優團-汽車升級研究所: [技術探討] 淺談進氣管

繼上次介紹電子節氣門後，這次介紹引擎系統的進氣管，引擎系統如下簡圖1：

圖1.引擎系統

這是一般自然進氣引擎的簡圖，可以看到進氣系統裡面連接各個部件之間的管路即為進氣管。如下圖2，為引擎室內部的圖，裡面可以清楚看到部分進氣管樣貌

圖2.Fortis/CX-9引擎室

我們可以看到進氣管路有硬管跟軟管的部分，通常轉彎處為軟管為主，在此軟管的作用是用來做緩衝使用，可以讓各管路之間的公差變大，但是有一利必有一弊，軟管的壞處是無法承受較大的壓力，容易變形，特別是在高速時，引擎需要大流量的空氣時，無法直接補給到引擎室內，容易造成反應慢半拍或者引擎出力不如預期，但常有人說若有高流量需求時，最好把軟管改成硬管。在此，先讓大家猜看看，若進氣軟管內空氣流量越大時，會如下圖.3左邊讓管子膨脹，還是圖右邊讓縮小呢?

圖3.空氣流量假想圖

答案揭曉，管子會縮小，好讓氣流加速流過，如下面實驗短片

實驗短片：大氣流對管徑的變化

這原理其實就是所謂伯努利原理（Bernoulli's Law），最常被拿來運用的就是飛機翼，如下圖.4左，在相同一個空間裡，當氣流越快時，該區域單位體積空氣粒子會變少，單位面積的氣壓會減少，如同機翼上方，反之，流速慢的氣壓會相對較大，所以壓力大的部位會推往壓力小的部位。比對右圖管子內部流速遠高於管子外部，故管子內部的壓力會小於管子外部，所以管子在高速流動時，軟管的管徑會縮小

圖4. 伯努利原理 – 機翼與管子

瞭解了伯努利原理之後，我們繼續探討進氣管的進氣模式。首先，我們要瞭解何謂容積效率，在內燃機的世界哩，定義為進氣行程中氣缸真實吸入的混合氣體積除以汽缸容積，當然此比例會隨者引擎轉速、引擎構造及材質以及進氣歧管的長度等都會有所不同，是一個變動的數值，以自然進氣引擎而言，目前最高約為130%，但這是一些特殊設計的狀況才有機會產生，我們取100%來做一個計算，亦不考慮吸氣時管內造成的壓降，即進氣管保持恆壓一大氣壓來做的簡單計算模型。先介紹流體在管子內流動的種類，主要有兩種，第一為層流(Laminar flow)，此代表流體在管內是一個穩定流動的情況；另一個為紊流(Turbulent flow)，即為亂流，這並無法有效的帶動氣體流動，產生的機制通常為管壁的情況及流體的黏滯係數。如圖5.。另外，我們可以從雷諾數(Reynolds number)來定義管內為層流或紊流，其公式為慣性力除以黏滯力，若數值大於4000即為紊流，流速會非常緩慢；介於2300到4000之間為過渡區；小於2300則定義為層流。如圖6.，可以看到水流的變化，靠近牆壁的地方因為水的黏滯力產生紊流，且在牆面凹進去的區塊產生了更大的紊流，水流從有牆面拘束的地方跑到自由的空間因為壓力差亦及能量損失造成流速下降，因而產生更大的紊流，比對空氣，忽略空氣的可壓縮流體特性，產生的現象其實是差不多的。

圖5. 流體於管內流動之種類

圖6. 水流分布圖

假設大氣環境為25度，容積效率為100%情況下，能吸入空氣壓力最大為一大氣壓為1atm = 14.6921psi =101325Pa=1.03323kg/cm^2≒1kg/cm^2≒10000kg/m^2，其空氣密度約為1.17kg/m^3，由伯努利公式可以得出最大流速約為v=130m/s，此流速其實非常驚人，而原廠在軟管的設計通常為了方便轉彎，故設計的方式為可伸縮式的如米其林寶寶一圈一圈的樣貌，但其實空氣在管壁產生的亂流層會非常的厚，在此地方的最大流速截面積已經降低許多，若再因流速變大而使軟管管徑變更小，最大流速有效區將會降得更小，所以會發生越需要動力時，油門踩越兇，轉速速度上來時間越不即時。如圖7所示可以看到軟管及硬管的差別。但是並非所有的粗糙面都會產生大量的紊流，如果設計得宜，仍然是可以增加層流區域截面積，以APR碳纖維管，其內管表面有些許粗糙，經過實驗室據測試，可以有效增加空氣流量，達到更加的進氣效率，如圖8。