小，且資源豐富。
2進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)
進(jìn)氣歧管的長度和管徑是發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的重要參數(shù)，傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)參數(shù)固定不變，是兼顧各種工況下的一種折中，但進(jìn)氣歧管的這種結(jié)構(gòu)只能使得發(fā)動機(jī)在某一工況下取得較好的效果，而不能使得發(fā)動機(jī)在各種工況下的性能均較優(yōu)。隨著發(fā)動機(jī)的快速發(fā)展和排放法規(guī)的日益嚴(yán)苛，發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速與高轉(zhuǎn)速、大負(fù)荷與小負(fù)荷下的矛盾越發(fā)突出，為了提高發(fā)動機(jī)性能，進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)需隨轉(zhuǎn)速與負(fù)荷改變。
雖然進(jìn)氣歧管長度、直徑、安裝位置及管道結(jié)構(gòu)都會影響到進(jìn)氣歧管的脈動效應(yīng)，進(jìn)而影響到發(fā)動機(jī)的充氣效率，但目前只有進(jìn)氣歧管長度改變是相對容易做到的，進(jìn)氣歧管長度通�？砂聪率竭M(jìn)行估算：
式中：n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，r／min；C為聲波傳遞速度，m/s；Φ為進(jìn)氣門持續(xù)角，(。)；L為進(jìn)氣歧管長度，m。
對于增壓進(jìn)氣歧管，進(jìn)氣管內(nèi)壓力大于大氣壓，延長進(jìn)氣管長度則可增加進(jìn)氣阻力，其進(jìn)氣歧管一般為固定結(jié)構(gòu)式。
2.1 二級調(diào)節(jié)進(jìn)氣歧管
理論上對應(yīng)每一轉(zhuǎn)速都有一最佳進(jìn)氣歧管長度，現(xiàn)在所用的可變進(jìn)氣歧管，通常是設(shè)計(jì)了不同長度的進(jìn)氣歧管對應(yīng)發(fā)動機(jī)的不同轉(zhuǎn)速，通過電控單元控制轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)進(jìn)氣歧管長度的目的，以滿足不同轉(zhuǎn)速下不同進(jìn)氣歧管長度的要求。實(shí)際中轉(zhuǎn)速是可連續(xù)變化的一系列值，要設(shè)計(jì)一系列長度的進(jìn)氣歧管來對應(yīng)連續(xù)變化的轉(zhuǎn)速，以期每個轉(zhuǎn)速都獲得最佳的充氣效率也是不現(xiàn)實(shí)的，所以，實(shí)際中使用的可變進(jìn)氣歧管只是相對固定長度的進(jìn)氣歧管進(jìn)行了變化，是在考慮了高轉(zhuǎn)速與低轉(zhuǎn)速對進(jìn)氣歧管長度的不同要求，而折中選擇了一組長度的進(jìn)氣歧管，這一組長度的進(jìn)氣歧管只對應(yīng)這一組轉(zhuǎn)速，并不是對應(yīng)整個發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都取得最佳的進(jìn)氣歧管長度，這一組值中選擇的值越多，發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時采用最佳進(jìn)氣歧管長度的時間就越多，當(dāng)然也給控制帶來了難度，所以折中起來，多數(shù)可變進(jìn)氣歧管只選擇兩個轉(zhuǎn)速的進(jìn)氣歧管長度來進(jìn)行變化，即如圖1所示的短進(jìn)氣歧管對應(yīng)較高轉(zhuǎn)速和如圖2所示的長進(jìn)氣歧管對應(yīng)較低轉(zhuǎn)速。
發(fā)動機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時進(jìn)氣頻率低，長進(jìn)氣管可降低脈動次數(shù)，并且由于充滿了更多空氣，因而提高了發(fā)動機(jī)的充氣效率；同時由于長進(jìn)氣歧管降低了空氣流速，若在進(jìn)氣道內(nèi)混合的發(fā)動機(jī)，則還可使燃料與空氣混合得更充分。
2.2 截面可變進(jìn)氣歧管
圖3為兩級可變截面進(jìn)氣歧管。低速時需要小截面，以提高進(jìn)氣負(fù)壓，并可產(chǎn)生渦流以促進(jìn)燃料與空氣混合；高速時需要大截面，以增加進(jìn)氣量。大、小截面轉(zhuǎn)換可通過閥門的開啟和關(guān)閉實(shí)現(xiàn)。
2.3 連續(xù)可變進(jìn)氣歧管
連續(xù)可變進(jìn)氣歧管是最理想的可變進(jìn)氣歧管，即進(jìn)氣歧管的長度或者截面面積可隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化而連續(xù)變化。寶馬760裝配的V12發(fā)動機(jī)采用了一種新的進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)，進(jìn)氣歧管長度是連續(xù)可變的，其原理是設(shè)計(jì)了一個轉(zhuǎn)子來控制進(jìn)氣歧管的長度，通過轉(zhuǎn)子角度的變化，改變進(jìn)氣歧管長度，以使發(fā)動機(jī)在各轉(zhuǎn)速下都能得到最優(yōu)的進(jìn)氣效率。
凌志轎車上采用的連續(xù)可變進(jìn)氣歧管如圖4所示。
3 進(jìn)氣歧管發(fā)展趨勢
發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管作為發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的重要組成部分，未來仍會沿著輕質(zhì)、可變的方向發(fā)展，但結(jié)構(gòu)盡量簡化，控制更趨簡單。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，性能更優(yōu)、價格更低的新型材料及加工方法和工藝的出現(xiàn)，進(jìn)氣歧管也會有新的發(fā)展。
塑料進(jìn)氣歧管和鎂合金進(jìn)氣歧管的出現(xiàn)，使得進(jìn)氣歧管的選擇更加多樣化，并且符合發(fā)動機(jī)乃至汽車的發(fā)展趨勢；長度可變和截面面積可變進(jìn)氣歧管的出現(xiàn)，則使得進(jìn)氣歧管更能滿足汽車不同轉(zhuǎn)速對進(jìn)氣量的需求。
