第二章 发动机的换气过程文档格式.docx
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3)进气过程
图1-2-1中从排气门早开点d到晚关点a′,约220~265℃A的drr′aa′段为进气过程。
进气初期,由于进气门开启面较小,节流损失很大,活塞又加速下行,导致缸内压力下降较大;
随着进气门开启面积增大,进入气缸的充量增加,使得缸内压力上升;
进气后期,高速流入气缸的充量,由于气流动能转为压力能,使得缸内压力又有所上升。
但是在这一阶段,由于气体需要克服进气系统的流动阻力以及存在吸热温升等的影响,使得缸内气体压力要低于进气管压力。
4)气门重叠
图1-2-1中dr′段是气门重叠阶段。
这是由于排气门晚关、进气门早开,存在进、排气门同时开启的现象。
2.配气相位及其对性能的影响
进、排气门的开、关时刻及开启持续时间(用℃A表示),称为配气相位,如图1-2-2。
进、排气门开、关时刻与进气充量、进气阻力、换气损失等密切相关。
1)排气早开角
图1-2-3排气早开角对排气损失的影响如图1-2-2
膨胀过程末期,缸内压力较高,如果到下止点才打开排气门,由于开启初期气门上升缓慢,开度也小,再加上气流因惯性而不会马上高速流出,这些都会使排气不畅,排气损失和阻力增大,并间接影响进气充量。
因此,要求排气门在上止点之前提前开启,这一提前角就是排气早开角。
如图1-2-3所示,排气早开角若过大,自由排气阶段排出气体过多,缸内压力下降太快,膨胀做功会因此而减小,此部分损失(图中面积)称为自由排气损失。
排气早开角若过小,又会增加活塞强制排气所消耗的功,此部分损失(图中面积)称为强制排气损失。
可以看出,必然存在一个最佳的排气早开角,使得总排气损失(自由排气损失、强制排气损失之和)为最小。
最佳的排气早开角应随转速升高而应适当增大。
图1-2-4给出了转速对排气早开角的影响。
如图所示,若排气早开角不变,转速对膨胀线影响不大,故认为自由排气损失都一样;
但是,相同的自由排气时间所对应的转角,必然是高转速大而低转速小,即发动机高转速时,以曲轴转角计算的自由排气阶段延长,故高转速时缸内压力下降缓慢,使得强制排气损失增大,且转速越高,排气损失越大。
所以,随转速升高而应适当增大排气早开角,以降低排气损失。
2)排气晚关角
如果排气门在上止点关闭,此时废气还具有一定向外运动的惯性。
为充分利用这一惯性,增大排气量,排气门可在上止点之后适当晚关,一般在缸内压力接近排图1-2-4转速对排气早开角的影响
气门外背压时关闭,可获得最大的排气效果。
这一延迟关闭角就是排气晚关角。
排气晚关角过小,排气惯性利用不足,若过大,会因活塞下行缸内压力小于排气管压力而使已排出的废气倒流缸内。
所以,排气晚关角有最佳值,且随转速升高而应适当加大。
3)进气早开角
进气门若在上止点开启,因开启初期气门上升缓慢,流通截面小,以及进气气流由静止到加速的滞后影响,会使缸内真空加大,进气量减少,进气损失增大。
所以要求进气门在上止点前适当开启,这一角度就是进气早开角。
进气门早开时排气尚未结束,缸内压力高于进气管压力,若进气早开角过大,会造成废气倒流进入进气管的回火现象;
若进气早开角过下,则进气不足,所以进气早开角有最佳值,且随转速升高应适当增大。
4)进气晚关角
进气门晚于下止点关闭的角度叫进气晚关角。
进气门晚关主要是为了充分利用下止点时高速进气气流的惯性,增大进气充量。
进气门若能推迟到气缸压力接近进气门外背压时关闭,则可获得最大的惯性效应。
进气晚关角过小不能充分利用进气惯性,过大则有可能把已进入气缸的新鲜充量推回到进气管,所以有一个最佳的进气门晚关角。
由于进气气流的惯性和发动机转速成正比,所以,进气晚关角的最佳值应随转速的升高而加大。
可见,进、排气的早开、晚关角度都由其特定功能和最佳角度,且最佳角度都应随转速升高而适当增大。
其中,进气晚关角对进气充量影响最大,而排气早开角对排气损失影响最大,所以,在确定配气相位时,进气晚关角和排气早开角受到特别关注。
5)气门重叠
进、排气门同时开启时,进气管、气缸、排气管互相连通,对于自然吸气汽油机,若进气门开启太早,废气倒流入进气管会出现回火,且负荷越小,节气门开度越小,进气管真空度越大,越容易出现回火,所以,自然吸气汽油机的气门重叠角不易过大,一般小于40℃A。
对于自然吸气柴油机,进气管为新鲜空气、且小负荷时也没有进气管真空度增大的现象,故气门重叠角可适当增大,一般约为60℃A。
对于增压柴油机,进气管压力大于排气管压力,故可利用新鲜空气扫除缸内残余的废气,增加新鲜充量,同时又可以冷却喷油嘴、排气门、活塞等高温零件,降低热负荷,因此,增压柴油机的气门重叠角较大,一般为80~140℃A。
2.2四冲程发动机的充气效率
1.充气效率
是实际进入气缸中的新鲜充量与进气状态下充满工作容积的新鲜充量之比。
(1-2-1)
式中:
-实际进气气缸的新鲜充量的质量、体积(进气状态下的当量体积);
-进气状态下充满气缸工作容积的新鲜充量的质量、体积;
所谓进气状态,对于自然吸气发动机,指当时、当地的大气状态;
对于增压发动机,指增压器压气机出口的气体状态。
高,代表每循环进入气缸的新鲜充量多,则发动机的有效功率、扭矩增加,因此,
2.影响充气效率的因素
按照定义式,推导得
表达式(1-2-2)或(1-2-3)如下:
(1-2-2)
(1-2-3)
式中
、
——进、排气门关闭时气缸容积(见图
—进气状态气体的压力、温度;
—进气门关闭缸内气体压力、温度;
—排气门关闭缸内气体压力、温度;
—压缩比
—残余废气系数,即进气过程结束时,缸内残余废气量与缸内新鲜充量的比值。
由式(1-2-2)或(1-2-3)可见,影响
的因素主要有:
进气状态、进气终了缸内气体的压力和温度、配气相位、压缩比、残余废气系数。
1)进气终了压力
对
有重要影响,
愈高,
值愈大。
(1-2-4)
式中
—进气过程中克服进气系统流动阻力而引起的压降。
根据流体力学知识,流动阻力分为沿程流动阻力和局部流动阻力。
沿程流动阻力是因管道壁面与流体摩擦而产生,局部流动阻力是因管道截面变化产生的分离流或涡流而引起。
是进气管道沿程流动阻力和各部件局部阻力之和。
不管是那种流动阻力,都随着气体流速(发动机转速)的上升成比例增大。
对于四冲程非增压发动机,其进气系统是由空滤器、进气管、节气门、进气歧管、进气道和进气门等组成。
由于发动机的进气管道较短,内表面光滑,沿程阻力较小。
流动损失主要来自于空滤器、节气门、进气门等的局部阻力损失,其中,进气门处的流通截面最小且截面变化最大,流动损失严重。
因此,增大此处的流通能力并减少流动损失,也就成为人们一直关注的重点。
减小进气门处流动阻力的主要措施如下。
①增大进气门直径,选择合适的排气门直径
增大进气门直径,即增大进气门口的有效流通截面积。
在传统的两气门结构中,进气门直径可达活塞直径的45%~50%,进气门比排气门大15%~20%,受结构限制,进一步增大比例已很困难。
②采用多气门结构
为了进一步增大进气门流通截面,提高充气量,现代发动机采用了3~5个(每缸2~3个进气门、1~2个排气门)的多气门结构。
表1-2-1是几种典型的多气门和2气门汽油机动力性能比较,可以看出,多气门使发动机的最大扭矩、功率以及最高许用转速都得到了提高,发动机动力性得到明显改善。
表1-2-1多气门与2气门轿车发动机动力性能对比
品牌
一汽捷达
法国标致
德国欧宝
每缸气门数
2
5
4
最大扭矩/(
)
(转速)/(r/min)
121
(2500)
1500
(3900)
161
(4750)
183
(5000)
170
(3000)
196
(4800)
最大功率/(kW)
53
74
(5800)
93.5
(6000)
119
(6500)
85
(5400)
110
多气门结构不仅增加进气充量,还可以使火花塞或喷油器布置在燃烧室中央,有利于提高汽油机的压缩比或柴油机的混合气形成质量,提高混合气燃烧速度,改善发动机的动力性和经济性。
另外,多气门发动机多采用双顶置凸轮轴结构,可减小系统传动件质量以适应现代发动机高转速的需求。
因此,汽车发动机特别是轿车汽油机是否采用多气门技术是评价发动机性能的一个重要结构指标。
目前,轿车上的多气门发动机多是四气门式的。
这是由于气门数目的再增多使整个气门机构更加复杂,并且缸径大于80mm时,进气门有效流通截面反而会有所降低。
③增大气门升程,提高气门开启速度
适当增大气门升程,合理设计凸轮型线以提高气门开启速度,从而增大气门的时间-截面值(指气门开启截面积和其对应开启时间的乘积),提高通过能力。
另外,适当加大气门杆身与头部的过渡圆弧,减小气门座密封面的宽度,修圆气门座密封锥面的尖角等措施,均可改善进气门处流体动力特性,减小流动损失。
2)进气终了温度
进气终了温度
高进气状态温度
,
升高,充入气缸的工作密度减小,从而使
降低。
因此,在条件允许的情况下,应力求降低
。
引起
升高的主要原因有:
①进去过程中与高温零件接触而引起的温升;
②与高温残余废气混合而引起的温升。
其中,高温零件的加热是
升高的主要原因。
转速愈低,每循环加热时间愈长,
愈高;
负荷愈高,缸壁等零件温度愈高,
也就愈高。
3)进气晚关角
反映了进气晚关角对
的影响。
尽管由于进气门晚关,
,但是
增大。
这是因为进气门晚关,在
减小的同时,却带来了
的增大,所以,肯定存在一个最佳的进气晚关角使
有最大值。
这正和1.2.1节所描述的最佳配气相位相一致。
4)排气晚关角(残余废气系数)
排气门晚关,会减小排气阻力,减少缸内残余废气量,降低残余废气系数,由(1-2-3)可知,也间接使
提高,但较进气晚关角对
的影响要小得多。
另外,缸内残余废气量的减少,对混合气的燃烧有利,特别是对改善汽油机低负荷时的工作稳定性、经济性和排放性都有好处。
除了排气门要适当晚关(见1.2.1节),同时也要尽可能降低排气系统各管道的阻力,以降低残余废气系数。
发动机排气系统主要由排气门、排气道、排气歧管、消声器、三元催化转化器等各种废气净化装装置和连接管道。
为了满足排放和噪声法规,进一步提高催化器和消声器的性能,往往会增大排气系统的阻力。
因此,发动机各种性能指标之间往往会出现冲突,需要综合考虑,有所取有所舍。
5)压缩比
压缩比增大,压缩容积减小,残余废气量减少,
6)进气状态参数
进气状态参数
本身是定义充气效率的基准参数,所以,
增大、
降低,新鲜充量密度增大,使实际进气量增多,但不等于充气效率必然增大。
由于进气充量增大,会使输出功率增加,所以人们采用增压、增压中冷(见1.2.4节)的方式来提高功率。
3.充气效率特性对发动机性能的影响
汽车发动机的负荷和转速变化范围都很宽广。
不同负荷下,充气效率随发动机转速变化的规律,称为充气效率特性。
对于汽油机,进入气缸的是可燃混合气,其输出扭矩的大小是靠改变节气门开度调节进入气缸的混合气量来调节的(称为质调节),所以当节气门全开时,充气量的多少就基本决定了各转速全负荷时输出的功率和扭矩,也就决定了整机的最大动力性。
对于柴油机,尽管其动力性是通过调节喷入气缸的燃油量来调节的(称为质调节),而不是进气量,但是最大充气效率的变化规律,限制了柴油机允许喷入的最大燃油量,也就限制了可能达到的最大动力性。
因此,不论汽油机还是柴油机,在油门全开时,充气效率特性的变化规律对其动力性有特别重要的意义。
在上述影响充气效率的因素中,对充气效率有重要影响的是进气终了压力、温度和进气晚关角。
综合分析这些因素在不同转速时对充气效率的影响,得充气效率特性曲线的变化规律如图1-2-5所示,在某一转速时有最大的
,偏离此速度时
均下降。
这是因为油门开度一定时,随转速升高:
①
相当于进气温度上升程度降低,
曲线略上升;
②
减小,
降低,转速升高到一定程度后,
下降速度加快;
③在某一转速时,进气晚关角充分利用了此时气流的惯性,
有最大值,偏离此转速均降低。
对于汽油机而言,由于节气门存在,进气流动阻力较大,因而
随着转速升高而较快下降。
当部分负荷油门开度关小时,阻力更大,
下降更剧烈。
对于柴油机而言由于不存在节气门,进气阻力比汽油机要小,曲线变化平坦,且不同负荷下的充气效率一样。
图1-2-5汽油机、柴油机的充气效率特性
由充气效率特性曲线的变化规律可知,进气晚关角的大小基本决定了发动机在高、低速时的性能。
如图1-2-6所示,若进气晚关角较大,则低速进气性能降低而高速进气性能改善,有利于最大功率的提高,但对中、低速性能不利;
若进气晚关角较小,则低速时的
增大,有利于加大低速扭矩,提高汽车的爬坡和低速加速能力。
因此,当发动机的配气定时是固定值时,可以通过比较进气晚关角的大小评价发动机的性能是侧重高速大功率、还是偏重低速大扭矩。
图1-2-6进气晚关角对
、
的影响
2.3可变技术
1.可变配气相位发动机性能评价
根据上述充气效率特性曲线分析结论可知,对于进气晚关角不变的的发动机而言,其值的选取只能是兼顾发动机各种工况下性能的一种折衷办法,其结果是发动机性能潜力不能得到充分发挥。
因此,电控可变配气相位技术在汽车发动机特别是轿车汽油机上得到广泛采用。
可变配气相位是指进、排气门的开启和关闭时刻,以及气门升程能随发动机的工况变化做出相应的调整,以满足发动机在不同转速和负荷工况下对进、排气流通特性的要求。
不同的公司,实现可变技术的方法和机构多种多样,但控制对象就是四个配气相位角度、一个气门升程的组合。
例如:
宝马的VANOS系统和丰田的VVT-i是在一定范围内能连续改变配气相位角;
本田的VTEC系统和三菱的MIVEC系统是通过采用两组不同进气凸轮型线,实现进气门正时和升程的有级可调;
丰田的VVTL-i系统和本田的i-VTEC系统是连续可变配气相位及有级可变气门升程;
宝马的Valvetronic系统是连续可变配气相位及可变气门升程。
图1-2-7为一台2L发动机的平均有效压力Pme曲线。
在气门重叠角不变的条件下,进气门关闭角加大,使Pme曲线的峰值移向高速;
反之,则移向低速。
这说明,如果进气门关闭角可变,则不论在高速或低速,发动机动力性都能显著提高。
从图1-2-8可见,对于某一发动机转速,部分负荷的燃油消耗在很大程度上受进气门关闭角φc和气门重叠角Φ的影响,最低的等值相对燃油消耗率εb(变相位下的燃油消耗率bv与固定相位下的燃油消耗率bf之比)曲线是在进气关闭角和气门重叠角较小的状况下取得的。
因此,可变配气相位不仅优化充气效率特性曲线,提高发动机的动力性;
还可以用于减少各工况下的换气损失,提高发动机的经济性。
此外,如果进气门关闭角能在足够大的范围内变化,则可调节进气门关闭角,取代常规的节流调节负荷,在一定程度上消除了与进气节流相关的泵损失,从而降低发动机的燃油消耗率,减少NOx和HC的排放。
由于高速汽油机配气相位的设置通常偏重于高转速,进气门关闭角较大,发动机在怠速和低速运行时,气缸内的混合气会反窜至进气管中,致使气缸内燃烧不稳定,功率下降,怠速不稳定。
采用可变配气相位机构后,发动机的进气门关闭角在低速时自动减小,可消除上述现象,改善低速和怠速性能。
2.可变进气歧管发动机性能评价
由于进气的间歇性和周期性,进气管道实际上是存在着压力波动,并且这种压力波以当地声速在进气系统内传播和来回反射,对进气造成不同程度的影响。
进气管中压力波来回传播对进气门端进气压力的影响,叫进气管的动态效应。
人们希望能利用进气管动态效应来增加进气充量,改善发动机的动力特性。
随着电控技术的应用,这种愿望成为了现实。
这项技术被称为可变进气系统,目前在轿车汽油机上得到了广泛应用,如在丰田汽车上的谐振控制进气系统(ACIS)、日产汽车公司采用的可变进气系统(N-VIS)、福特汽车公司采用的可变进气控制系统(VICS)、马自达6的VIS可变进气歧管等等。
在进气过程中,由于活塞下行的吸入作用,在进气门入口处所形成的负压波,经气道向进气歧管传播,到达歧管开口处时,反射回一波形相反的正压波。
如果进气管的长度合适,使负压波传播一个来回的时间和气门开启时间相一致,那么在该缸进气终了正压波到达,提高进气门处的压力,达到增压效果。
这种动态效应习惯称之为惯性效应。
因为随着转速上升,气门开启时间缩短,为了更好地利用惯性效应,进气管的长度应随之变短。
另外,如果以一定长度和直径的进气歧管与一定容积的谐振箱组成谐振系统,并使其固有频率与气门的进气周期协调,那么在特定的转速下,就会在进气门关闭之前,产生共振或谐振,在进气歧管内产生大幅度的压力波,使进气歧管的压力增高,从而增加进气量,达到增压效果。
这种动态效应叫做波动效应或谐振增压。
对于谐振系统,进气歧管短粗,其固有频率较高,对应的谐振转速高;
反之,则对应的发动机转速低。
因此,为了充分利用进气动态效应,要求发动机在高转速、大负荷时装备短粗的进气歧管;
在中、低转速和小、中负荷下配用细长的进气歧管。
同时,还因为发动机低速运转时,细的进气歧管提高了进气速度,增强了气流的惯性,使进气量增多。
当发动机高速运转时,短的进气歧管进气阻力小,也使进气量增多。
(1)可变进气歧管长度
奔驰新SLK(R171)发动机所采用的进气歧管长度可变的机构是采用了一个控制阀来控制进气管的长度,如图1-2-9所示。
进气歧管被设计成蜗牛一般的螺旋状,分布在V型发动机缸体中间,气流从中部进入。
当发动机在2000prm低转速运转时(a图),控制阀关闭,气流被迫从长歧管流入气缸。
当发动机转速上升到5000rpm,进气频率上升,此时控制阀开启,气流绕开下部导管直接注入汽缸(b图)。
如图1-2-9奔驰新SLK(R171)
上面这种方式结构简单,但是只有2级可调,这显然不能完全满足各个转速下发动机的进气需求。
解决的办法是设计一套连续可变进气歧管长度的机构。
宝马760装配的V12发动机就采用了该设计。
宝马的进气机构中间设计了一个转子来控制进气歧管的长度,通过转子角度的变化,使进气气流进入气缸的长度连续可变。
这显然更能满足各个转速下的进气效率。
动力输出更加线性,扭力分布更加均匀,燃油经济性更好。
如图1-2-10宝马760装配的V12
(2)可变进气歧管长度及截面
日本马自达公司的可变进气谐振增压系统,其结构原理如图1-2-11所示。
它是利用由谐振箱容积、谐振管的长度与直径所决定的共振频率来控制的。
当与发动机的气缸工作频率一致时,在谐振箱产生共振或谐振,使压力达到最大值,恰好这时关闭进气门,从而使进气充量最大,以获得最大扭矩。
图1-2-11便是利用转换阀来改变谐振管长度,以改善扭矩及其相对应的最佳转速。
高速时,转换阀1开启,由于进气支管较短,共振转速较高,可以改善高速充气(JF型发动机为3500~4000r/min)。
低速时,转换阀关闭,谐振管路增长,共振转速移向低速(JF型发动机为2000~2500r/min),从而改善了低、中速扭矩。
在JF型发动机上,由于利用了高速惯性充气,再加上可变谐振进气增压,使发动机获得了从低速到高速的高扭矩特性。
通过上述分析可知,可变进气歧管长度不仅可以提高发动机的动力性,还由于提高了发动机在中低转速下的进气速度而增强了气缸内的气流强度,从而改善了燃烧过程,使发动机中低速燃油经济性有所提高。
思考题
1.什么是发动机的换气过程?
合理组织换气过程的目的是什么?
2.进排气门为什么要早开、晚关?
进排气门早开、晚关角对发动机的性能是如何影响?
为什么这4个相位角都由最佳值,且最佳值随转速升高而增大?
3.影响充气效率的主要因素有哪些?
它们是如何影响的?
4.充气效率特性曲线的变化规律有何特点?
进气门晚关角是如何影响充气效率特性曲线的?
为了提高高速时功率,进气门晚关角要相应增大,为什么?
5.什么是可变配气相位?
它影响发动机的什么性能?
6.什么是可变进气歧管?
高、低转速下如何改变进气歧管的长度?
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