（动力机械及工程专业论文）提高汽油机进气充量的研究.pdf

t 0 奎皇些，i ! ：! 兰! ，l 兰丝堡兰兰：! ! ! 星墨2 摘要 本文在分析影响进，l 允艟各种因素并通过实验进行验 证的基础上，论述了影“阿进7e 充量的主要因素与提高进气 充量的各种措施，从而推断国内外目前发动机技术潮流： 采用多气门技术、各种可变进气道长度、可变气门升程及 可变气门定时等先进技术的合理性，其主要目的都是为了 提高迸气充量，以满足各种_ ：l = 况下，发动机动力性、经济 性、排放品质等指标达到用厂t 及排放法规的要求。 ， 、f 在论述影响进气充量的各种因素的同时，从不同角度 强调阐述各个环节之间的相虹影响、相互协调、相互配合、 相互制约的复杂关系。但是仡设计发动机时，为了提高进 气充量，抓住主要评价指丰1 、，同时兼顾其它次要指标，使 整个发动机性能处于最优状态。 同时，本文介绍了在提高进气充量研究实验工作基础 上，将应用理论研究成果应用在新一代汽车发动机，在完 成的4 6 5 q 、3 6 8 q 、4 6 8 q 儿种电控四气门汽油机上，运用适 合于液压挺杆的配气凸轮ji l 二时传动系统的完整设计过程 和思路，对从事内燃机设和研究工作者有一定的参考价 值。j 关键词汽油机进气允：连可变气门定时配气凸轮 正时传动 t 查! 璺坐l 生! 竺! ，堂丝堡兰一 a b s t r a c t 1 nt h is t h e s i s ，v a r i 0 u s f a c t orst h a ta f f e c ti n l e tc h a r g e a r e a n y l y s e d t h e o r e t i c a l l y a n d e x p er i m e n t a l l y t h e r e f o r e ， t h e pr i m a r y f a c t or sar ef o u n da n d t h e c o r r e s p o n d m e a s u r e m e n t sa r es t u d i e dt oi n cr e a s et h e i n l e t c h a r g e t h e a b o v er e s e a r c ht e s t i f i e s t h er e a s o n a b l e l l e s so ft h en e w t e c h n 0 1 0 9 i e s ，s u c ha s ：m u l t i v a l v et e c h n o l o g y ，c h a n g e a b i e i n t a k e p i p el e n g t h ，v a r i e d v a l v e1 i f ta n d v v t ( ( v a r i a b l e v a l v et i m i n g ) t h em a i np u r p o s eo ft h em e a s u r e m e n t si s t o i n c r e a s et h ei n l e t c h a r g e ，s o a st o i m p r o v e t h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c ，e c o n o m y c h ar a c t er is t i ca n d t h ee x h a u s t pr o p e r t y ，e t c ，t om e e tt h ed e m a n d s0 fu s era n de x h a u s tr u l e s i m u l t a n e o u s l y ，t h ec o m p l e xr e l a t i o n s h i p sa m o n g s e v e r a lf a c t o r st h a ta f f e c tt h ei n l e tc h a r g ea r ed i s c u s s e d i n e n g i n ed e s i g n ，t h e cr u c i a lcr i t er i af ore v a l u a t i o ns h o u i db e c o n s i d e r e dm a i n l y b u tt h eo t h er sc a nn o tb e n e g l e c t e d i n t h i s w a y ，t h ei n l e tc h a r g ew i l l b ei n cr e as e de f f e c t i v e l y ，a n d t h ef u n c t i o no fe n g i n ei si nt h eb e s tc o n d i t i o n a 1 s o s o m ew or kisd o n et o a p p l y t h et h e o r e t i c a i r e s u l t st oan e wg e n e r a t i 0 1 1o fa u t o m o b i l e e n g i n e i n t h e c o m p l e t e de l e c t r i c c o n t r 0 1f o ur v a l v e e n g i n e ，4 6 5 q ，3 6 8 q ， 4 6 8 q ，ac o m p r e h e n s i v ed e s i g n c o u r s ea n d t h i n k i n g t h a t i i 查型i l ! ：! 塑1 塑! 堡兰 一 s u i t a b l ef or h y d r a u l i cl i f tm a t c hg a sc a ma n ds y n c h r o n o u s dr i v es v s t e ma r eu s e d ，w h i ch isa v a i l a b l ef o rr e f er e n c et o t h ei n t er n a lc o m b u s t i o ne n g i n ed e s i g n era n dr e s e a r c h e r k e yw o r d s ：i c e n g i n e ，1 n l e t c h a r g e ，v v t ( v a r i a b l e v a l v e t i m i n g ) ，m a r c hg a sc a m ，s y n c h r o n o u sd r i v e 第一章绪论 1 1 概述 作为热力循环的第个i 程吸气冲程，尽可能提高其 充气量，为以后的良好燃烧作好充分的准备，这是提高发 动机动力指标的十分重要的先决条件。提高进气量，即要 求大小相同的气缸容积，在相同的吸气环境状态下，能吸 入更多的新鲜空气，则将容许：进入更多的燃料，在同样的 燃烧条件下，可以获得更多的有用功。因此，如何提高进 气量是设计发动机时必须考虑的问题，而影响进气量的多 个因素相互牵连多变，因此对于其研究有重要的理论价值 和实用价值。 1 2 提高进气量技术发展及国内外现状 随着对发动机性能要求的不断提高，发动机对进气量 的要求也在不断的变化，四冲程机开始使用2 气门机构， 随着对发动机最大功率要求的提高，国内外在新型的汽油 机上已广泛采用多气门( 3 5 个气门，但多数为4 个气门) 方案，另外对各种可变进气道长度、可变气门升程与可变 配气定时的研究也得到了重视，由于多气门结构提高了高 速动力性，而降低了低速动力性能，因而出现了多气门可 变进气配置系统，提高低速进气量，通过改进燃烧室和进 排气道形状，改善了燃烧过程，从而提高高速与低速性能。 车用汽油机多气门化发展很快。9 0 年代以后开发的汽 查坚型f ! ：! 塑! 堂竺堡兰 油机新产品大部分是4 气j ，少数已丌始采用5 气门，如 我国一汽大众的捷达王轿1 j 川发动机。 可变气门定时( v v t ) 技术以意大利菲亚特的变进气 相位技术和闩本本田的进、州气相位同时改变技术为代表， 主要为了提高进气充量，j ：述技术现已在高性能的发动机 上得到大量应用。 通过利用进气波动效应的方法来增加进气量，还广泛 采用种可变进气管长度的力法。过去在大型载重车上使 用，现在轿车上也大量采用。 增压是提高进入内燃机气缸的充量密度，目的是提高 进气充量，过去只应用于柴油机，现在国外大多汽油机都 采用这一技术，同时电控增压技术已在国外高性能汽油机 上广泛采用。 由于配气凸轮对发动机气门截面的巨大影响，而气j 流通截面的大小主要靠配气凸轮来控制，因此对配气凸轮 的设计要求深多。配气凸轮过去使用机械挺杆来驱动，现 在国外已有许多采用液压挺杆来驱动，因此，配气凸轮设 计必须考虑机械挺杆与液压挺卡1 ：的不同要求。这些都是为 了提高进气量。 1 3 本文的主要工作 进气量多少对发动机性能影响较大，本文主要通过理 论分析和实验分析研究影响进气充量的各种因素，找到影 响进气充量的主要因素，进行论述。 ( 1 ) 分析内燃机换气过程寻找影响迸气量的直接表达 2 太蟓j l jf 人，：f l ! j i 学位论殳 式。 ( 2 )通过对充量分析边仃剖析，综合提出提高充量系 数的措施。 ( 3 )通过理论分析，推断j 影响进气量的根本出发点， 设计实验方案，验证理论分十j i 的j 下确与否，以便于用来指 导实践。 ( 4 )由于理论分析与实验结果的一致性，重点提出气门 升程和凸轮型线的设计i f 1 ：，并将其应用在实际工作中， 与德国依纳公司联合丌发了适合液压挺杆所需的凸轮型 线。 ( 5 ) 为了满足进气量的要求，对正时传动系统的要求特 别严格，为此详细介绍正时传动系统的设计与研究。 。壕拙妇随娃妣鼽。 第二章四冲程内燃机换气过程 内燃机的充量更换过震t 是指从排气门或排气口丌启 ( 对：二冲程内燃机而言) 争进气门或排气口关闭的整个阶 段，办即为四冲程发动机的进排气过程或二冲程发动机的 扫气过程。由于内燃机充量更换过程的目的是将已燃气体 排除并为下一循环吸入新鲜充量，因此，判断充量更换过 程是否完善的指标，是已燃气体是否排尽以及进入气缸的 新鲜充量是否充分，这不仅取决于充量更换过程有关的各 种附属系统的设计是否合理、有效，而且也与发动机的运 行状态有关。另外，采用增压可以提高迸气密度，改善换 气质量，提高发动机的升功率。 四冲程内燃机的换气过程中，气缸压力、排气管中的 压力随曲轴转角的变化情况以及相应的低压示功图2 l ( p v ) 。 从图中可以看出，排气门开启后，燃气从气缸急速流 入排气管，气缸压力很快下降，直到排气上止点后的某一 位置排气门关闭为止。进气门在上止点前丌启，新鲜充量 流入气缸，直到进气下止点后的某一位置关闭为止，在排 气上止点附近，进、排气门同时开启。四冲程内燃机的换 气过程可分为自由排气、强制排气、气门叠开、进气等阶 段，先分析各阶段的特点，并在分析换气损失的基础上提 出提高充量系数的措施。 4 蠡激女遂i 汹魄g 妇缸如i 。 葑 进排 排气行程开美进气行程 j - 申由排气 i i 强制排气 l p 临界亚临界 _ ly 气门叠开 划q ：( 一 二 藿备铲 - ) 八，! 八 l 上下 f 止止 点点 b 1 图2 1 换气过捌c | j 的有关参数的变化 a ) 气缸压力及排气管压力随曲轴转角的变化 b ) 进排气rj 流通截面比随轴转角的变化c ) 低压示功幽 2 1 自由排气阶段 由于受配气结构的限制，气门在丌启过程中只能逐渐 加大其流通截面。如果排气门刚好在膨胀行程下止点时开 启，则排气门流通截面增加过缓，气缸压力下降迟缓，活 塞在向上止点回行时将造成较大的反压力，增加排气行程 所消耗的功。所以，内燃机的排气门往往都在膨胀行程到 达末期前，即活塞到达下止点前的某一位置提前开启，称 为排气提前。排气提前角为3 0 。8 0 0 ( c a ) 。 排气门刚打开时，缸内压力远高于排气管内压力，随 着排气过程进行以及排气f j 的流通截面的逐渐增大，排气 管内的压力将逐渐升高，直龟在某一时刻达到或接近缸内 t ： 删沁酬毒簸臻禹蒸。瓿j 蠡 查! ! ! 。，! ：竺竺! 兰丝丝茎 压力。这阶段由于有】i “qj i ! 力差的存在，排气可以自发 的进行，故把从排气门 u 气缸压力达到排气背压( 排 气管内压力) 的时期，成为l7 l 由排气阶段。 在气门丌启时间内，流经气门的气体质量与气门前后 的状态关系式为 ( f ，”j 厂一一 面2 磊肚抑t 式中，下标i 表示上游流动参数( 相应地，i i 表示下游的 流动参数) ；u 与a 分别为气门处的流量系数与流通截面 积，可分别根据试验结果和气门的几何参数确定；v 为流 函数，与上、下游的流动状念有关，其计算式为 嗣 ( 鬲2 厂2 k _ ( 斋广 告p 斋厂l庀+ i 在自由排气阶段的初期，由于排气门刚刚开启，缸内 压力较高排气管压力与气缸压力之比往往小于临界值 ( 南 “。，流动呈现超临界状念，缸内气体以当地声速流过 排气门，此时，排气质量流量只取决于缸内气体状态和排 气门有效开启截面的大小，与排气管内的气体状态无关。 随着排气的进行，排气管压力与气缸压力之比超过临界值 6 太燎埘1 人。? 坝i j 学位论文 f 寿厂之后，气体流动础i 进入亚临界状态；直到某- - h q 刻气缸压力与排气管内的。i 体压力接近相等，自由排气阶 段结束。在该阶段中流j 的7e 体质量，不仅与排气门的有 效流通截面有关，还与舶内驯排气管内的压力差有关。 山此可见，自由排7e 阶段中排出的废气量与内燃机的 转速无关，但在高速时，刚样的排气时问对应的曲轴转角 将大为增加。为使气缸压力及时下降，必须加大排气提前 角，否则将使自由排气阶段( 以曲轴转角计) 延长、排气 消耗功增加。所以，随发动机转速的增加相应增大排气提 前角。 自由排气阶段虽然占整个排气时问的比例不大，但由 于废气流速很高，排出的废气量可达6 0 以上，一般持续 到下止点后10 。3 0o ( c a ) 结束。 2 2 强制排气阶段 自由排气阶段结束后，气缸内的废气将被上行活塞强 制推出，直到排气门关闭，这过程就是强制排气阶段。 由于气体在流动过程中要克服排气门、排气道以及消声器 等处的流动阻力，缸内的气体压力要略高于排气管内的平 均压力，而且气体流速越高，压力差也就越大。另一方面， 由于气体在排气管内的压力波动，有可能形成压力逆差， 即气缸压力低于排气管内的压力，这种情况往往出现在排 气管较长时强制排气丌始的仞期。因此，缸内气体的状态 由活塞的运动速度与位置、气门有效流通截面的变化规律 太原理工人学硕士学位论文 以及排气管内的气体状态等共同决定。 随着活塞的上行，排气门流通截面开始逐渐减小，气 体流经气门的节流作用加强，因而在上止点附近，气缸压 力再次升高，其直接后果是，排气所消耗的功与缸内的残 余废气量都增加了，这对于换气与燃烧过程都不利。因此， 排气门不允许刚好在活塞到达上止点时关闭，而应当在上 止点后一定角度时关闭，这就是排气迟闭。排气迟闭期间， 可以利用缸内气体流动惯性从气缸内抽吸部分废气，实现 过后排气，但由于到达上止点后活塞已开始下行气缸容 积不断增加，过大的排气迟闭会导致废气倒流。当废气从 气缸流出的流动过程刚刚停止时，就是理想的排气门关闭 时刻，排气门迟闭角为1 0 0 2 0 0 ( c a ) 。 2 3 进气过程 从进气门开启到关闭的全过程都是进气过程。为了使 得在进气过程开始时，进气有一定的流通截面，以减少进 气过程的阻力，增加进入汽缸的新鲜充量，进气门一般也 在上止点前提前开启，称为进气提前，进气提前角为1 0 o 3 0 0 ( c a ) 。 尽管如此，新鲜充量的真正吸入，要等到汽缸内残余 废气膨胀至低于进气管压力才开始。刚开始时，由于活塞 的下行运动造成缸内体积的膨胀，加上气门开启还不充分， 缸内的压力有一段短时间迅速降低，这为新鲜充量的顺利 流入创造了条件。随着进气门流通截面的加大，进入汽缸 的新鲜充量不断增加，加上已进入汽缸的新鲜充量被温度 8 ，。1 ，嫱隧i 数漱# 瓣始、 查璺些三叁兰丝生兰竺丝塞 较高的燃烧室表面和残余废气所加热，汽缸压力逐渐升高。 到进气终了，一部分充量的动能转变为压力能，另一部分 动能由于涡流和湍流而转变为热能，从而加热进气，于是 新鲜充量的温度和压力都有所提高，但此时迸气管内的压 力仍高于缸内压力，为了利用在吸气过程中形成的进气管 内气流的流动惯性，实现汽缸的过后充气，进气门不在下 止点关闭，而是在下止点过后的一定角度时延迟关闭，即 进气迟闭角。这样，有可能使得进气过程终了时，缸内的 压力等于或略高于进气管压力。进气迟闭角一般为2 0 o 6 0 。( c a ) 。高速时气流流动的惯性大，进气迟闭角应相应 大一些。 里 流进 缩终 定时 2 4 的提 尽管利用过后充气可以有效地增加进入 但过大的进气迟闭角，会使得低速时发生 入进气管的现象，也会影响有效压终比， 了温度，使发动机的冷起动困难。因此， 是十分重要的。 气门叠开和燃烧室扫气过程 通过对进气过程和排气过程的分析可以发 前开启与排气门的延迟关闭从时刻上看 气缸的空气 缸内气流倒 从而影响压 合理的进气 现，进气门 都位于排气 上止点前后，这样就会在排气行程上止点附近出现 气门同时开启的特殊现象 相应的角度是气门叠开角 之和。 ，通常将这一现象称为气f ，它是排气迟闭角与进气 进、排 1 叠开， 提前角 在气门叠开期间，进气管、气缸、排气管三者直接相 9 奎! ! ! 型! ：! 型! 兰竺堡兰 一 通，此时如果进气管k j 人j | 排气管压力，新鲜充量在萨 向胍力差的作用卜流入7 i ，与缸内残余废气进行混合后， 部分可以直接流入排气管r ”。这样，一方面有利于扫除缸 内的残余废气，气缸充量，达到扫气目的：另一方面，有 可以降低燃烧室内气缸盖、排气门、活塞顶、缸套的温度， 尽管带走的热量但对于这螳受热严重且冷却困难的关键零 件，其效果却是显著的。 内燃机的型式不同，气门叠丌角的大小也有所差异。 对于汽油机而言，由于他它是采用节气门来调节内燃机的 功率，进气管内压力总是低j ：大气压，特别是在小丌度时 更是如此。叠开角过大时高温废气有可能倒流进入进气管 乃至燃料供应系统中，引起进气管回火。同时，由于新鲜 充量中含有燃料，利用新鲜充量进行扫气将导致燃料的损 失以及未燃碳氢排放物的增加，故这类内燃机的气门叠丌 角一般都是比较小的。在非增压柴油机中，其进气管内压 力始终接近大气压，因此可以允许采用较大的气门叠开角， 增加扫气效果，以达到提高内燃机在常用转速范围内充量 质量的目的。统计显示，一般非增压柴油机的气门叠丌角 在2 0 。5 0 0 ( c a ) 范围内。 对于增压柴油机而苦，情况却有所不同。在一般情况 下，增压柴油机进气管内的压力在气门叠开期内总是高于 排气管内的压力，因此总有一定数量的新鲜充量在正向压 力差的作用下由进气管通过燃烧室后流入排气管中，以达 到扫除燃烧室内残余气体的目的。同时，增压柴油机的热 1 0 垒js ! 型l ! ：! 竺! ：兰竺丝：兰 负荷较非增压柴油机严m ，适当的扫气冷却不仅有助于降 低受热零件( 如排气门) 表i | i 的温度，提高其可靠性，还 可以降低增压器涡轮的边1 湍度。证因为燃烧室扫气有如 此有利的作用，增压柴汕机都采用比非增压柴油机大的气 门叠丌角，一般为8 0 。l 40 。( c a ) 。对于机械增压柴油机， 由于进、排气王丘差大，过多的扫气会加重压气机的负担 而使机械效率降低，故其叠 角一般取较小值；对于涡轮 增压柴油机，由于进、排气脏差小，叠丌角可取较大的值。 但是，过大的叠开角可能会使气门与活塞发生相撞，活塞 上的气门避让坑相应地加深，从而直接影响燃烧室气体运 动的合理组织以及压缩比的大小。而且，过多的扫气空气 也会加重涡轮增压器的负担。 除了增压内燃机外，较大的气门叠丌角对于高速内燃 图2 2 内燃机进排气门的开启时间( 外阁表示增乐) 机也显示出较大的优点，它对于提高缸内充量的效果是十 l 分显著的。 将进、排气门丌、天m 艘( 曲轴转角) 以及相对上下 止点的位置画出，图2 2 为内燃机进排气门的丌启时洲即 配气正时图，图中表示了p q 冲程内燃机配气定时的大致范 围。 2 5 换气损失 换气损失是实际循环所1 i 可避免的损失，根据热力交 换原理，换气损失定义为理沦循环换气功与实际循环换气 功之差。 对于不同类型的发动机预言，换气损失是不同的。图 2 3 是四冲程内燃机在非增j e 与增压条件下的涣气损失示 意图。在非增压内燃机中，理论循环的换气过程( 图2 3 a ) 是排气行程线与进气行程线重合，换气功为零；而在实际 循环中，从排气门开启直到进气门关闭，发动机消耗在换 气上的功( 其值为负) 如| _ i 影l 缸积所示( 图2 3b ) ，它代表了 有效功在换气中的损失。 对于增压内燃而者，理论的换气过程( 图2 3 c ) 是经过 压缩的新鲜充量以增压压力只等压地流人气缸，而排气则 以p ，等压地排出，进气与排气压力值均高于大气压力，且 只 p t 。这样，换气过程所袄得的功( 其值为正) 为图中的矩 形面积所示；丽实际的换气过程中( 图2 3 d ) ，换气过程所 获得的功却是图中的封闭曲线面积，小于理论循环值，两 者之差就是换气损失，其大小可由图2 3 d 中的阴影面积来 表示。 1 2 ；耪藤蕴藏，鑫滋i 魏蕊， a 衄j 型1 人；o 坝i 学位沦艾 由于换气过程主要足山进气过程和排气过程所组成， 因而其损失也是山迸气拟火删排气损失两部分组成。 2 5 1 排气损失 从排气提前丌启，直剑吸气行程丌始、气缸内压力达 到或接近进气管压力之f j d ，仡此阶段所损失的功称为- h f 气 损失。它义可以分为防部分，即膨胀损失和推出损失，在 图2 3b 和图2 3 d 上分别以面积x 和y 来表示，前者是有 效膨胀的减少，后者是把排气推出所消耗的功。 随着排气提前角的增人，膨胀损失增加，而推出损失 功减少，这可以从图2 4 所列的一台增压内燃机的示例中 图2 3 四冲稃内燃机的换气损失示意 a ) 1 增压内燃机理论换7e 过稃示意图b ) 非增压内燃机实际 换气过程示意图 c 1 增压内燃机理论换气过程示意图d ) 增压内燃机实际换气 过程示意图 1 3 i ：赫瀚翻谶隧蘸滤 w 膨胀损火功x 讥= 6 ，人功 x + yu 泵损火 可以清楚地看出。wd l ：，最有利的排气提f i i 角，应当 使两者损失之和为最小。 除了排气提前角以外，发动机的转速对排气损失的影 响也较大。一般而言，转速提高时，发动机膨胀损失的增 加幅度远远小于推出损失的增加幅度，而两者之和在总体 上呈现增加的趋势。 2 5 2 进气损失 与排气过程不同的是，进气损失不仅体现在进气过程 lo i o 6 o o j 晤塞行程 ) 下止点 图2 4排气提 甫知和转速对排气损，人的影响 a )转速不变时排气提前角的影响 b )排气提前角不变时转速的影响 所消耗的功上，而重要的是体现在进气过程中所吸入新鲜 充量的多少上，因为前者对f 内燃机的热效率乃至功率应 影响不大，而后者对内燃机性能有显著的影响。 、。、。融“，卜q 是毫；建；鲞阪孟 学 t 论文 压机) 或增压力线p ( 增j j 机) 之f ，两者之差圈成的阴 影部分面积可分别用y 表示。将它与排气过程中的损失相 1 0 0 重8 0 妄6 0 趟 螽4 0 霸 b 卜2 0 0 2 0 0 02 5 0 03 0 0 0 h f 卜r a i n - ) 图2 5 换气损失随内燃机转述的变化 比，其值明显相对较小( 图2 5 ) 。 合理调整配气正时时，加大进气门的流通截面、正确 设计进气管及进气道的流动路径以及降低活塞平均速度 等，都会使进气损失减少。 2 5 3 泵气损失 换气损失由进气损失与排气损失所组成，对应图2 中 面积w 、y 与x 之和。从实际循施功图的分析中可以发现， 面积w 以及掺杂在面积x 和y 中的一小部分u ( 图中以交 叉线表示) 所表示的功损失，已经在求取平均有效压力时 包括进去，故将换气损失中剩余的由面积x + y u 所表示的 功损失，定义为泵气损失。 在非增压内燃机中，泵气损失是由p v 图中换气过程 堑 兰三坠型l 叁! 竺! 堂些堡兰 封闭曲线面积所代表的负j j 水表示的，如以表示泵气损 失，则有 h 0 = b + y 一“) l ， 式中，。为示功图的比例系数。 在增压内燃机中，i j _ j 进气压力高于大气压力，所以 pv 图下换气过程的封闭jm 杉 并非泵气损失，而是有用功， 它将对内燃机的效率产，j 二i 】二面的影响。增压内燃机的泵气 损失越小，则这块面积就越人。因此，泵气损失就应当是 由增压压力和涡轮排气爪力所围成的矩形面积与实际换气 过程所围成的封闭面积之差，其计算式如下 阡0 = 【( p 。，) 一一b + y 一“) 】 一般用泵气压力以来表示泵气损失的大小，其定义为 既 p r2 矿 一般而言，所有减少换气损失的措施以及以后将要讨 论到的提高充量系数的途径，对降低泵气损失都是有利的。 2 6 充量系数分析式 衡量内燃机充气性能的一个重要指标是充气系数，其 定义为：内燃机每循环实| j ，j i 进入气缸的新鲜充量m ，与进气 管内状态充满气缸的工作容积的理论充量m 。之比。这里所 指的进气管状态，是指进入气缸前气体的热力学状态，如 温度与压力等。由于充量系数对于评价进气系统如此重要， 首先应导出充量系数的理沦分析式，以便用来分析提高充 量系数的各种措施。 1 6 查；坚型l ：! ：! ：塑! 兰丝笙墨 记残余废气系数为，进气终了州的缸内残余废。e 质 量为，m ，进气门关闭时( 以下标a 表示) 缸内气体总质 量为 卅d = m i + 朋，( 1 + ，加 根掘充量系数的定义，并引入气体状念方程以及压缩 比的定义式，可得 虬：旦：上墅：上盟里：上土三墨 脚 l4 - ，m l + ，只lp r1 - i - ，。一1 l 尸、 式中，下标s 表示进气管内的状态。 因此，对于气阀叠丌角不大的四冲程发动机而言，可 以认为上式具有足够的精确度，可以用来分析影响充气系 数的各种因素。从而用来指导对于提高进气充量的研究。 懿；磁。基嚣菇繇鬣；疆， 灰蟓川1 人纠叻i j 学位论殳 第三章提高充量系数的措施 3 1 综述 作为热力循环的第一个冲程吸气冲程，尽可能提高碍。， 为以后的良好燃烧作好充分准备，是提高发动机动力指标 的十分重要的先决条件。可以按第一章推导的对充量系数 的分析式看出，在发动机的结构参数( 如压缩比占，) 确定 的前提下，提高充量系数的措施可以归结为以下几点： 1 ) 降低进气系统的阻力损失，提高气缸内进气终了时的 压力只。 2 ) 降低排气系统的阻力损失，以减小缸内的残余废气系 数，。 3 ) 减少高温零件在进气系统中对新鲜充量的加热，以降 低进气终了时的充量温度l ， 研究表明，在上述影响因素中，以第一个因素最为重要。 换言之，降低进气过程的流动阻力损失，提高进气终了压 力，是提高充量系数最有效的措施。 3 2 进气系统的流动阻力 进气系统的流动阻力，按其性质可分为两类，一类是 沿程阻力，实际上是管道摩擦阻力，与管长和管内流动面 上的表面质量有关；另一类局部阻力，它是由于流通截面 大小、形状以及流动方向变化，在局部产生涡流损失所引 起的。在内燃机进气流动中，由于管道较短，壁面比较光 l i i 魏i 越辎，戳矮浚藩；簸；基 查! 璺型l 垒! 竺! 兰垡笙竺 一 滑，其沿程阻力并不大：f mj | l j 部阻力则是流通中的主要损 失，它由一系列的局部i i h j 卉加而成，尤其在进气门座处、 空气滤清器和流通转弯处，流动损失更为明显。因此，降 低这些地方的局部阻力损火，对降低进气系统的流动阻力， 提高充量系数有显著的意义。 3 2 1 降低进气门处的流动损失 进气门座处的流通截面，是进气流通中截面最小、流 速最高的地方，因而该处的局部阻力最大，该阻力除了与 阻力系数 有关外，还与该处的流动速度u ，的平方成正比， 即 a p 、= 和u ： 这样，降低进气门处的流动损失，可以从降低气门座处 的流速和改善气门座处的流动情况以提高流动系数入手解 决。 过高的气体流速，还会发生气体阻塞现象。考察气门座 处的流动情况，并定义平均进气马赫数m a ，结合流量方程， 可得 m o = 拿俐去 式中，l ) 。为进气门座处的气体的平均速度；c 。为进气门流 通截面处的气体声速：、。，为进气门在歼启期间的平均流量 系数，其求法是：以气门盘i 蔚积为参考面积，通过稳流吸 风试验，测得在不同曲轴转角( 即不同升程) 下的流量系 数，求出其平均值，即 查坚竺! ：! = 型l 兰! ! 堡：! ! ! ： z 。：眇儿却r ，) 一2 j 。、“妒7 一7 可见，进气平均马赫数m 综合了进气门大小、形状、升程 规律以及活塞等因素，并f 1 其大小与发动机的转速成正比。 研究发现，对于小型四列矿l t 发动机，当m 超过0 5 后，充 量系数急剧下降。这一结论，对于设计和评价气门机构是 很有用的。 我们知道，一般要求换气过程设计满足：在最大转速 时确保额定功率达到要求，整个转速范围内具有良好的扭 矩曲线。 而增加扭矩和功率值的重要前提条件是提高发动机的 空气流量，这主要通过增大进气门处流通截面( 增加进气 门数) 得以实现，为了降低进气门处的流动损失，让我们 来分析下流通截面及配气相位对充量的影响。 1 ) 增加流通截面对充量的影响 流通截面是由已测出的流量值通过相应换算和配合气 门升程来获得的，如图3 一l 所示。通过分析对比2 气门与 4 气门在随曲轴转角变化时流通截面的变化曲线可知，由 曲线的梯度、最大值和积分值说明了4 气门在流体技术上 的巨大优势，而这些优势在2 气门与4 气门凸轮型线及配 气相位选择上可以不同，且4 气门可以用短的气门丌启持 续大升程来实现。且在气f j 加速度一样大时，选择短的气 门开启时阳j 符合低中转速范围内扭矩曲线丰满度高的要 求。 。，渤幽盏逶蟊溉罐鎏魏，一。出 太原理工大学硕士学位论文 在分析进气量提高的前提下，应使换气构件的总截面 和长度与流量的提高和气体动力学的要求相互匹配。 色 萎 键 l 一一- 、 ，7 、一一、矿、 i j ， 幛气、矿 t 气 多 上止点 阱，“ 一4 气门二气j 图3 1 多气门发动机，由于其具有较大的有效气门开启面积 等，就具有显著的性能潜力。但是，这类发动机主要是为 高速性能而设计的。 气门开启时间一断面越大，在其他条件相同的情况下， 进排气流动速度越低，阻力就越小，越有可能获得改善的 换气过程，因而就有可能以较高的活塞平均速度c 。运转。 气门开启的时间一断面，严格地说气门开启的平均通过 断面厶，主要取决于气门头部和气道喉口的几何形状和尺 寸、气门的最大升程、气门升程变化规律和配气定时。 为了增大气门的通过能力，当气门直径受到气缸和燃 烧室尺寸的限制时，首先要尽量加大气门最大升程，经试 2 1 型幽! i 堑竺! 兰竺堡兰 验，气门的相列5 t 程和7 “j 流量问的天系，即丌始是直线 上升，当相对升程为气f j 丌“的0 2 5 时，气门v i 与气rj 座 处通道截面相等，当相对升程大于气门口直径的0 2 5 后流 量减少，再考虑到气门机构的惯性载荷及气门和活塞在上 止点位置时可能干涉，因此一般进气门升程耿( 0 2 6 0 2 8 ) d ，排气门升程与进。“ 相同，但其头部直径较进气 门小，因此其相对升程就显得略大。 实际上在设计时把进气门的h 取得比排气门的小一些 是比较合理的。这是因为7c 门在丌启问的平均运动速度 ，。塑，其平均运动加速度，。c 堡嬖， 平均惯性力 p妒 p j ，o cm ，o cd 。3 ，”2 妒2 ，而气门机构的振动强度和构件应力水 平大体上可以说正比于，。和p ，鉴于进气门的直径大于排 气门，而进气门的开启延续角度又大多比排气门的小l0 o 2 0 0 曲轴转角，如果设计时对于发动机的进气门机构和排气 门机构要求同等的振动强度和构件应力水平，则迸气门的 最大升程是应该比排气门的最大升程小一些。 为了设计尽可能大的进排气门直径，又保证各孔之j 、日j ( 鼻梁区) 结构强度所需的最小( 鼻梁) 厚度。一般来说 采用4 气门或5 气门，若再多气门则充气量反而会变小。 通过分析我们可以知道对于发动机气门通过能力的要 求，实际上可理解为是对由凸轮外形所决定的气门位移规 律的要求。当然，气门丌闭迅速就能增大时| 自j 截面，但这 将导致气门机构运动件的加速度和惯性负荷增大，冲击、 2 2 查型竺坚：笪堡兰 一 振动、噪音加剧，工作半稳性卜- 降，机构动力特性度差。 凼此，在实际配气机构时，除了尽量减轻运动件质量、合 理增大机构刚度外，所设汁凸轮外形还应保证凸轮从动件 具有良好的加速度变化规律。 2 ) 配气相位的影响 配气相位对于换气质量、泵气损失、充气系数、扭矩 外特性、有害排放等方面都有很大影响，是需要通过调整 试验加以优选的，也可以利用循环模拟作些预测。 现有的聆。、 二一二多7 j 0 一垄兰兰兰兰茎董二丝立 等速段 o l 伊o 7 一= h ，。一九，) + h 。， 曩= i - i t o h = 0 当妒= o 时啊= 。 式中i - i ，。、i - i , o 一分别为预先给定的缓冲段终点处的挺柱升 程及其对凸轮轴转角的一阶导数。 由图5 一1 0 ( 上) 可以看出，在等速段，挺柱总以一个 较低的速度运动，用此方法可减小机构中零件间的、和气 门落座时的撞击；在等速段挺柱升程变化较大，一旦气门 间隙发生变化或当凸轮制造尺寸有误差时，引起气门开启 和落座点的变化较小，从而对配气定时影响较小。等加速 段，应保证在由底圆到缓冲段的这一过渡为零，因而冲击 6 1 ；i 始豳鞫逡鼗遴鑫漱“ “。 查型坚生型! ! 塑! 堡! 和噪声较小。当然，这种缓冲曲线，i 行在使川机械挺十0 j 口j 使用。 而当采用液力挺杆时，消除了配气机构中的气门问隙， 减小了各零件的冲击载荷和噪音。同时， 轮廓线设计时， 可使气门玎启更快，增加气门丌启的时间截嘶，改善发动 机的容积效率。 由于在非工作时，作月j 在挺杆体内的机油压力要小得 多，因此，当凸轮开始推动挺杆时，首先要引起挺杆体内 压力上升，然后j + 推动杠塞，通过推杆将气门开启。这样 挺杆工作时，会有一定的“滞后量”，但一般滞后量只有百 分之几毫米或几度的n 轮转角。 采用液力挺杆的配气机构，由于没有气门削隙，其，、 轮轮廓与采用刚性挺杆的小一样。现在就来比较两种，、轮 开启弧的第一部分( 或过渡弧) 。当丌启弧第一部分转动到 刚体挺杆接触的时候，首先是消除配气机构中的问隙，随 后，消除配气机构的变形。由于受到弹簧张力和惯性力的 作用，配气机构各零件( 特别在顶置气门发动机中) 略有 些压缩变形，所有这些情况都发生之后，气门才开始运动， ( 如图5 一lo 上) 说明了这个过程。对于采用刚性挺杆的，、 轮，在开启弧与基圆连接处，开始有一个短短的加速时期， 随后在整个消除配气机构间隙和初变形的时期内，丌启弧 保持气门挺杆一个固定的不太高的速度。在这段时问之后， 开启弧再使气门挺杆和传动机构的加速运动。这样形式的 过渡弧称为等速弧，可避免在初始阶段，在配气机构零件 6 2 ； ；，。j。i 攥蠹。麓蘸；罐；麓缀x 熬， 奎坚型l ! ：! 塑1 。兰! ! 堡_ ! ! ! ： 上，产生过大的冲击载荷。液力挺打“轮丌启弧第。一部分 采用的是加速弧( 如图5 l0f ) ，这利，弧一丌始就是推杆 加速运动，一直延续在整个仞始阶段( 消除液力挺杆和滞 后量和配气机构的初变形酡) 。由丁在气门丌始运动之前配 气机构的各个零件已获得j 的加速度，因此，能使气门 丌得更迅速。液力挺杆的滞肝产生一种缓冲作用，使配气 机构中，不致产生过分的冲jr 载荷。 液力挺杆关闭弧的最历部分，必须较丌肩弧高出一个 等于在气门开启问挺丰丁因汕漏泄而缩短的量，这样才会使 挺杆座落到基圆上，不会有过大的减速度。 由此可见，知道了刚性挺杆和液力挺杆的n 轮缓冲段 的不同，以便于在设计缓冲段的廓线时给予考虑。 5 3 3 基本段型线的设计 配气凸轮升程曲线中的卜要部分当然是基本段，一般 基本段可是几何凸轮和函数i t l l 轮，几何，、轮的宅要缺点是 加速度曲线有问断，对配气机构工作平稳性有不利影响， 其优点除形状简单外，丰要是丰满系数较大，对提高充气 性能有好处；函数凸轮设计是从确定的挺柱升程函数出发。 函数凸轮有多种形式，如多项高次 轮、正弦抛物线凸轮、 样条函数凸轮及f 1 次谐波 轮等等。 通过对凸轮的整体分析与综合，我们把实验结果和理 论分析应用到新一代汽油机上，设计出新的l r 、轮型线。 在分析天津丰罔公司8 f e 型汽油机的，、轮型线的基 础上，把上述设计思想应用到实际设计过程中，主要分析 6 3 j 二。誊獭，荔。嚣滤i 短避：i 查坚型! ：尘竺! 。堂丝堕兰一 我们设计的机型4 6 5q l ? 足利川液压挺杆驱动双项置i r 【】轮轴 机构，而8 a f e 是利j j 机械挺朴驱动双顶置h 轮轴机构， 所以对f n i 轮轴型线的要求的芦异，我们同德困依纳公司联 合j f ：发设计出新的凸轮型线。 通过在已有缸径上爆川能大的布置进排气门直径，我 们新设计的机型是在原束引f 的基础l 。，把2 气门改成为 4 气门，同时设定气门域人j 1 程为h ，= 63 r a m ，在4 气技 术对配气相位要求的成功机型的基础上，我们先初步设定 配气相位，通过对缓冲段的卜升段与下降段的最大升程的 设定( 在满足配气液压挺卡1 ：的基础上) ，使n 轮型线尽可能 丰满，从而满足对充气性能的要求。 新设计凸轮是与依纳公订联合丌发的，利用其专用软 件的强大功能，在我们分析新设计发动机配气机构对配气 轮的性能要求的基础上，设定所需要的配气定时、满足 缓冲段的升程、基本段于 程以及对最大正、负加速度的控 制等要求，设计凸轮的升程、速度、加速度数据以及所对 应的曲线图见附录一、附录 同时利用软件模拟发动机运行工况，对新设计 轮以 及相应的配置进行动力学汁算，通过分析运行结果得出凸 轮型线满足整个发动机列性能的要求。 i ，泓：繇蕊：漆女滋蕊i 第六章满足充量要求的正时传动系统的设计 6 1 概述 气门机构是提高内燃机动力性能、经济性能、改善排放、 降低噪声的有效途径之一。1 刈此，国外各大公司都采片j 四 气门结构，同时采用适合高速运转的顶置凸轮轴配气机构， 由于这类机构减少了从，l 轮到气门之削的传动零件，减轻 了配气机构的运动质量，提高了系统的刚度，使配气机构 可在很高转速下正常工作，同时由于摩擦副比下置 轮机 构少，因而可减小配气机构的摩擦功损失，提高机构的可 靠性。但由于凸轮轴离曲轴中心线较远，因此正时传动机 构较为复杂。 目前内燃机常用的丌：时传动机构有齿轮传动、链传动 和齿形带传动，而 轮轴顶置式气门机构一般则是通过齿 形带或链条驱动凸轮轴，有时两者并用。由于正时齿形带 传动综合了带、链和齿轮传动的优点，其工作面呈齿形， 与带轮的齿槽作啮合传动，使丰、从动轮问能作无滑差的 同步传动。其传动比准确，对轴作用力小，结构紧凑，刚 油，耐磨损，抗老化性能好，传动效率可达9 9 5 。在当 今世界上批量生产的轿车发动机中，除德国、只本少数机 型采用链传动外，都广泛地采用齿形皮带来代替链传动。 国内8 0 年代以后投产的车用发动机也普遍采用齿形带传 动，如国产化的4 6 2 q 型、3 6 8 型、4 6 5 型汽油机，4 8 8 系 6 5 查坠! ! ：! ：竺竺! 兰些丝兰 列车用汽油机，太原理1 一人学j f ：发的4 9 s o d 型汽油机，太 原理工大学与山西淮淘机械厂联合设计开发的四气门 3 6 8 0 c 、4 6 5 q f 汽油机以及灭津丰田公司8 a f e 型汽油机等 都采用了同步齿形带传动。 6 2 同步齿形带的结构和特点 同步带有一般工业用梯形齿同步带与汽车同步带。其齿 形有梯形齿、孤齿( 如图6 一】) 。弧齿同步带工作面为弧齿， 抗拉体为玻璃纤维绳的橡胶带，传动性能和承载能力较好。 但目前国内系列生产的同步带多是梯形齿。 一 梯形齿弧齿 幽6 1 梯形齿同步带有聚氨酯同步带和氯丁橡胶同步带。聚 氨酯同步带由带背、带齿、抗拉层三部分组成。带背和带 齿材料为聚氨酯，抗拉层采用钢丝绳，适用于环境温度为 一2 0 + 8 0 的中小功率的高速运转场合：氯丁橡胶同步带 由带背、带齿、抗拉层和包布层组成，带背、带齿材料为 氯丁橡胶，其耐久性和挠性好，抗拉层采用玻璃纤维，抗 冲击能力强，传动功率范围大( 特别在大功率传动中，优 于聚氨酯同步带) ，适用工作温度一3 4 l0 0 。如3 6 8 型、 4 6 5 型、4 9 5 型等系列汽油机同步带都采用氯丁橡胶( 如图 6 l 基。强、 。酝。蠢。逸。狐“ 太原理丁大学碗i 一学位论文 6 2 ) 所示。 e 日# # 、 r r 。ph i ”銎：薰然弹释 图6 2 氯f j 橡胶梯形