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气门为什么要“早开迟闭”——说说发动机的配气机构及配气相位
 
发布日期:2019-10-15  浏览次数:103 放大字体  缩小字体
核心提示:现在汽车上使用的发动机,学名叫做往复活塞式四冲程发动机,它的基本结构是由两大机构、五大系统组成的,即曲柄连杆机构、配气机
关键词: 发动机
现在汽车上使用的发动机,学名叫做往复活塞式四冲程发动机,它的基本结构是由两大机构、五大系统组成的,即曲柄连杆机构、配气机构、润滑系统、冷却系统、燃油供给系统、点火系统、起动系统。它的工作原理是在进气冲程中吸入空气与燃油的混合气,在压缩冲程中将其压缩成高温高压的可燃混合气,在做功冲程中混合气被点燃、剧烈膨胀推动活塞下行做功,在排气冲程中将燃烧后产生的废气排出发动机。这四个循环反复进行,发动机就持续的输出强大的动力,驱动汽车飞速行驶。



通过上述原理可以看出,发动机工作不可缺少的两种物质是空气和燃油,它们在发动机进气冲程中混合在一起组成可燃混合气,标准的可燃混合气中空气与燃油的质量比大约是14.7:1,体积比大约是9000:1,这种浓度的可燃混合气正好可以将空气和燃油完全燃烧,二者都没有剩余。显然,进入发动机的可燃混合气越多,燃烧后膨胀压力越大,发动机的功率和扭矩就越大,也可以说动力性越好。所以,让尽可能多的可燃混合气进入发动机是提高发动机动力性的重要手段。



在此我问大家一个问题:空气和燃油哪一个更容易进入发动机?

在大家的印象中,肯定是空气呀!我们身边全都是空气,取之不尽用之不竭,让它进入发动机不是非常容易的事吗?而燃油数量有限,就是通过一条细细的管道输送给发动机,向发动机中喷更多的燃油应该是很困难的。但是事实与此恰恰相反,让更多的燃油进入发动机是非常容易的,只要把燃油供给系统稍作调整,比如提高喷油压力、增加喷油时间、加粗输油管路等,就可以轻松实现;但是想要让更多的空气进入发动机却是非常困难的,因为发动机气缸容积有限,在自然条件下最多只能进与气缸同体积的空气(事实上根本做不到)。没有空气,喷再多的油也没有办法燃烧,所以让尽可能多的空气进入发动机就成为了推动发动机进步的重要课题。



在发动机中负责将空气送入气缸的机构就是配气机构,它的作用就是按照发动机的工作顺序和工作循环的要求,定时开启和关闭各缸的进、排气门,使新鲜空气进入气缸,并将燃烧后产生的废气从气缸排出。进入气缸内的新鲜空气数量对发动机性能的影响很大,进气量越多,发动机的有效功率和转矩越大。因此,配气机构要保证进气充分、排气彻底。事实上,从发动机诞生至今,最大的变化就是配气机构的变化,几乎每一次发动机性能的飞跃,都是由配气机构的变革引领的,比如单缸多气门技术、顶置气门与凸轮轴技术、双顶置凸轮轴技术、谐振进气技术、可变长度进气管技术、可变气门正时技术、废气涡轮增压技术,等等,现在配气机构是发动机上最复杂的机构,没有之一。



那么配气机构又是如何将空气送入气缸的呢?首先我们来看看配气机构的构造,它是由进气管、排气管、气门组以及气门驱动组这几部分组成的。当发动机工作时,大量的空气通过空气滤芯进入进气管中,在进气门前待命;当发动机运转到进气冲程时,气门驱动组将进气门打开,空气在活塞下行产生的真空吸力作用下被吸入气缸;然后进气门关闭,可燃混合气压缩、燃烧后,产生大量的废气;在随后的排气冲程中,气门驱动组将排气门打开,废气经排气门排出。这个过程也叫做发动机的换气过程,它循环往复进行,发动机不停的吸气、排气,将燃油的化学能转变成热能和机械能对外输出。



在这里就产生了这样的问题:进排气门何时开启?开启的持续时间是多长?开启的幅度是多大?这就涉及到了一个配气相位的概念。所谓的发动机配气相位,就是以曲轴转角来表示进、排气门的开闭时刻以及开启的持续时间。它通常用一个环形图来表示,在上面有曲轴转角、进、排气门的开闭时刻、进、排气门开启的持续时间等参数。




在理论上来说,发动机进气门在进气冲程开始时打开,在进气冲程结束时关闭;排气门在排气冲程开始时打开,在排气冲程结束时关闭;它们开启的持续时间都是180°曲轴转角。但事实上并非如此。由于发动机转速很高,一个行程时间很短,只有零点零几秒,再加上气门驱动组驱动气门开启需要一个过程,所以气门全开的时间就更短了。在这样短的时间内很难做到进气充分,排气彻底,因此为了改善发动机换气过程,提高发动机性能,实际发动机的气门开启和关闭并不是恰好在活塞的上止点和下止点,而是适当的提前和滞后,以延长进排气时间,这就是发动机的实际配气相位。



发动机的实际配气相位有三方面的内容:进气门配气相位、排气门配气相位、进排气门重叠开启。

1、进气门配气相位

在发动机工作过程中,进气门是在活塞运行到排气冲程上止点之前、进气冲程还未开始就已经打开了,这样做的目的是当进气冲程开始的时候,进气门已有一定开度,可以较快地获得较大的进气通道截面,以减少进气阻力;当活塞运行到进气冲程下止点之后、压缩冲程已经开始一段时间,进气门才关闭,这样做的目的是利用空气的惯性和压差继续进气,以便让尽可能多的空气进入气缸。

从进气门开始开启到上止点所对应的曲轴转角称为进气提前角,用希腊字母α表示,它的大小一般为1 0 °~30 °曲轴转角;从下止点到进气门关闭所对应的曲轴转角称为进气滞后角,用希腊字母β表示,它的大小一般为40 °~80°曲轴转角;整个进气过程进气门开启的持续时间为(180° +α+β)曲轴转角。



2、排气门配气相位

在做功行程的后期,活塞达到下止点前、排气冲程还未开始的时候,排气门就已经开启了,这样做的目的是利用气缸内残余的压力迅速排气,并且还可以防止发动机高温;当排气冲程结束、活塞越过上止点、进气冲程已经开始之后,排气门才关闭,这样做的目的是利用废气的惯性继续排气,以尽可能的让废气排出彻底。

从排气门开始开启到下止点所对应的曲轴转角称为排气提前角,用希腊字母γ表示,它的大小一般为40°~80°曲轴转角;从上止点到排气门关闭所对应的曲轴转角称为排气滞后角,用希腊字母δ表示,它的大小一般为1 0 °~30°曲轴转角;整个排气过程排气门开启的持续时间为(180°+γ+δ)曲轴转角。



3、进排气门重叠开启

由于进气门在上止点前即开启.而排气门在上止点后才关闭,这就出现了一段时间内排气门和进气门同时开启的现象,这种现象称为气门重叠,重叠时期的曲轴转角称为气门重叠角,它的大小为(α+δ )曲轴转角。气门重叠开启对发动机换气是极为有利的,对发动机性能的影响也非常大,一般 增压发动机的气门重叠角要大于自然吸气发动机的气门重叠角。

不过很多人可能会质疑:进排气门重叠开启会不会导致气体反流呢?事实上是不会的,因为不论是进气还是排气,它们的流动惯性都是比较大的,在短时间内是不会改变流动方向的,要气门重叠角选择适当,就不会有废气倒流入进气管和新鲜气体随同废气排除的可能性。不过有很多小排量汽油发动机,当它们小负荷运转时,由于进气管内压力较低,如果气门重叠角过大,就可能出现废气倒流、进气量减少的现象,这也是小排量汽油机热效率不高的原因之一。



发动机配气相位是通过配气机构的结构来实现的。曲轴通过正时皮带、正时链条或者正时齿轮,以一定的角度和转速比例驱动凸轮轴转动(一般都是2:1的比例,即曲轴转两圈,凸轮轴转一圈),然后凸轮轴上的凸轮驱动气门开启和关闭。不同的凸轮形状(曲率、升程、基圆大小等),使气门在不同的时刻开启和关闭,就会产生不同的配气相位。由于整个配气机构各零部件之间都是刚性连接或者刚性驱动的,所以一台发动机设计制造完成后,它的配气相位也是固定不变的。

但是有一个问题,就是发动机在各种不同转速下对进排气的需求是不同的:低速时用气量少,高速时用气量大。并且转速越高,发动机进排气冲程时间越短,越容易引起进气不足和排气不净,进而影响发动机的效率。为了兼顾发动机在各个转速下的性能,通常将配气相位设计为常用转速下最优,同时兼顾高速和低速性能。显然,这种固定的配气相位只能满足发动机在某一区间的性能需求,对于转速和负荷经常变化的发动机来说,不论是动力性还是经济性都无法达到最优状态。那么有没有办法让配气相位可以根据发动机转速和工况的不同进行调节,使发动机在高低转速下都能获得理想的进、排气效率呢?



办法当然是有的,那就是可变气门正时与升程技术。所谓的可变气门正时与升程技术,就是指发动机配气相位和气门升程,可以随发动机转速和负荷的变化而随时改变的技术。它是发动机配气机构的一项巨大技术进步,实现了发动机进气过程的动态调节,让发动机的呼吸更顺畅、自然,从而使发动机的动力性和经济性都有了较大幅度的提高。这就像一个人在跑步时,需要根据自己的奔跑步伐和身体状态,不断的调整呼吸频率,让自己身体随时都有充足的氧气供应,以便维持身体的机能。



可变气门正时与升程技术总体来说可以分为可变气门正时技术(VVT)与可变气门升程技术(VVL)两大类,不同的车企采用不同的技术型式,也有些车型两种技术同时存在。大家看很多车型上标有VVT、VVT-i、DVVT、CVVT、i-VTEC等各种不同的标识,这就是可变气门正时与升程的英文缩写,凡是有这样标识的车型,就说明它使用了这项技术。在现在的汽车发动机上,基本都使用电控系统来实现这个功能,控制的更加精准与智能化。



通过发动机可变气门正时技术,还可以让发动机实现一种特殊的循环——阿特金森循环,又叫做米勒循环。它的做法是在吸气冲程结束时,利用可变气门正时技术推迟进气门的关闭,将吸入的混合气又通过进气门“吐”出去一部分,然后再关闭气门开始压缩冲程。 这样就使混合气的实际压缩量小于爆炸后的膨胀量,即膨胀比大于压缩比,因此可以大大提高发动机的热效率,提高发动机的经济性。常见的比如马自达的创驰蓝天发动机、雷克萨斯CT200、丰田2NR-FKE发动机等,通过可变气门定时机构可以很轻易的在米勒循环和奥托循环之间转换,使发动机最大限度发挥动力的同时节约燃油。另外这种发动机特别适合于混合动力汽车,它与电动机动力互补,中低速时使用电动机,高速时使用阿特金森循环,还可以让发动机以阿特金森循环模式运转给电池充电,可以获取很高的经济性。



在实际使用中,由于配气机构各零部件的磨损,会导致配气相位的失准。比如正时皮带或者正时链条拉长导致曲轴与凸轮轴运转不同步、正时齿轮磨损导致齿轮间隙过大、凸轮轴凸轮磨损导致曲率和升程的变化、气门间隙改变、液压挺柱泄漏、可变气门正时机构故障、电控系统故障,等等,这些都需要一点点慢慢的排查。还有一种情况就是凸轮轴与驱动齿轮之间的固定键松旷或变形了(在柴油机上比较常见),这种情况一般需要手工制作偏位键,现在已经很少有人会这门手艺了。



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