一种进气歧管长度可调节的进气系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及一种车辆的进气系统，特别涉及一种进气歧管长度可调节的进气系统及其控制方法，属于车辆动力系统技术领域。


背景技术：

2.进气歧管对于化油器式或节气门体汽油喷射式发动机，进气歧管指的是化油器或节气门体之后到气缸盖进气道之前的进气管路。它的功用是将空气、燃油混合气由化油器或节气门体分配到各缸进气道。
3.进气歧管的长度通常是配合发动机的中等转速，其功能上的缺点是无法满足发动机在不同工况下的不同进气量的需求，尤其是在赛车比赛中高低速转换频繁的情况，阻碍着发动机性能优越性的发挥。作为对发动机性能发挥有着直接影响的进气系统，如何实现进气歧管长度的动态调整，对于维持进气系统可靠性与稳定性，提高进气效率具有重要意义。
4.发动机工作时，进气歧管内会产生伴随着发动机气门开闭的周期性压力波。而进气歧管长度会影响到波峰运动到气门处的时间，发动机的转速则会影响到气门开闭的时间间隔。如果进气歧管内气流产生的压力波峰到达气门处时，气门处于开启阶段，就可以利用压力波峰来提高进气密度，从而提高发动机在对应工况下的充量系数。目前多数车队使用的固定长度的进气歧管只能为固定的转速提供最佳进气效率，而不能在更宽的转速范围内使进气系统保持最佳进气效率。


技术实现要素：

5.发明目的：针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种进气歧管长度可调节的进气系统及其控制方法，本发明可以实现进气歧管长度随发动机转速变化动态调整的进气形式，在保证进气系统工作可靠性、稳定性的同时，提升进气效率。。
6.技术方案：一种进气歧管长度可调节的进气系统，包括稳压腔腔体和进气歧管，所述稳压腔腔体与进气歧管连通；所述稳压腔腔体包括上稳压腔体和下稳压腔腔体，所述下稳压腔腔体与进气歧管连通；所述稳压腔腔体和进气歧管内部设有进气歧管长度调节组件。稳压腔采用半分式结构，上稳压腔腔体与下稳压腔腔体通过螺栓连接，联接处使用特制橡胶垫片密封。上稳压腔腔体主要用于为气体的储存提供足够的空间，减弱腔内进气歧管长度调节组件上下移动产生的气流波动，对发动机进气效率产生负面影响；下稳压腔腔体用作进气歧管长度调节组件的存放空间，本发明进气歧管长度调节组件设置在稳压腔腔体和进气歧管内部能够在发动机的高要求工况下，维持自身的稳定性和安全性。
7.优选项，为了实现进气歧管的长度调节，所述进气歧管长度调节组件包括进气歧管副管组件、驱动装置和数据采集处理系统；所述进气歧管副管组件包括安装基板和副管，所述副管与安装基板固定连接，副管的位置与进气歧管的位置对应，所述安装基板上设有与副管连通的通孔；所述安装基板在下稳压腔腔体内部上下运动，所述副管随安装基板的
运动在进气歧管内上下运动。驱动装置通过驱动安装基板在下稳压腔腔体内部上下运动，进而驱动副管在进气歧管内上下运动实现整个进气歧管的长度调节。所述数据采集处理系统通过对发动机和进气歧管参数的采集处理进而控制驱动装置实现进气歧管的调节。
8.优选项，为了实现进气歧管的精确调节，所述驱动装置包括螺纹杆、螺纹套筒、伺服电机组件和轴承座组件，所述螺纹套筒固定安装在安装基板上，所述螺纹杆两端分别与伺服电机组件和轴承座组件连接，所述螺纹杆与螺纹套筒配合连接同时贯穿安装基板。
9.所述的进气歧管长度可调节的进气系统的控制方法，包括以下步骤：
10.a)采集发动机转速信息；
11.b)匹配进气歧管长度：确定进气歧管长度与发动机转速的匹配关系；
12.c)进气歧管长度的调节：确定进气歧管长度与伺服电机组件角位移的关系，根据发动机的转速和当前进气歧管的长度控制伺服电机组件的转向和转动量。
13.由数据采集处理系统采集发动机转速信息，再根据发动机转速匹配所需要的进气歧管长度，然后，获取当前状态进气歧管的长度并计算出所要调节的长度，最后，确定进气歧管长度与伺服电机组件角位移的关系，伺服电机组件带动螺纹杆旋转，螺纹杆旋转借助螺纹带动螺纹套筒作平移移动，螺纹套筒带动安装基板做上下平移运动。其瞬时运动状态分为以下两种：当伺服电机组件输出轴顺时针旋转时，带动螺纹杆螺纹杆同方向旋转，通过螺纹带动螺纹套筒向下移动，安装基板向下调整，从而能实现进气歧管长度缩短，各缸的气流通道长度增加。当伺服电机组件输出轴逆时针旋转时，带动螺纹杆同方向旋转，通过螺纹带动螺纹套筒向上移动，安装基板向上调整，从而能实现进气歧管长度增长，各缸的气流通道长度增加。
14.优选项，所述步骤b中进气歧管长度与发动机转速的匹配关系的确定方法为：采用波动效应理论确定发动机不同转速对应的进气歧管管长，再由发动机工作过程模拟计算软件建立模块化的结构模型，分析进气歧管长度在对应的转速下对容积效率和发动机转矩；
15.由波动效应的计算公式是由进气歧管内的固有频率与发动机进气频率的配合关系推导而得，发动机转速与进气歧管长度的对应公式如下：
[0016][0017]
上式中：
[0018]
a：为压力波传播速度，即为当地声速(m/s)；
[0019]
n：为发动机转速(rpm)
[0020]
l：为进气歧管等效长度(m)
[0021]
由此可以通过计算得到不同发动机转速对应进气歧管长度曲线。
[0022]
优选项，所述步骤c中进气歧管调节长度与伺服电机组件(323)角位移关系的确定方法：数据采集处理系统(33)将发出的脉冲个数转化为以mm为单位的长度，实现脉冲数、电机输出轴角度位移与螺纹套筒(322)带动安装基板(311)平移距离的对应转换，转换公式如下：
[0023]
螺纹杆(321)旋转一周所需的脉冲数n＝360/θ*a(pulse)
[0024]
螺纹套筒(322)平移1mm所需的脉冲数m＝n/p(pulse)
[0025]
式中，θ为步距角，a为细分，p为螺距。
[0026]
有益效果：本发明进气歧管长度调节组件设置在稳压腔腔体和进气歧管内部能够在发动机的高要求工况下，维持自身的稳定性和安全性；为不同的发动机转速匹配相应的气流通道长度，实现对伺服电机的旋转精确控制；能够在发动机不同的工况下顺利进行歧管长度的动态调整，有效的满足了发动机不同转速下的进气需要；本发明可以在更宽的发动机转速范围内、更多的工况下保持较高的进气效率，而且能有效提高充气效率和加强气体进入气缸内的湍动能，促使油气混合更加均匀，大大改善缸内燃烧情况。
附图说明
[0027]
图1为本发明外形的左视图；
[0028]
图2为本发明外形的主视图；
[0029]
图3为本发明内部结构的剖视图；
[0030]
图4为本发明进气歧管副管组件的结构示意图；
[0031]
图5为本发明的三维视图；
[0032]
图6为本发明控制方法的流程图。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
[0034]
如图1和2所示，一种进气歧管长度可调节的进气系统，包括稳压腔腔体1和进气歧管2，所述稳压腔腔体1与进气歧管2连通；所述稳压腔腔体1包括上稳压腔体11和下稳压腔腔体12，所述下稳压腔腔体12与进气歧管2连通；所述稳压腔腔体1和进气歧管2内部设有进气歧管长度调节组件3。稳压腔腔体1采用半分式结构，上稳压腔腔体11与下稳压腔腔体12通过螺栓连接，联接处使用特制橡胶垫片密封。上稳压腔腔体11主要用于为气体的储存提供足够的空间，减弱腔内进气歧管长度调节组件上下移动产生的气流波动，对发动机进气效率产生负面影响；下稳压腔腔体12用作进气歧管长度调节组件3的存放空间，避免伺服电机组件323布置于外侧，致使螺纹杆11穿过腔体，造成进气系统漏气甚至稳压腔碎裂的安全隐患。本发明进气歧管长度调节组件3设置在稳压腔腔体1和进气歧管2内部能够在发动机的高要求工况下，维持自身的稳定性和安全性。
[0035]
如图3和4所示，所述进气歧管长度调节组件3包括进气歧管副管组件31、驱动装置32和数据采集处理系统33；所述进气歧管副管组件31包括安装基板311和副管312，所述副管312与安装基板311固定连接，副管312的位置与进气歧管2的位置对应，所述安装基板311上设有与副管312连通的通孔；所述安装基板311在下稳压腔腔体12内部上下运动，所述副管312随安装基板311的运动在进气歧管2内上下运动。
[0036]
如图4和5所示，所述驱动装置32包括螺纹杆321、螺纹套筒322、伺服电机组件323和轴承座组件324，所述螺纹套筒322固定安装在安装基板311上，所述螺纹杆321两端分别与伺服电机组件323和轴承座组件324连接，所述螺纹杆321与螺纹套筒322配合连接同时贯穿安装基板311。
[0037]
如图6所示，一种进气歧管长度可调节的进气系统的控制方法，包括以下步骤：
[0038]
a)采集发动机转速信息；
[0039]
b)匹配进气歧管长度：确定进气歧管长度与发动机转速的匹配关系；
[0040]
c)进气歧管长度的调节：确定进气歧管长度与伺服电机组件(323)角位移的关系，根据发动机的转速和当前进气歧管的长度控制伺服电机组件(323)的转向和转动量。
[0041]
所述步骤b中进气歧管长度与发动机转速的匹配关系的确定方法为：采用波动效应理论确定发动机不同转速对应的进气歧管管长，再由发动机工作过程模拟计算软件建立模块化的结构模型，分析进气歧管长度在对应的转速下对容积效率和发动机转矩影响，确保理论数据的精确性。
[0042]
由波动效应的计算公式是由进气歧管内的固有频率与发动机进气频率的配合关系推导而得，发动机转速与进气歧管长度的对应公式如下：
[0043][0044]
上式中：
[0045]
a：为压力波传播速度，即为当地声速(m/s)；
[0046]
n：为发动机转速(rpm)
[0047]
l：为进气歧管等效长度(m)
[0048]
由此可以通过计算得到不同发动机转速对应进气歧管长度曲线。
[0049]
gt-power软件采用模块化的结构建立相应的模型，整个模型系统由包括完整的发动机进气系统和排气系统，将模型系统的各模块使用线段连接并定义特性参数。计算管内流动状态时应用的以下控制方程：
[0050]
连续方程：
[0051]
动量方程：
[0052]
能量方程：
[0053]
式中c：气体流速(m/s)
[0054]
p：气体压力(pa)
[0055]
ρ：气体密度(kg/m3)
[0056]
f：管壁摩擦阻力(n)
[0057]
f：管截面积(mm2)
[0058]
上述方程全面的考虑了管截面的变化、流体与壁面的摩擦和熵的改变等对气体流动特性的影响，得出不同的进气歧管长度在不同的转速时对容积效率和发动机转矩的影响曲线。
[0059]
所述步骤c中进气歧管调节长度与伺服电机组件(323)角位移关系的确定方法：数据采集处理系统(33)将发出的脉冲个数转化为以mm为单位的长度，实现脉冲数、电机输出轴角度位移与螺纹套筒(322)带动安装基板(311)平移距离的对应转换，转换公式如下：
[0060]
螺纹杆(321)旋转一周所需的脉冲数n＝360/θ*a(pulse)
[0061]
螺纹套筒(322)平移1mm所需的脉冲数m＝n/p(pulse)
[0062]
式中，θ为步距角，a为细分，p为螺距。
[0063]
本发明的装置及方法投入使用时，由微处理器通过motec读取的发动机转速信息，的数据，再根据匹配关系将发出的脉冲个数转化为以mm为单位的长度，再由权利要求4所述的方法实现脉冲数到安装基板(311)平移距离的对应转换。最后，伺服电机组件(323)输出轴带动螺纹杆(321)旋转，螺纹杆(321)旋转借助螺纹带动螺纹套筒(322)作平移移动，套筒(12)带动安装基板(311)做上下平移运动。其瞬时运动状态分为以下两种：当伺服电机组件(323)输出轴顺时针旋转时，带动螺纹杆螺纹杆(321)同方向旋转，通过螺纹带动螺纹套筒(322)向下移动，安装基板(311)向下调整，从而能实现进气歧管长度缩短，各缸的气流通道长度增加。当伺服电机组件(323)输出轴逆时针旋转时，带动螺纹杆(321)同方向旋转，通过螺纹带动螺纹套筒(322)向上移动，安装基板(311)向上调整，从而能实现进气歧管长度增长，各缸的气流通道长度增加。
[0064]
在此运动过程中，稳压腔工作容积和进气歧管工作长度定义如下：
[0065]
稳压腔工作容积＝上稳压腔体(11)容积 下稳压腔腔体(12)有效容积
[0066]
其中，上稳压腔体(11)容积设为初始容积l0，下稳压腔腔体(12)有效容积由其进气歧管副管组件(31)的位置决定。当进气歧管副管组件(31)移动到最顶端和最底端时，设下稳压腔腔体(12)有效容积对应为l1和l2。即稳压腔在容积l0 l1-l0 l2之间工作。
[0067]
进气歧管工作长度＝进气歧管(2)的初始长度 副管(312)的工作长度
[0068]
其中，设进气歧管(2)的初始长度为h0，其值略大于副管(312)的长度。当进气歧管副管组件(31)移动到最顶端和最底端，设副管(312)的工作长度分别为h1和h2，这就决定着进气歧管工作长度在h0 h1-h0 h2区间内。
[0069]
本实例通过上述工作过程为不同的发动机转速匹配相应的气流通道长度，实现对伺服电机的旋转精确控制；能够在发动机不同的工况下顺利进行歧管长度的动态调整，有效的满足了发动机不同转速下的进气需要，有效提高充气效率和加强气体进入气缸内的湍动能，提高进气效率。
[0070]
以上所述仅为本发明优选的实施例，并不用于限定本发明的保护范围，应当理解，在不违背本发明实质内容和精神的前提下，本领域技术人员所作任何修改、改进或等同替换等都将落入本发明的保护范围。