2.7 进排气系统

2.7.1 设计策略与原则

进排气系统是发动机的呼吸系统，其基本功能是以尽可能小的流动损失提供满足发动机燃烧所需的温度、压力适宜的充足空气（或混合气），并使其均匀进入发动机各缸进行燃烧，通过调节进气量以满足发动机不同工况的空燃比要求。同时汇集发动机各个气缸燃烧产生的排气，尽量避免各个气缸间的排气相互干扰，使排气安全并尽可能地完全排出到尾气后处理系统。进排气系统主要由节气门体总成、进气歧管总成、排气歧管总成组成，增压发动机还增加了增压器总成、中冷器总成及相应的管路等。

从进排气系统的组成和基本功能来看，进排气系统主要应遵从以下设计原则：

1）低流阻：为提高发动机的充气效率，需要进排气系统以尽可能小的进气压力损失使得新鲜空气或可燃混合气顺畅进入气缸，并以尽可能低的排气阻力排气，减少排气残余。

2）各缸气流均匀：对于多缸发动机，气体通过进气歧管均匀分配进入各个气缸参与燃烧，从排气歧管各个气道排出的废气压降均匀，是保证发动机各缸燃烧和排放一致性的前提，一般推荐各缸气流不均匀性≤3%。

3）高可靠性：进排气系统需要满足各种可能的用户使用环境下的可靠性和耐久性要求（如极寒、极热、高原、高湿、腐蚀性高的沿海地区、雨雪天气、涉水、洗车等），特别是排气系统常常在950°C（增压发动机排气温度可达1050°C）的高温环境下工作，对可靠性的要求更需要特别关注。

进排气系统在设计过程中需要综合考虑，平衡动力性能、排放性能、NVH性能、生产、装配、维修工艺、标定控制、轻量化等需求，充分利用CAE仿真等工具，提高一次设计成功率。为满足上述进排气系统的主要设计原则，实现需求目标，在设计进排气系统时，可结合需求目标采取表2-12列出的设计策略。

随着国家油耗和排放法规的日益严格，现代发动机未来发展的趋势除了追求更高的动力性外，还要实现更高的热效率、更低的油耗和更严格的排放要求。基于这些新的发展需求，进排气系统的设计重点除了进一步提高各缸的进气量和均匀性、降低流阻、排气压降均匀性之外，还要关注进排气系统对缸内气体流动的改善，从而进一步提高燃烧效率。

2.7.2 基于属性需求的设计

基于现代发动机对进排气系统的新需求，为进一步提升充气效率、减少泵气损失，或者通过改善缸内气体流动进而提高燃烧效率，进排气系统在设计时常常需要应用一些新技术进行应对。

1.可变进气技术

通过改变进气歧管的气道长度、直径或谐振容积，来实现发动机在低中高转速下对高充气效率的追求，也可以通过增加改变气流通道的可变机构对缸内气流运动进行改善以提升燃烧效率。

通常把在缸盖接口处增加改变气流通道的可变机构的进气歧管称为可变充量运动（Variable Charge Motion,VCM）进气歧管。在内气道设计时通过在缸盖气道接口处增加图2-54所示的结构，与缸盖气道配合，来实现涡流控制和滚流控制。这两种控制方式都可以增加压缩行程终了时的湍流强度，使火焰前锋发生明显褶皱，增加了火焰传播的面积，加速了已燃气体与未燃气体之间的热量传递，从而提升了燃烧速率。

为了实现对进气运动的有效控制，进气歧管总成在结构设计上要具备可变气道截面结构和执行机构，以及相应的辅助结构。此外，根据发动机控制策略需求不同，其执行机构一般分为真空驱动和电动机驱动两种形式，如图2-55所示。

从图2-55和表2-13可以看出，真空驱动式仅能实现对VCM阀片开、关两点调节，控制信号相对容易，需要依赖真空源，但布置空间更紧凑；电动机驱动式能够实现对VCM阀片不同开度的连续调节，控制信号复杂程度更高，需要独立的驱动电机，布置空间要求较大。

除了可变充量运动进气歧管外，根据进气歧管可变化的气道参数，还有可变气道长度（Variable Runner Intake）、可变谐振进气（Variable Resonance Intake）进气歧管两类。

（1）可变气道长度进气歧管 通过改变进气歧管的气道长度或直径，来满足不同发动机工况的性能要求。图2-56所示是比较常用的长短两个气道可变的进气歧管。其工作原理是在发动机中低转速时为了保证有更大的转矩，采用长气道进气；在发动机高转速时为了保证有更大的功率，采用短气道进气。长短气道的切换是通过气道中旋转阀片的开关进行的，阀片的驱动方式一般有气压差驱动和电动机驱动两种方式，对于要求响应快、阀片开启角度精确的，常常采用电动机驱动。

（2）可变谐振进气歧管 通过改变进气歧管的不同谐振参数（例如气道长度、直径或谐振腔容积），使发动机在整个转速范围内均能不同程度提升转矩性能，考虑到谐振效应对各缸进气行程产生的波动效应的相互干扰比较明显，要求各缸进气行程尽可能不重叠，发动机布置上相邻点火顺序的各缸路径越长，以及各缸的进气时间间隔越长，其谐振效应的效果越明显，因此，谐振效应在L6和V6发动机上应用较多。常见的谐振效应进气歧管主要有二阶段变化和三阶段变化两种可变方式。图2-57所示为丰田某L6发动机二阶段进气谐振系统。

2.进气增压中冷技术

在发动机排量不变的情况下，可以通过提高进气密度来增大发动机进气量，使发动机输出更高的功率转矩，从而提高发动机的功率密度，实现发动机小型化的趋势需求。进气增压中冷技术就是通过进排气系统集成增压器+中冷器组合（增大进气压力、降低进气温度）来提高发动机进气密度的。从实现气体压力增大的方式来看，主要有废气涡轮增压、机械增压以及联合增压等技术。目前车用发动机上废气涡轮增压技术应用最为广泛，其结构如图2-58所示。

进气增压中冷系统需可靠、高效、准确地按发动机需求提供适宜的进气压力及温度，并避免带来NVH抱怨。其中，增压器的气动选型与发动机进行合理匹配是实现动力需求的前提，这部分内容本书将在第3章中进行介绍。基于增压器系统应用工况及工作环境，在设计过程中需要特别考虑以下几个方面：

（1）合理的边界控制 从系统的角度看，压前的空滤器进气压力损失和进气温度，涡后的排气背压和排气温度，润滑系统提供的增压器核心部件的进油压力和回油阻力，以及冷却系统提供的增压器水套散热量等，都对增压器的功能产生影响，需要设置合理的指标进行控制，比如推荐空滤器进气压力损失小于10kPa以降低增压器漏油风险。

（2）高可靠性的系统设计 增压系统运行在高温高压的恶劣环境中，汽油增压发动机排气温度一般高于900°C。对材料特别是涡端（涡壳、涡轮等）的材料要求比较高，需要重点关注材料的耐高温性能，涡壳一般采用高镍铸铁或铸钢材料。因为增压器系统的接口及关联件比较多，在结构设计方面需要系统考虑，除产品本身的结构强度外，同时要考虑接口的密封、紧固件的可靠性。目前，在可靠性领域CAE仿真手段已较为成熟，可采用仿真手段对整个系统设计方案进行综合评价、优化，缩短开发周期，如图2-59所示。

（3）避免NVH抱怨 相较于自然吸气发动机，进气增压中冷技术的应用在带来性能提升的同时，也带来更为突出的噪声问题（表2-14）。其中，涡轮增压器是本项技术中的关键噪声源，可从噪声传递路径以及噪声源控制两个方向上解决系统噪声抱怨，如图2-60所示。以叶轮产生的脉冲噪声为例，从声源主动消声路径上可通过控制叶轮产品质量一致性达成，如将铸造叶轮变更为机加工叶轮；从控制噪声传递路径上，可以在紧接压气机出口位置处增加谐振消声腔，还可通过增加增压器与中冷器连接管路的壁厚或者管壁密度，避免噪声向外辐射。

另外，增压系统设计中涉及的系统及影响因素众多，通过CAE仿真分析及单体试验验证无法全面覆盖，为此需要开展一些基于发动机和整车上的专项试验进行验证，以保证增压系统的性能及可靠性满足发动机的设计需求，见表2-15。

随着油耗、排放法规的进一步加严以及国内汽车消费升级的到来，为满足高效清洁动力及优良的驾驶感受需求，增压中冷技术也在不断地升级优化。传统的风冷中冷技术逐步被水冷中冷技术替代，以实现更准确、更稳定的进气温度控制；成熟的废气旁通式单流道涡轮增压器也逐步向更复杂的应用技术上升级。例如，双流道涡壳技术旨在通过两个流道来实现在较小发动机流量工况下，废气从较小的流道截面积进入涡轮，使增压器转速得以提升，进而提高增压压力（图2-61）；可变涡轮截面技术通过增加一套可调的涡轮机叶片导向结构，实现连续可调的有效涡轮截面积变化，在相对较小的发动机流量下，减小有效涡轮截面积以提高增压压力，在相对较大的发动机流量下，增大有效涡轮截面积以降低发动机排气阻力（图2-62）。

电辅助涡轮增压技术是未来主要发展方向之一，目前较主流的布置方式是将一个电驱动的压气机即电子增压器连接到废气涡轮增压器系统中，迅速提升发动机低转速工况下的增压压力以提升发动机低速转矩，弥补传统废气涡轮增压器响应迟滞的缺点；受到电动机可达到的最高转速限制，电子增压器需要与废气涡轮增压器共同配合使用。以奥迪Q5 2.0T GDI为例，如图2-63所示，相较于传统的废气涡轮增压技术，电子增压系统的应用对发动机低速及峰值转矩的提升，以及整车加速响应性的改善均有显著效果。

3.排气再循环技术（EGR）

将燃烧后的一部分排气从排气系统引入进气系统，通过降低泵气损失、增加可燃混合气比热容、降低燃烧速率、降低最高排气温度等方式，来实现改善燃油经济性，降低NO_x和颗粒物的排放。对于增压发动机上的EGR应用，根据EGR引入引出位置，外部EGR可分为高压EGR（HP-EGR）、低压EGR（LP-EGR）和混合EGR（Mixed-EGR）三种类型，如图2-64所示。

低压EGR系统：低压EGR增压器涡轮机后取气，在增压器压缩机前与新鲜空气混合后一起经压缩机压缩后进入进气歧管。

高压EGR系统：在增压器涡轮机前取气，在增压器压缩机后与新鲜空气混合后一起进入进气歧管。

混合EGR系统：在增压器涡轮机前取气，在增压器压缩机前与新鲜空气混合后一起经压缩机压缩后进入进气歧管。

以上3种EGR系统在行业内均有应用，对于低压EGR系统，根据取气位置的不同，又可分为催化器前取气和催化器后取气两种方式，其优缺点见表2-16。

对于增压发动机，EGR系统对增压区域节油作用的有效性主要体现在EGR系统增压区域可实现应用范围、爆燃限制能力、排气温度降低能力这三个方面。上述两种EGR形式在这三个方面的相对优劣势见表2-17。

如表2-17所示，低压EGR系统相比其他EGR系统在以上三个方面更具有提升涡轮增压发动机的增压区域燃油经济性潜力，目前行业内多采用低压EGR技术，如图2-65所示。

EGR技术在柴油机上应用广泛，但在汽油机上很少应用，这主要是因为EGR传统的节油作用，在汽油机上可以通过VVT、GDI、米勒循环等技术也能有效实现，从性价比上考虑很少采用单独EGR技术。但是，随着国家油耗和排放法规要求的日益加严，为了进一步挖掘节油潜力和减少排放，越来越多的OEM开始在汽油机上采用EGR技术。

为更好地实现节油减排效果，EGR技术往往会与其他发动机先进技术组合使用，图2-66展示了行业内NA和TC发动机所采用的较为流行的技术路线。

1）NA发动机上采用高压缩比+阿特金森或米勒循环+冷却EGR技术组合，并配合混合动力技术，实现强劲动力和高效的综合热效率。

2）TC发动机上采用缸内直喷+分层/均质燃烧+多火花点火+冷却EGR技术组合，实现强劲的动力性、高效的燃烧效率并降低NO_x和颗粒物的排放。