今天一個網友在我的一篇文章(雙迴圈、雙噴射、雙增壓是什麼意思?這些技術都有什麼優勢?)下面評論說,文章中提到的“進氣諧波增壓”是什麼意思?第一次聽說這個概念。我一想這個概念不是一兩句話能解釋清楚的,並且這應該是很多人的知識盲區,乾脆就寫篇文章來解釋一下。
大家知道現在很多車都搭載增壓發動機,就是用一個增壓器把更多的空氣壓入到發動機燃燒室中,然後再噴入更多的燃油,就可以實現小排量輸出大動力的效果。這些發動機無一例外都有一個增壓器,或者是渦輪增壓器,或者是機械增壓器,或者是二者都有。對於沒有任何增壓器的發動機,我們把它們叫做“自然吸氣發動機”。這種發動機動力不如增壓發動機來得猛烈,所以很多人都以為增壓發動機技術更先進,其實這種觀點是非常片面的,“增壓”與“自然進氣”並不是判斷髮動機先進與否的標準,就像餃子好吃不在皮上一樣。
既然是“自然進氣”,外界的空氣是被髮動機吸入到燃燒室中的,而不是被壓進去的,所以進入的空氣量有限,發動機的動力就受到了限制。為了讓更多的空氣進入到發動機中,汽車工程師仔細研究空氣進入發動機的過程與路徑,最終發現了進氣的特點與規律,設計出了“進氣諧波增壓”系統,實現了“不用增壓器的進氣增壓”。
進氣諧波增壓系統的工作原理主要是利用進氣流的慣性來增壓。
對於自然吸氣發動機來說,空氣進入發動機的過程並不是連續的,而是具有間歇性與週期性。當某缸開始進氣衝程時,進氣門開啟,空氣透過進氣門高速進入燃燒室中;當進氣衝程結束時,進氣門迅速關閉,在進氣門附近高速流動的空氣突然受阻,停止流動,就會在進氣門外面形成一定的壓力,並且向相反的方向反彈,形成氣波振盪,這就是所謂的“諧波”。與液壓系統中“水錘”的形成原理基本是一樣的。
諧波在進氣管中以聲速傳播和往復反射,如果我們不加以控制的話,它會在進氣管中反覆反射振盪,形成紊流,進而影響其它氣缸進氣效率,降低發動機充氣係數。如果我們能設計一種結構,控制諧波在進氣管中振盪的方向與頻率,讓諧波振盪頻率與進氣門的開閉時刻相互吻合,使反射回來的壓力波正好集中在將要開啟的進氣門附近。這樣當進氣門開啟的時候,空氣會主動地進入到燃燒室中,而不完全是被吸入的,進氣壓力會比自然吸氣時大一些,這樣就形成了一種進氣增壓效果。
這種進氣結構就被稱為“進氣諧波增壓”,是自然吸氣發動機利用進氣的運動慣性來產生增壓效果的技術,是一種自然增壓系統。現在幾乎所有的自然吸氣發動機都採用了這種技術。它的主要優點是沒有運動部件,工作可靠,成本低;缺點是增壓效果有限,一般只能讓發動機多進10~20%的空氣,發動機動力提升效果不明顯;此外,由於發動機進氣系統中的壓力與頻率是隨時波動的,所以進氣諧波增壓只能增加特定轉速下的進氣量和發動機扭矩,而不能實現全轉速下的進氣增壓。
進氣諧波增壓系統的主要結構就是在進氣管道中設定一個諧振腔(或者稱為動力腔),空氣在這裡面形成諧波振盪,產生進氣增壓效果。這個諧振腔的大小、形狀與發動機的排量、氣缸數量、氣缸佈置型式等都有關係,看起來簡簡單單的一個空殼子,其實技術含量是非常高的。
有趣的是,有些渦輪增壓發動機上,也設定了諧振腔。比如大眾的1.4TSI發動機,在進氣管上並列佈置三個長短不一的圓柱,這也是一種諧振腔。當然,它的主要作用不是用來進氣增壓,而是用來平衡進氣管中的壓力波動,避免節氣門開度變化時,進氣管中壓力變化過大,引起發動機抖動或者行駛頓挫。
現在還有些自然進氣發動機,採用了可變長度進氣歧管技術,比如豐田的ACIS、寶馬的DISA、奧迪可變進氣歧管等,這些也是一種進氣諧波增壓技術。它們利用ECU控制諧振腔內電磁閥的開閉,控制翻板的開啟,改變進氣管的長度。當發動機處於低轉速時,透過較長的進氣歧管達到低速增扭的效果;當發動機處於中高轉速時,則透過較短的進氣歧管增加發動機的進氣量,從而獲得更為強勁的加速能力。這種由ECU控制的進氣系統也被稱為智慧諧波增壓進氣系統。