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谐振进气歧管

谐振进气歧管

谐振进气歧管或者说谐振进气系统,英文 Tuned Intake ManifoldTuned Intake System。谐振进气歧管是具有谐振效应的进气歧管,所谓谐振效应是指使进气歧管内的空气发生振动,以优化发动机转速下的进气过程。通过谐振效应,可以提高发动机扭矩和功率输出,并使其扭矩曲线更趋平缓。此外,发动机产生的排气声更低沉浑厚,也得到更高品质的声音效果。

谐振进气歧管的工作原理

谐振进气系统的优点是没有运动件,工作可靠,成本低。缺点是只能增加特定转速下的进气量和发动机转矩。其首次应用是可以追溯到上世纪,首次应用是在1954年产的Mercedes 300SL 车型上,因此这并不是一个太新的技术。在上世纪五十年代,工程师们认为短的进气歧管对于发动机吸气来讲是最好的选择。但是他们发现在某些状态下,实际上长的进气歧管更能促进扭矩输出。这一现象被称为“机械增压效应”。

当洁净的空气被吸入到燃烧室时,在进气歧管中的气流获得了速度和动能。当进气阀门一关闭,这团高速运动的气流会冲击阀门并进行压缩,产生了高压。因为无处释放,高压气流就会发生反弹回进气歧管中,撞击到充气室壁然后又反弹回来,如此反复,直到进气阀门又一次开启。这就是进气压力波产生的原因。工程师们发现如果进气阀门的又一次开启刚好发生在压力波回来的瞬间,那么由于压力波处于高压状态,那么压力波对于将空气填到充燃烧室是有帮助的。这个效果跟一配有轻型机械增压器的发动机所产生的效果是很接近的,因此被称为“机械增压效应”或者说是“谐振效应”。

为了与阀门开启的时间相匹配,压力波的频率需要跟发动机的转速同步。这个频率与进气歧管的长度相关。如下图所示,长度越长,压力波反弹回来的时间就越长,因此也就获得频率更低的压力波。结果就是,导致长的进气歧管可以在低转速的时候发生机械增压效应,而短的进气歧管可以在高转速区域产生机械增压效应。通过选择合适的进气歧管长度,我们就可以获得理想的功率特性。

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谐振效应示意图 (来源: autozine.org)

计算分析发现要想获得有利的机械增压效应,进气歧管应该是非常长。因为如果它太短的话,压力波会在阀门重新开启的间隙间反射多次,这样会导致高压衰减,因此谐振进气歧管需要设计的很长才行。可惜的是,谐振进气歧管只会在很小的转速区域内起作用。如果发动机转速在这个区域之前,那么压力波会到达进气冲程太晚,效果就很小。而如果发动机转速在这个区域之后,那么会出现负压的压力波反而会导致出现相反的效果,阻碍发动机扭矩输出。

一个运动车型或许需要一个短的谐振进气歧管来优化它在高转速区域的扭矩输出。相反的,一个豪华轿车或者商用车的发动机或许会选择一个长的进气歧管来获得低转速时的输出。你可以看到进气歧管长度的选择总是一个妥协的方案,这也是为什么很多现代发动机有各种不同的进气歧管的缘故。

参考:
1. Tuned intake manifold – AutoZine Technical School

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