（动力机械及工程专业论文）电喷汽油机可变进气歧管和可变配气正时的研究.pdf

西华大学学位论文独创性声明 川f j | | i | f i i | i i | | | i f i | | | l | i | f j i | f i i j 舢 y 18 8 4 7 14 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：刍节迸乒、 指导教师签名： 日期：c 酬一舀同 。 日期乒砂f 口6 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：虏妨涵垓指导教师签名： 日期：山州伊6 埒日期m 8 西华大学硕士学位论文 摘要 进气系统和配气系统是发动机的关键部件，它直接影响发动机的充气效率，从而影 响发动机的经济性能和动力性能。电子控制技术的飞速发展和新型机构的不断涌现，为 发动机进气系统和配气系统的变参数设计提供了条件。可变长度进气歧管能够充分利用 进气管中气体流动产生的波动效应，使发动机在宽广的转速范围内充气效率得到提升； 可变配气正时能在不同转速下提供最佳的配气相位，在整个工况内提升发动机的性能。 本文综合分析了国内外各种可变进气系统和可变配气系统机构形式，以4 7 4 电喷汽 油机为基础，利用一维仿真软件a v l - b o o s t 建立整机仿真模型，通过仿真计算数据与试 验数据对比，采用两级可变技术对进气歧管和配气相位进行优化设计计算。可变进气歧 管优化设计计算的参数为歧管长度和直径；可变配气相位的优化设计计算参数为进气提 前角、进气迟闭角、排气提前角和排气迟闭角。 可变进气歧管的优化设计计算表明：电喷汽油机可变进气歧管在低速时用细长进气 歧管，高速时切换为粗短进气歧管。长度与直径均可变的进气歧管的平均性能要优于仅 长度可变或直径可变的进气歧管。使用长度和直径均可变的进气歧管的功率和扭矩最大 增加了1 2 7 9 ，充气效率最大提高了1 4 5 5 ，比油耗也有所降低。 可变配气相位的优化设计计算表明：进气迟闭角和排气迟闭角对电喷汽油机的平均 性能影响最大。使用可变进气迟闭角配气机构后的充气效率、功率和扭矩最大提升幅度 分别为3 8 1 、3 1 3 和3 0 8 ，比油耗平均降低了3 1 左右；使用可变排气迟闭角配 气机构后的充气效率、扭矩和功率的最大增幅分别为3 3 、2 9 和2 8 9 ，比油耗平 均降低了2 8 左右。就本文研究的4 7 4 电喷汽油机而言，使用可变排气迟闭角的配气系 统整体性能要优于进气迟闭角的配气系统，但是差别不大。 可变进气歧管与可变配气相位联合匹配后，充气效率最高提升了1 5 0 4 ，扭矩和 功率的最大增幅都达到了1 5 4 3 左右，比油耗平均下降了3 5 。 本文采用计算机辅助分析手段，利用一维发动机工作过程循环模拟数值计算方法， 全面地分析了进气歧管可变长度、直径和配气相位变化对电喷汽油机性能的影响。本文 在发动机一维模拟计算和可变进气系统、可变配气系统的设计分析方面具有一定的指导 意义。 关键词：电喷汽油机；可变进气歧管；可变配气相位；模拟计算 电喷汽油机可变进气歧管和可变配气正时的研究 a b s t r a c t i n t a k es y s t e ma n da i rd i s t r i b u t i o ns y s t e ma r ek e yc o m p o n e n t so fe l e c t r o n i cf u e li n j e c t i o n ( e f i ) g a s o l i n ee n g i n e ，w h i c hd i r e c t l ye f f e c te n g i n ev o l u m e t r i ce f f i c i e n c ya n dt h ee c o n o m i ca n d p o w e rp e r f o r m a n c eo f e f ig a s o l i n ee n g i n e w i 也t h er a p i dd e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i cc o n t r o l t e c h n o l o g ya n dt h en e wm e c h a n i s m sa l ec o n s t a n t l ye m e r g i n g ，v a r i a b l ep a r a m e t e rd e s i g no f i n t a k es y s t e ma n da i rd i s t r i b u t i o ns y s t e mo ne f ig a s o l i n ee n g i n eb e c o m e sp o s s i b l e v a r i a b l e l e n g t hi n t a k em a n i f o l dc a ni m p r o v et h ev o l u m e t r i ce f f i c i e n c yo fe f ig a s o l i n ee n g i n eb y f l u c t u a t i o ne f f e c ti nt h eb r o a de n g i n es p e e dr a n g e ；b e s tp h a s ea n g l ei sp r o v i d e db yv a r i a b l e v a l v et i m i n g ，w h i c he n h a n c e st h ep e r f o r m a n c eo ft h ee f ig a s o l i n ee n g i n ei nf u l ll o a d c o n d i t i o n s t l l i sp a p e ra n a l y z e da l lk i n d so fd o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a lv a r i a b l ei n t a k es y s t e ma n d v a r i a b l ev a l v et i m i n gs y s t e m b a s e do n4 7 4e f ig a s o l i n ee n g i n e ，s i m u l a t i o nm o d e li s e s t a b l i s h e db yo n e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o ns o f t w a r ea v l b o o s t ，t w o s t a g ev a r i a b l et e c h n o l o g y o ni n t a k em a n i f o l da n dv a l v et i m i n ga r ea d o p t e di no p t i m i z a t i o nd e s i g nb yc o m p a r i n gt h e s i m u l a t i o nd a t aa n de x p e r i m e n t a ld a t a t h eo p t i m i z a t i o np a r a m e t e r so fv a r i a b l ei n t a k e m a n i f o l di n c l u d et h em a n i f o l dl e n g t ha n dd i a m e t e r ，w h i l et h eo p t i m i z a t i o np a r a m e t e r so f v a r i a b l ev a l v et i m i n gi n c l u d ei n t a k ea d v a n c ea n g l e ，i n t a k el a t ec l o s e da n g l e ，e x h a u s ta d v a n c e a n g l ea n de x h a u s tl a t ec l o s e da n g l e t h es i m u l a t i o nr e s u l to ft h ev a r i a b l ei n t a k em a n i f o l do p t i m i z a t i o nd e s i g ns h o w st h a t ：e f i g a s o l i n ee n g i n es h o u l d u s es l i g h t n e s si n t a k em a n i f o l di nl o w s p e e d w h i l es w i t c ht ot h j c ks h o r t i n t a k em a n i f o l di nl l i 曲s p e e d 1 1 1 ea v e r a g ep e r f o r m a n c eo f v a r i a b l ei n t a k em a n i f o l dl e n g t ha n d d i a m e t e rc a nb ea d j u s t e di sb e t t e rt h a nt h ev a r i a b l el e n g t hi n t a k em a n i f o l da n dv a r i a b l e d i a m e t e ri n t a k em a n i f o l d n l ep o w e ra n dt o r q u eo ft h ev a r i a b l ei n t a k em a n i f o l dc a nb e i n c r e a s e db yu pt 0 1 2 7 9 ，v o l u m e t r i ce f f i c i e n c yc a nb ee n h a n c e du pt 0 1 4 5 5 ，b r a k es p e c i f i c f u e lc o n s u m p t i o n ( b s f c ) a l s oc a nb ed e c r e a s e d 1 1 1 es i m u l a t i o nr e s u l to ft h ev a r i a b l ev a l v et i m i n gs y s t e mo p t i m i z a t i o nd e s i g ns h o w st h a t ： e x h a u s tl a t ec l o s e da n g l ea n di n t a k e1 a t ec l o s e da n g l eh a v et h e 伊e a t e s ti n f l u e n c eo nt h ea v e r a g e p e r f o r m a n c eo fe f ig a s o l i n ee n g i n e 啊1 ev o l u m e t r i ce f f i c i e n c y ，p o w e ra n dt o r q u eo fv a r i a b l e i n t a k el a t ec l o s e da n g l ev a n e t r a i nc a nb es e p a r a t e l yi n c r e a s e db yu pt o3 81 ，3 13 a n d 3 0 8 ，a v e r a g eb s f cc a nb er e d u c e da b o u t3 1 ；1 1 1 ev o l u m e t r i ce f f i c i e n c y , p o w e ra n d t o r q u eo fv a r i a b l ee x h a u s tl a t ec l o s e da n g l ev a l v e t r a i nc a nb es e p a r a t e l ye n h a n c e du pt o3 3 ， 2 9 a n d2 8 9 ，a v e r a g eb s f cc a nb er e d u c e da b o u t2 8 a st o4 7 4e f ig a s o l i n ee n g i n e ， v a r i a b l ee x h a u s tl a t ec l o s e da n g l ev a l v e t r a i ni sb e t t e rt h a nv a r i a b l ei n t a k el a t ec l o s e da n g l e v a l v e - t r a i n , w h i l et h ed i f f e r e n c ei sn o tv e r ys i g n i f i c a n t i i 西华大学硕士学位论文 a f t e rv a r i a b l ei n t a k em a n i f o l da n dv a i l a b l ev a l v et i m i n gs y s t e ma r ej o i n tm a t c h e d , t h e v o l u m e t r i ce 珩c i e n c y 。c a nb ee n h a n c e du pt 0 1 5 0 4 ，p o w e ra n dt o r q u ec a nb ei n c r e a s e db yu p t 0 1 5 4 3 ，a v e r a g eb s f cc a nb er e d u c e da b o u t3 5 b a s e do nt h ec o m p u t e ra i d e da n a l y s i sm e t h o d ，i su s e dt oo l l e d i m e n s i o ne n g i n ew o r k i n g p r o c e s sc y c l es i m u l a t i o nn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o d ，a n a l y z et h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n t l e n g t ha n dd i a m e t e ro fi n t a k em a n i f o l da n dp h a s ea n g l eo fv a l v e t r a i no ne f ig a s o l i n ee n g i n e t 1 1 i sp a p e ra i m e dt ob ei n s t r u c t i v eo nt h ee n g i n es i m u l a t i o n , t h ed e s i g na n a l y s i so fv a r i a b l e i n t a k es y s t e ma n dv a r i a b l ev a l v et i m i n gs y s t e m k e yw o r d s ：e f ig a s o l i n ee n g i n e ；v a r i a b l ei n t a k em a n i f o l d ；v a r i a b l ev a l v et i m i n g ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n h i 电喷汽油机可变进气歧管和可变配气正时的研究 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1 前言一1 1 2 可变进气系统和可变配气相位的研究及发展趋势1 1 2 1 发动机流动过程模拟研究的发展及软件开发状况l 1 2 2 可变进气系统的研究及发展趋势3 1 2 ；3 可变配气系统的研究状况及发展趋势7 1 3 本文研究的主要内容和意义9 2 缸内工作过程和一维非定常流动1 1 2 1管内一维非定常流动数值解法1 1 2 1 1 一维非定常流基本方程1 1 2 1 2 求解的数值解法1 2 2 2 缸内工作过程基本方程17 2 2 1 能量守恒方程2 1 7 2 2 2 质量守恒方程一1 9 2 2 3 气体状态方程1 9 2 3 缸内燃烧与传热1 9 2 3 1 燃烧放热模型1 9 2 3 2 传热系数口矽2 0 2 4 边界条件简化处理2 0 2 4 1 空气滤清器2 0 2 4 2 流动阻力2 1 2 4 3 喷嘴模型2 1 2 4 4 管内分支模型2 2 2 5 本章小结2 4 3 发动机模型的建立及验证2 5 3 。1 b o o s t 软件介绍2 5 3 2 电喷汽油机模型的建立2 5 3 3 电喷汽油机模型的验证2 7 3 4 本章小结2 9 西华大学硕士学位论文 4 可变进气系统的优化设计3 0 4 1 稳压腔容积的优化设计3 0 4 2 可变长度进气歧管的优化设计31 4 2 1 短进气歧管长度的优化设计3 2 4 2 2 长进气歧管长度的优化设计3 4 4 2 - 3 可变长度进气歧管转速切换点的选定3 5 4 2 4 采用可变长度进气歧管后的电喷汽油机与原机的结果对比3 6 4 3 可变直径进气歧管的优化设计3 8 4 3 1 细进气歧管直径的优化设计3 8 4 3 2 粗进气歧管直径的优化设计4 0 4 3 3 可变直径进气歧管转速切换点的选定4 1 4 3 4 采用可变直径进气歧管后的电喷汽油机与原机的结果对比4 2 4 4 直径与长度均可变的进气歧管的优化设计4 4 4 4 1 细长进气歧管的优化设计4 4 4 4 2 粗短进气歧管的优化设计4 5 4 4 3 直径与长度均可变的进气歧管转速切换点的选定4 6 4 4 4 电喷汽油采用不同可变进气歧管后性能的结果对比4 6 4 5 本章小结4 8 5 可变配气正时的优化设计4 9 5 1 配气相位对电喷汽油机性能的影响4 9 5 1 1 配气相位角及其功用4 9 5 1 2 气门重叠对电喷汽油机性能的影响一5 0 5 1 3 原电喷汽油机的配气相位5 1 5 2 可变进气提前角的优化设计5 1 5 2 1 可变进气提前角转速切换点的选定5 2 5 2 2 电喷汽油机采用可变进气提前角后与原机的结果对比5 2 5 3 可变进气迟闭角的优化设计5 4 5 3 1 可变进气迟闭角转速切换点的选定5 5 5 3 2 电喷汽油机采用可变进气迟闭角后与原机的结果对比5 5 5 4 可变排气提前角的优化设计5 7 5 4 1可变排气提前角转速切换点的选定5 8 5 4 2 电喷汽油机采用可变排气提前角后与原机的结果对比一5 9 v 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1前言 、 “十一五”期间，汽车工业取得飞速发展并成为国家的支柱产业之一，汽车已经成 了国民的主要交通工具。汽车工业的发展面临着环境的压力日益紧迫，排放法规也愈来 愈严格，世界能源短缺的现状也越来越严峻，在这样的大环境下，发动机作为汽车的“心 脏”在技术上取得了迅猛提高，各种先进技术不断向前发展，高性能、高寿命、多样化、 低能耗、低污染、新结构成为了当今汽车发动机的特点 1 - 2 。因此，要求发动机在更广 阔的转速范围内其动力性、经济性、可靠性，排放性达到最优，与此相匹配的是配气系 统和进气系统的相关设计要愈来愈先进可靠。 ， 进气系统和配气系统是发动机的关键部件，它直接影响发动机的充气效率，从而影 响发动机的经济性能和动力性能。传统进气系统和配气系统的结构参数是固定不变的， 是兼顾发动机各种工况下性能的一种折中方案，随着发动机的进步发展，发动机的性 能在小负荷与大负荷、低转速与高转速下的矛盾愈发突出。为了获得很好的发动机性能， 要求进气系统和配气系统随转速和负荷可变；同时，电子控制技术的飞速发展和新机构 的不断涌现，为发动机进气系统和配气系统变参数的设计提供了有力条件【3 】。 发动机可变技术是指随着使用工况及要求的变化，使相关系统的结构或参数作相应 的变化，从而使发动机在各种工况下性能指标能大幅度地提高及避免不正常燃烧和超负 荷现象的产生【4 】。可变进气歧管系统( v a r i a b l ei n t a k es y s t e m ，简称v i s ) 利用气体波动 效应来提高充量系数，能够代替传统的进气歧管：可变配气系统( v a r i a b l ev a l v es y s t e m ， 简称w s ) 可以在发动机不同的负荷和转速下提供合适的气门正时和升程，从而改善发 动机的进排气性能，提高充气效率，解决小负荷与大负荷、低转速与高转速下的动力性、 经济性和废气排放的矛盾。 1 2可变进气系统和可变配气相位的研究及发展趋势 1 2 1 发动机流动过程模拟研究的发展及软件开发状况 电子计算机用于汽车发动机研究开发以前，主要通过简单的流动和热力计算定性分 析发动机传热过程、进排气系统中热力学和气体动力学过程和缸内燃烧放热过程、缸内 工质的流动及传热过程等，显得十分粗略。随着发动机性能的不断提高，产品更新的周 期不断缩短，计算机技术的不断发展，上世纪6 0 年代后期以来，发动机整机的流动过 程和缸内热力循环模拟的研究有了很大的进展，特别是上世纪8 0 年代后，模拟计算结 电喷汽油机可变进气歧管和可变配气正时的研究 果随着发动机燃烧、流动、传热等循环过程子模型向多维化、实用化发展已能较好地与 试验结果相吻合，并且精度和计算效率逐步提耐5 i t 6 。 发动机流动过程模拟程序所依据的理论基础主要有线性行波理论、充满和排空法 ( 或称容积法) 、非线性行波理论等f 7 1 。根据不同理论建立的模型可以由不同的数值解法 进行求解，包括有限容积法、特征线法、有限差分法等。 r s 本利8 】提出的特征线法是将偏微分方程组在特定条件下转化成一阶全微分方程 组来求解，该方法具有一阶精度，但是质量流量误差较大；上海交通大学的顾宏中1 9 j 对 传统的一维非定常流动模型作了改进，在原有控制体的基础上考虑了各个分支管的质量 添加段的影响，提出了广义一维非定常流动模型；上海交通大学的张江城【l0 】等用有限体 积法和特征线法相结合的混合模型分析了发动机的多种排气系统，在降低了质量流量误 差的同时提高了计算效率。 偏微分方程组在选取适当的差分格式下可以转化成差分方程组，形成有限差分法， 由于采用的差分格式不同，又形成了迎风差分法、两步中心差分法等【1 1 1 。目前较常用的 差分法是l a x w e n d r o f f 差分法，该方法一般具有二阶或以上的精度，但在间断解处很容 易出现数值振荡；h a r t e n - l a x l e e r 差分法解决了l a x w e n & o f f 差分法间断解处出现数 值振荡的问题，但是该差分法只有一阶精度】。天津大学的林玉静【1 2 】将四阶龙格库塔 法( r u n g e k u t t a ) 和有限差分法相结合，模拟了c a 6 1 0 2 汽油机的波动过程，提高了计 算精度。 近年来发展了一种高分辨率格式的方法，如t v d 、e n o 、t 、l ，b 等，这种方法有效 解决了有限差分法在计算精度和稳定性方面存在的矛盾；这些高分辨率格式的方法与特 征线法和有限差分法相比，稳定性、计算速度和计算精度等都提高了【l1 1 。 此后不稳定流动理论开始向三维方向发展，最初在研究进气歧管内的三维不稳定粘 性流动的时候，大部分使用f v f l i c 法求解三维纳维尔斯托克斯( n a v i e r - s t o k e s ) 方程， 但是该方法的精度相比l a x w e n d r o f f 差分法的精度要低。焦天民和周龙保【l3 】提出了称 为时空守恒元法和解元法( s e c e ) 的新方法，这种方法是全新的数值模拟方法，它在概 念上就有别于传统数值方法，该方法计算时采用简单的t a y l o r 展开式，具有二阶精度。 国内外已经开发出了一系列一维和三维流动模型，对发动机进排气系统进行模拟计 算。英国曼彻斯特理工学院和德国波鸿鲁尔大学【1 4 】采用特征线法进行管内波动研究分 别开发出了m k l 4 程序和p m b 程序；s c l o w t l 4 】等人将可视化图形界面技术应用在了其 开发的发动机进排气歧管设计c a d 软件包上，该程序可自动进行网格的划分，使用者 只需输入管道的布置形式就可以了。在一维流动模型中，国外已经商业化的模型有英国 r i c a r d o 公司的w a v e 软件，德国f e v 公司的c a t s 软件，美国g t i 公司的g t p o w e r ， 西华大学硕士学位论文 6 肌公司的b o o s t 软件等；在三维模型中有a v l 公司的f i r e ，英国的f l u e n t ，英国 r i c a r d o 的v e c t i s ，c d 公司的s t a r - c d 等；国内清华大学、西安交通大学、上海交 通大学、武汉理工大学等也开发了一维和三维流动仿真程序。 1 2 2 可变进气系统的研究及发展趋势 目前，国内外发动机进气系统普遍利用波动效应与惯性效应进行设计，进气系统的 动态效应与配气相位相互匹配可以获得最佳效果【8 】。为了充分利用电喷汽油机进气歧管 的波动效应和惯性效应，并尽量缩小电喷汽油机在高、低速运转及大、中、小各种负荷 运转时进气速度的差别，电喷汽油机采用了可变进气系统。采用可变进气歧管技术后， 现代轿车上的电喷汽油机可以实现：每一气缸使用第一和第二两个进气歧管，即两个进 气气流通道。通过改变第二进气歧管上控制阀开度，可使电喷汽油机总的进气歧管长度 和截面直径发生变化，从而改善电喷汽油机在中、低速和中、小负荷的动力性、燃油经 济性及排放性。 目前采用较多的可变进气歧管主要有以下几种： ( 1 ) 可变长度进气歧管 图1 1 为电喷汽油机可变长度进气歧管示意图。 l 1 细长进气歧管2 租短进气歧管3 控制阀 4 喷油器 5 进气道6 进气门 图1 1电喷汽油机可变长度进气歧管示意图 f i g 1 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo fv a r i a b l el e n g t hi n t a k em a n i f o l do i le lie n g i n e 电喷汽油机低速运转时，e c u 发出信号控制控制阀3 关闭，新鲜空气充量经细长进 气歧管1 流入气缸盖上的进气道5 ，可变长度进气歧管的进气路径和控制阀3 的关闭位 电喷汽油机可变进气歧管和可变配气正时的研究 置如图1 1 中实线所示，这时进气流加强，有利于缸内的燃烧。电喷汽油机高速运转时， e c u 发出信号控制控制阀3 打开，新鲜空气充量沿着短进气歧管2 进入气缸盖上的进气 道5 ，可变长度进气歧管的进气路径和控制阀开启位置如图1 1 中虚线所示。 德国p i e r b u r g 公司和a u d i 公司合作开发了v 6 发动机可变长度进气歧管电子控制 系统【7 1 ，并在1 9 9 1 年应用于a u d iv 6 发动机上，实现了批量生产。a u d iv 6 发动机转速 低于4 1 0 0 r m i n 时，进气管内每个气缸中的控制阀3 处于关闭状态，这时新鲜充量的进 气路径长，气流速度加快，有利于混合气形成，并改善缸内的燃烧，如图1 1 中实线所 示；转速大于4 1 0 0 r m i n 时，进气管内每个气缸中的控制阀3 打开，这时新鲜充量的进 气路径变短，进气阻力变小，进气量增大，如图1 1 中虚线所示。另外，福特d u r a t e ch e 发动机、三菱v 6 发动机、奔驰车的v 6 、v 8 发动机、h o n d a 的r 1 8 a i v t e c 汽油机都 采用了这种可变长度进气歧管。 电喷汽油机在中、低速运转时，可变长度进气歧管不仅可以提高汽油机的有效输出 扭矩，还提高了进气速度，因而增强了气缸内的气流强度，从而改善了燃烧过程，使汽 油机中、低速时的燃油消耗率下降，燃油经济性有所提高。此外，汽油机燃烧过程改善 后，不仅油耗降低，经济性改善，汽油机的有害排放量也能适当减少，排放性能适当改 善。 ( 2 ) 双通道可变进气歧管 双通道可变进气歧管就是直径可变进气歧管，丰田汽车公司【8 】采用了如图1 2 所示 的双通道进气歧管在发动机不同转速下分别参加工作的可变进气系统。当发动机在高速 大负荷工作时，由真空控制的s 阀打开，双进气通道可以同时进气，如图1 2 a 所示；当 发动机在低速中小负荷工作时，主进气通道中由真空控制的s 阀关闭，这时仅有一个副 进气通道可以进气，如图1 2 b 所示。 ( a ) 高速运转时，s 阀开( b ) 中低速运转时，s 阀关 图1 2 汽油机双通道可变进气歧管示意图 f i g 1 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo fd o u b l e - c h a n n e lv a r i a b l ei n t a k em a n i f o l d0 1 1g a s o l i n ee n g m e 4 西华大学硕士学位论文 马自达6 搭载的m z rl f x 发动机也采用了此种类型的进气歧管，只是结构上有少 许的变化。如图1 3 所示，每个进气歧管都有两个进气通道，一长一短，在长进气通道 中安装有喷油器。旋转阀2 根据汽油机工作转速的高低、负荷的大小控制新鲜充量经过 哪一个通道流进气缸。当电喷汽油机在中、低速运转时，旋转阀2 接受汽油机e c u 发 出的指令，在旋转阀控制机构作用下，将短进气通道1 封闭，新鲜充量如图1 3 a 中的箭 头所示经空气滤清器、节气门，沿长进气通道3 经过气缸盖上的进气道5 和进气门6 进 入气缸；当电喷汽油机在高速运转时，e c u 发出指令，旋转阀控制机构将短进气通道1 打开，将长进气通道改变为辅助进气通道，这时，新鲜空气如图1 3 b 中箭头所示同时经 过两个进气通道流入气缸。 ( a )中、低转速运转时进气歧管的示意图 ( b ) 高转速运转时进气歧管的示意图 1 短进气通道2 旋转阀3 长进气通道 4 喷油器5 进气道6 进气门 图1 3 电喷汽油机双通道可变进气歧管示意图 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fd o u b l e - c h a n n e lv a r i a b l ei n t a k em a n i f o l do ne f ie n g i n e 双通道可变进气歧管同可变长度进气歧管的功用一样，改善汽油机在中、低速和中、 小负荷的动力性；改善汽油机在中、低速和中、小负荷的经济性：改善汽油机在中、低 速和中、小负荷的排放性。 电喷汽油机可变进气歧管和可变配气正时的研究 ( 3 ) 无级可变长度进气歧管 从理论上讲，无级可变进气歧管是可变长度进气歧管的最理想方案。无级可变进气 歧管的基本原理是电喷汽油机的进气歧管长度和截面面积能够随着转速和负荷的变化 而连续地改变，使电喷汽油机在整个工况范围内都能获得最佳的性能。无级可变长度进 气歧管的工作过程示意图如图1 4 所示。 1 进气口2 进气歧管内壁3 进气歧营 4 进气歧曹外壁5 进气门 图1 4电喷汽油机无级可变长度进气歧管示意图 f i g 1 4 s c h e m a t i cd i a g r a mo fs t e p l e s s v a r i a b l el e n g t hi n t a k em a n i f o l do l le f ie n g i n e 电喷汽油机采用无级可变长度进气歧管在低转速运转时，进气歧管的可变进气管长 度阀和节气门体可变进气管长度阀同时关闭，此时新鲜的进气充量经过长进气歧管流入 气缸；电喷汽油机在中等转速运转时，进气歧管的可变进气管长度阀关闭，节气门体可 变进气管长度阀打开，此时新鲜的进气充量经过中等长度进气歧管流入气缸；电喷汽油 机在高转速运转时，进气歧管的可变进气管长度阀和节气门体可变进气管长度阀同时打 开，此时新鲜的进气充量流过短进气歧管进入气缸。 国内的一些知名大学从2 0 世纪9 0 年代中后期开始对发动机进气歧管的可变系统进 行了研究，西安交通大学、上海交通大学、武汉理工大学【1 4 j 等基于e q 6 1 0 0 汽油机对可 变进气系统进行了理论和结构的研究；哈尔滨工业大学的何玲【l9 】，武汉理工大学的董力 平【2 0 】等人结合b o o s t 软件用f v m e n o 法对汽油机进气管长度进行了研究，计算分析 了具有可变进气系统的发动机在不同转速和负荷下的性能；吉林大学董伟1 2 l 】等人，用 6 西华大学硕士学位论文 m k l 4 程序对沈阳航天新光集团公司的4 7 1 、4 9 1 汽油机在不同转速下的功率、扭矩、充 气效率以及对进气系统内的压力波动进行了试验与计算。 1 2 3 可变配气系统的研究状况及发展趋势 从图1 5 可知，为了降低燃油消耗率、降低排放、提高发动机的性能，可变配气机 构主要包括【2 2 】【2 5 】：可变配气相位；可变气门开启角与升程；配气相位可变与气门开启角、 气门升程可变相结合的方式。 圈匡囝匿圜 图1 5 配气机构的要求和可变配气机构的采用方式 f i g 1 5 r e q u i r e m e n t so f v a l v e - t r a i na n da d o p t i o no f v a r i a b l ev a l v e t r a i n ( 1 ) 可变配气相位方式 最早在1 9 8 2 年问世的三菱海市蜃楼轿车搭载的发动机就采用了配气相位可变方式。 1 9 8 3 年阿尔法罗密欧公司采用了进气门相位角两级可变的方式来改变气门正时并开始 批量生产。1 9 8 6 年日产的v g 3 0 d e 型3 lv 6 发动机也装用了两级进气相位角可变的系统。 1 9 9 2 年，宝马公司开发的v a n o s 系统最早采用了连续可变气门正时机构。1 9 9 5 年丰田 汽车公司在直列式6 缸发动机上采用了气门相位连续可变的机构v v t - i 。同年，宝马推 出了进排气两侧都能连续可变的配气正时机构，随后，宝马推出的这种机构逐渐成为主 流。进排气相位均可连续变化不但能根据发动机的转速和负荷改变气门正时，提高输出 扭矩，而且由于气门重叠角度甚至内部e g r ( 排气再循环) 量也根据运转工况进行了最优 化匹配，降低了泵吸损失，减少了燃油消耗，降低了尾气排放【l7 1 。 电喷汽油机可变进气歧管和可变配气正时的研究 可变配气相位机构的一般原理如图1 6 所示，凸轮轴调相机构都是通过正时带轮与 凸轮轴内轴间设置一个环型柱塞，柱塞和凸轮轴内轴以直键或花键传动，电控单元通过 电子控制来改变凸轮轴链轮和凸轮轴之间的相位，从而改变配气正时。由于这种可变机 构只增加凸轮轴前端的执行器，配气机构的其他零件基本不作设计变更瞄】，且进排气门 可以进行调相并同时与w l 和v e l 技术结台使用。 曲 传 图1 6 司变配气相位不意图 f i g 1 6 s c h e m a t i cd i a g r a mo fv a r i a b l ev a l v et i m i n g ( 2 ) 可变气门开启角、气门升程 1 9 9 1 年，本田汽车公司在研究稀薄燃烧的时候，通过一根有着零升程的凸轮轴，使 发动机双进气门中的一个气门在低速时停止工作，致使进气流流动加强形成稀薄燃烧； 1 9 9 2 年，三菱汽车公司通过发动机气缸中一个缸的所有气门全部停止工作，从而形成可 变气缸。同年，本田汽车公司通过使用不同升程的凸轮实现了气门开启角、气门升程的 可变。这种气门开启角和气门升程可变的配气机构不但提升了发动机高速时的输出功 率，又提高了发动机中低速时的扭矩。在实际的应用中，汽车大部分在中低速工况下行 驶，因此，提高中低速工况时的扭矩和发动机怠速的稳定性，应该使用较小气门开启角 的凸轮，这时吸气较早关闭，气门重叠角缩小；为了提升发动机高速时功率的输出，气 门开启角和气门重叠角都应该增大，因此发动机转换到大开启角和大升程的凸轮。1 9 9 5 年，本田汽车公司开发出了结合不同凸轮的气门开启角、气门升程和一个气门工作停止 的新机构，并投入批量生产。 气门开启角、气门升程可变配气机构的一般原理如图1 7 所示。该技术可以连续地 改变气门升程和气门开启持续期，气门升程甚至可以为o m m 。气门升程是由输出凸轮( 摆 8 西华大学硕士学位论文 动凸轮) 的型线和摆动确定的，驱动轴由与曲柄旋转同步的链条驱动，驱动轴带动驱动 凸轮的旋转运动通过l i n ka 、摇臂和l i n kb 被转化为输出凸轮的摆动。在保证安装空 间和尽可能地降低配气机构的惯性质量的前提下，摇臂式驱动的发动机最适合采用气门 开启角、气门升程可变配气机构。 直流马 图1 7 气门升程的连续可变示意图 f i g 1 7s c h e m a t i cd i a g r a mo fs t e p l e s s - v a r i a b l ev a l v el i r 3 ) 可变配气机构的多组合方式： 现在的可变配气系统基本都是上述可变配气机构的不同组合方式。1 9 9 5 年，丰田汽 车公司开发出了配气相位连续可变方式和气门开启角、气门升程可变方式相互匹配的可 变配气机构并实现了批量生产。相对来说，可变配气正时技术简单实用，技术成熟，因 此本文主要对可变配气正时进行研究。 1 3 本文研究的主要内容和意义、 为了满足排放，电喷汽油机的闭环控制使得过量空气系数矽。在1 附近高频小幅波 动，因此电喷汽油机的喷油量由吸入的新鲜空气量的多少决定。电喷汽油机的换气过程 对吸入新鲜空气的量有很大的影响，它直接影响着电喷汽油机的动力性、经济性和排放 9 电喷汽油机可变进气歧管和可变配气正时的研究 性能。进气系统和配气系统对电喷汽油机的换气过程有直接的影响，因此进气系统和配 气系统设计的好坏，直接影响着电喷汽油机各方面性能的优劣。 本课题主要是对4 7 4 电喷汽油机的进气