汽油机进气歧管VGIS可靠性分析与改进

黄振霞韦家良　　李　坚（1-上海交通大学机械与动力工程学院　上海　0040 -上汽通用五菱汽车股份有限公司-广西康明斯工业动力有限公司）

·综述·

汽油机进气歧管VGIS可靠性分析与改进

黄振霞1，2韦家良3李坚2
（1-上海交通大学机械与动力工程学院上海200240 2-上汽通用五菱汽车股份有限公司3-广西康明斯工业动力有限公司）

摘要：在发动机台架耐久试验中，进气歧管VGIS开度逐渐减小至关闭，导致发动机扭矩突然下降。通过理论计算和试验方法分析VGIS失效原因，结果表明VGIS设计无法保证其工作的可靠性。分析优化方案，并计算相关优化参数，改进后的进气歧管VGIS通过了VGIS功能试验和发动机台架试验验证，VGIS可靠性得到充分保证。VGIS失效问题圆满解决，并为其他可变进气歧管的设计提供借鉴。

关键词：发动机进气歧管V G IS系统可变进气歧管真空执行器

引言

随着人们对汽车动力性、经济性要求以及环保要求的日益提高，做为自然吸气发动机关键零部件之一的进气歧管设计日趋复杂，越来越多的自然吸气发动机进气歧管集成了VGIS（VARIABLEGEOMETRIC INTAKE SYSTEM可变气道长度进气系统）。零件越复杂、部件越多，失效几率越大，工作的稳定性越难以保证。本文基于某款可变气道长度进气歧管的失效，分析并改进VGIS工作可靠性[1]。

1　VGIS系统的工作原理及要求

根据波动充气原理，当发动机进气行程开始时，活塞下行造成的进气门处压力减小，波动迅速传导到进气歧管的进口，变为压力增加的反射波反射回来。相应转速下，选择适当的进气歧管长度，使反射波在进气门关闭前到达进气门，增大进气末期的压力，从而提高进气量。调整进气歧管的气道长度，使脉动次数为整数，和进气门重叠时间同步，可提高充气效率。采用VGIS系统，根据需要改变气道长度，尽可能提高更宽转速范围内的充气效率，兼顾高低转速下的动力特性。高转速时，进气阻力对进气影响较大，使用短气道进气道阻力小，进气更充分；低转速时，发动机进气频率比较低，使用长气道可降低脉动次数，聚集更多的空气，且长气道还能降低空气流速，能使空气和燃料更好地混合，燃烧更充分，提高低速稳定性[2，3]。

本文研究的VGIS系统可实现长短两种气道的切换，由真空腔、稳压腔、电磁阀、真空执行器、切换机构组成。真空腔与稳压腔采用内置的旁通通道相连，中间有伞形单向阀相隔，当节气门开度减小时，稳压腔的气压降低，真空腔气体流向稳压腔，真空建立。真空执行器由一个橡胶膜杯分隔成两个腔，一个腔连接电磁阀，一个腔通大气；膜杯连接驱动拉杆。如图1所示为可变进气歧管结构、图2为长短气道结构、图3为真空执行器结构。

图1　可变进气歧管结构

图2 长短气道结构

图3　真空执行器结构

VGIS系统默认长气道。起动后，ECU将传感器采集发动机的转速、负荷、车速、冷却液温度和进气温度等信号处理后，转换成可识别的数据与相应的预存数据做比较。信号大于预存的数据时，输出结果为“l”；否则，输出结果为“0”。然后把每一种信号的比较结果进行“逻辑与”运算，运算结果为“1”时，ECU给VGIS电磁控制阀高电平，电磁阀打开，导通真空执行器与真空腔间的通道。在压力差作用下，真空执行器的驱动拉杆动作驱动切换机构转动，切换至短气道状态[4]。

2　VGIS系统的失效模式及原因分析

2.1VGIS系统失效模式

在某款汽油发动机台架耐久实验中，出现数例在高速时扭矩突然下降的现象，调查后发现是进气歧管在高速（4400r/min）切换到短管一段时间后，VGIS系统的开度逐渐变少甚至关闭（打开为短气道，关闭为长气道）。

2.2VGIS失效原因分析

初步判断原因是进气歧管真空腔不能连续建立真空，而随着时间的推移或开关次数的增加，由于空气泄漏导致真空腔真空度不断降低，进而导致真空驱动力不足以开启或完全开启VGIS系统。对故障进气歧管进行VGIS系统泄露测试，泄露量均小于允许值5mL/min。

估算该发动机怠速一次建立真空后，可维持VGIS常开的时间t和保证VGIS正常开启的次数。

当地大气压P0=101 kPa

保证VGIS开启，真空执行器真空端允许的最大压力P1；

真空腔维持VGIS正常工作的最大压力P2；

真空执行器驱动拉杆有效受力面直径D=45 mm；

真空执行器真空端容积（含连接执行器与电磁阀软管容积）V1=72mL；

真空腔容积（含连接真空腔与电磁阀软管容积）V2=450mL；

VGIS系统泄漏率V0，约5mL/min；

VGIS系统需要的最小驱动力为F；

对VGIS系统进行泄露量测试，要求泄漏量小于5mL/min，合格。检测VGIS系统需要的最小驱动力为F=55 N。

可见若真空腔压力若大于60.88 kpa，则VGIS系统将不能完全开启或无法开启。

某款1.2L自然吸气发动机，怠速时稳压腔压力约P3（30 kPa），即真空腔中可建立-71 kPa的真空。

为保证一定的工作可靠性和稳定性，发动机怠速时一次建立真空后，应保证能维持VGIS常开时间大于30 min，或保证VGIS 1min内正常开启大于5次。可见该VGIS系统并未达到要求。

对3个故障件进行试验，试验方法如下：

试验一：对真空腔抽真空，使其压力为30kPa，给电磁阀电信号，使VGIS维持常开，记录完全开启时间；

试验二：对真空腔抽真空，使其压力为30 kPa，电磁阀连接继电器，使VGIS开启6 s关闭6 s并循环，记录VGIS可以完全开启的次数。

试验结果见表1。

表1　进气歧管VGIS功能试验

3　VGIS系统的改进及对比分析

由式1和式2可知，增大P1、增大V2、减小V1，都可以有效地延长VGIS常开时间t和增加开关次数n。综合成本、空间布置、工作可靠性等因素，无法单独改变P1、V2或V1来达到优化目的。要增大真空执行器真空端允许的最大压力P1，可增大真空执行器有效受力面积S或减小VGIS系统需要的最小驱动力为F。考虑成本及空间布置因素，无法增大有效受力面积S。F由切换机构的摩擦力和执行器中的弹簧力组成。减小摩擦力较困难且成本高。最终确定的优化方案为：

1）增大真空腔容积V2至570mL；

2）减小执行器中的弹簧力，使VGIS系统需要的最小驱动力F减小至39 N；

3）减小真空执行器真空端的容积至52mL。

根据式1和式2计算可知，优化后，一次建立真空后，能维持VGIS常开t′=49.9 min，或保证VGIS正常开启次数n=5.8次。

优化后的进气歧管做上述VGIS功能试验，一次建立真空后，维持VGIS常开大于30min，VGIS开关次数大于5次。

分别用改进前和改进后的进气歧管在发动机上做VGIS切换试验。试验方法如下：

发动机由怠速，约在2min内逐渐将节气门全开并提速到4000 r/min，在4000 r/min～5000 r/min间来回切换5次，分别在4000 r/min和5000 r/min维持2 min。观察VGIS正常开关的次数。

试验时间较长，考虑泄露量，可预估VGIS可正常切换的次数。

故在该发动机VGIS工作可靠性试验中，VGIS可正常切换4次，则认为是合格的。

试验结果如表2、图4所示。

表1　发动机VGIS工作可靠性试验结果

可见，改进后的VGIS系统，在发动机一次建立真空后，既能保证完全开启时间大于30min又能保证足够的开启次数。充分保证了进气歧管VGIS工作的可靠性和稳定性。

4　结束语

可变进气歧管的应用，一定程度上改善了发动机的动力性和经济性，但进气歧管复杂程度增加，失效模式和失效频率也增加。如何保证进气歧管的工作可靠性和稳定性，尤为重要。通过本文中提及的必要的理论计算和简单的试验，就可以预估和检验进气歧管VGIS系统工作的可靠性和稳定性，根据计算结果优先最佳设计方案，大大节约开发时间和开发成本。为集成PDA或VGIS系统的进气歧管设计开发提供借鉴。

图4 秒采曲线图

参考文献

1宁珺，党丰玲，阳娜，等.进气歧管结构对进气流动影响的数值模拟[J].汽车科技，2011（5）：32～36

2俞培泳，崔振伟.CA3GA2发动机进气歧管的设计与开发[J].天津汽车，2008（7）：38～41

3刘霏霏，姜水生，夏兴兰.TJ376QE汽油机可变进气歧管长度的优化设计[J].内燃机，2008（1）：23～25，28

4马南，刘耀武，张所金，等.进气管长度可变系统的研究[J].车用发动机，2003（4）：22～24

中图分类号：TK413.4+4

文献标识码：A

文章编号：2095-8234（2015）02-0070-04

收稿日期：（2015-03-12）

作者简介：黄振霞（1984-），女，学士，主要研究方向为发动机进气系统。

Analysisand Optim ization on IntakeManifold VGIS for Gasoline Engine

Huang Zhenxia1，2，W ei Jialiang3，Li Jian2
1-School ofMechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University（Shanghai，200240，China）
2-SAICGMWuling Automobile Co.，Ltd.
3-GuangxiCummins IndustrialPower Co.，Ltd.

Abstract：Intake Manifold VGIS closed gradually in engine endurance test,lead to engine torque drop unexpectedly.The failure cause of VGIS is analyzed by theoretical calculation and test.The result shows that VGIS can't work reliably and can't accommodate engine work.Analyzing optimization methods and calculating relative parametermake it clear thatoptimized VGISworks reliably and stably and can pass the VGIS function test and engine rig test.VGIS failure problem is solved successfully and this provides a reference for design ofother variable intakemanifold.

Keywords：Engine，Intakemanifold，VGIS，Variable intakemanifold，Vacuum activator