多气门结构设计及特点

第二节多气门结构设计及特点提高发动机性能的核心问题是改善燃烧，而改善燃烧的关键是扫气好、提高充量及形成良好的混合气。过去汽车发动机每个气缸只有一个进气门、一个排气门。现代发动机已经多气门化，每缸三气门、四气门、五气门及六气门都有，相应的进、排气道的数量、气门的排列形式及气道形式的种类也比过去多。理论分析、试验结果及实践都表明，多气门能明显地提高发动机的性能。一、多气门及气道的结构设计无论是车用汽油机还是柴油机都是采用多气门的缸盖。.多气门的布置在气门垂直布置的平顶缸盖设计中，由于在气门座与气门座之间以及气门座与缸盖壁之间要布置冷却水道。因此气门面积被限制得很小。如果将进、排气门倾斜布置，如图7一5所示，缸盖底平面形成屋顶状。随着气门中心线夹角a的加大，气门座及气门面积也能够加大。二轴线间的夹角a常在20。一70。之间，过大的倾斜则会使火焰传播距离加长，散热面积变大，对改善燃烧不利。图7一多气门结构设计特点本章参考及采用了文献「143）中的部分内容及插图。在文献〔143」中，以缸径为80mm的缸盖为对象，对不同气门数及排列方式能够增加气门面积及流通能力进行了基本的计算和分析。几种典型的气门排列方式如图7一6所示。图中。）及b）图表示二气门及气门垂直布置的情况。c）及d）表示不同角度a（毋及70o）气门倾斜布置情况。e）及f）则表示四气门及五气门的布置。a）两气门缸盖；b）气门垂直排列；C）气门倾斜20o;d）气门倾斜350;e）四气门缸盖；f）五气门缸盖I一表示进气门；E—表示排气门德国大众/奥迪汽车公司的奥迪A4及A6汽油机的缸径为81mm二，冲程为86.4mm。每缸采用3个进气门，气门直径为27mm,2个排气门，气门直径为30mm。排气门与气缸中心线的夹角为20°，两个外侧的进气门与缸中心线的夹角为21.5°，而中间的进气门与气缸中心线的夹角为15。。四气门及五气门的布置如图7一7所示。该图显示了缸径分别为95〜、81〜及75〜的四气门及五气门布置情况。火花塞的外径为M14，布置在气缸中心。根据设计情况实际分析，如果采用每缸四气门布置，又希望采用较大的气门直径，那么气门与火花塞之间的能利用的空间较小，如图中缸径为小81〜及句5〜所示的方案。这些地方是设计中关键部分，设计不当，对火花塞散热不利，也常是影响缸盖可靠性的地方。如果采用五气门的设计方案，那么火花塞与气门之间的空间较大，对火花塞散热冷却有利，设计的难点转移到气门与气门之间狭窄间隔处。为了提高气门流通截面及有利于火花塞的散热采用了五气门的设计。.多气门气道的排列采用多气门同时需要考虑进、排道的布置及形状设计。现以四气门为例，四气门的气道布置的基本方案如图7—8所示。常用的方案如图a）所示，两个进气门位于气缸的一边，两个排气门位于另一侧，即所谓并联排列。而图b）表示相对于气缸中心线而言，同名的两个气门是一前一后的布置，即所谓串联排列。。）图则表示同名的两个气门相对气缸中心线错开排列，即所谓扭转排列、b）及C）两种方案为设计长度不同、形状不同的进气道提供方便，有利于调整涡流速度，以适应不同混合形成对涡流强度要求不同的需要。较多的汽油机采用并联排列方案（图a），而柴油机则采用图b）及c）所示的方案。图7一8四气门、排气道排列的基本方案a）并联排列；b）串联排列；c）扭转排列.多气门的传动现代车用发动机大都由曲轴上的齿轮通过齿轮皮带传动两根顶置凸轮轴（DO-HC）分别直接驱动进、排气门，每个气门对应一个凸轮。当然也可以在缸盖上设置摇臂轴，各用一个凸轮通过整体式摇臂驱动多个进气门及多个排气门。为了降低噪声，免除调整气门间隙的需要，在凸轮与气门之间采用液压装置。在一些发动机的气门机构中还采用了电控液压机构，如图7一9所示。通过这种传动机构，可以根据汽车不同工况的需要，实现对气门正时的灵活控制。可以改善发动机的转矩特性，降低比油耗，但也会使成本增加一些。多气门及其传动的单个零件质量较小，例如奥迪5气门发动机的进气门运动质量只有86.39，排气门运动质量只有140.99。这样可以减少气门弹簧的负荷、气门传动机构运动零件的惯性力及摩擦损失，对适应发动机的高速运转及提高使用寿命有利。二、多气门流通能力的提高多气门流通面积的比较假定气道内部曲线形状的差异、气门打开后气流特性等的不同影响忽略不计，只是以平顶缸盖、气门垂直布置为比较基准，在缸径相同时，其他布置方案能使进气门面积加大的程度，可作为改善进气流通能力的基础。气门面积增大的比较情况如下。）二气门二气门倾斜布置组成半球形燃烧室（图7—6中，e及d），相对于平顶缸盖气门垂直布置，气门面积变化如下。a）当气门垂直布置，气门直径d=28Inm时，气门面积Al与气缸面积A的比值为12.2%。b）气门中心线与气缸中心线之间的夹角为加叹a二月护），d=32?，进气门面积增加31.25%,AI/A=16%。c）气门中心线与气缸中心线之间的夹角为350（a二7任）d二36?，进气门面积增加66.1%,Al/A二加.1%。）四气门a）当双进气门（d二24?）垂直布置时，比单气门（d二28?）垂直布置，气门面积增加48%。b）当双进门倾斜布置（a=好，d=28Inrn）如图7一6C及d，比单个气门（d=28?）垂直布置时，气门总面积增加100%,A,/A二24.4%。c）当双气门倾斜布置（a二好，d二28?），比一个气门倾斜布置（a二好，d=32?）的总气门面积增加52.4%，注1/注=对.4%。d）当双气门倾斜布置（。二好，d二28mln），比双气门垂直布置（d二24?）的进气门面积增加35.4%,Al/A二24.4%。）五气门五气门的设计有如下方案。a）3个进气门及两个排气门都是垂直布置的，进气门直径为20?，排气门直径为22〜。如果与双气门设计，进气门直径为28〜相比时，进气门总面积增加53.8%。Al/A=18,8%。b）3个进气门及2个排气门倾斜200（a=40o），进气门直径为24?，那么进气门总面积比单个垂直进气门（d=邓〜）面积增加121.5%。同时3个倾斜进气门（a=40"）比一个倾斜进气门（d二、32?）总面积增加68.75%，也比两个垂直排列进气门（d二抖朋）总面积增加50%,比3个垂直排列进气门（d二20哪）总面积增加44.0%。门，气门直径为解mln，所以气门总面积Al与气缸面积A的比较，都是3个进气C）德国大众公司奥迪汽车四缸发动机缸径为81〜。采用五气门，3个进气门直径为27?，气门中心线之间夹角为如。，二个排气门直径为30〜。进气门总面积与气缸面积之比AI/A二33.34%，排气门总面积Al与气缸面积A之比为27.43%。上述产品是90年代后期开发投人市场，进、排气门总面积都比前面各方案大。将上面各方案的数值及比较情况列于表7一3中。2.多气门空气流动特性二气门、四气门以及气道排列型式不同，空气流动特性也有所不同。国外在缸盖流道试验台上，对四气门及气道不同排列方案进行空气流动特性试验。结果表明，采用二气门时，虽然也可以获得较高的涡流比，但流量系数小。采用气门并联排列，可以获得较大的流量系数，但涡流比较小。而气门串联排列可以获得最高的涡流比数，但流量系数小。气门扭转排列方案则涡流比及流量系数都较高。奥地利内燃机研究所对缸径在140〜以下的二气门及四气门进气道流通能力进行了研究分析。在该项工作中，认为发动机气道的流通能力为平均流量系数阿与气门座孔面积/气缸面积之比的比值月对气道流通能力的影响的总和。四气门比二气门进气门的月值提高约20%，而四气门比二气门的排气门的月值约提高31%。而在涡流比大约为2的情况下，四气门比二气门进气道的平均流量系数卢约减小8%，四气门比立气门排气道的阿约减小6.5%。那么考虑两者对气道流通能力的影响的总和后，进气道的流通能力约提高11%，而排气道约提高25%。该结果如图7一12所示。该研究所对二气门及四气门进气道平均流通能力的比较如图7一13所示。四气门缸盖的平均流通能力比二气门缸盖高，而四气门平均流通动能力随气道涡流比的增加下降得稍快些。在以上分析中，图7一12二气门及四气门缸盖平均流通能力的分析（适合的缸径范围D<14（）mn1ZV一二气门；4V一四气门三、多气门有利于混合形成及燃烧过程的组织发动机采用多气门后，有利于混合气形成及燃烧过程的组织。例如可以将火花塞或喷油器布置在气缸中心处；有利于形成分层混合气及采用小气门重叠角、减少换气损失等。.火花塞或喷油器布置在气缸的中心处在多气门的汽油机上，可以将火花塞布置在气缸中心处。而多气门的柴油机则可以将喷油器布置在气缸中心处。这两种情况都能够使火焰核心发生处距离气缸及燃烧室各个边缘的距离基本上保持一样，火焰传播到各处的距离短，有利于抗敲缸爆燃的发生。在所使用汽油辛烷值不变时，可以将压缩比提高1一1.5个单位，同时有利于实现稀混合气快速燃烧。柴油机的喷油器位于气缸中心处，可以使油束喷雾均匀分布在燃烧室中形成良好的混合气。而这都可以降低发动机的比油耗。汽油机采用多气门后，气门相对于气缸中心线倾斜布置，在缸盖中形成屋顶形燃烧室（图7一5）。除了上述火花塞位于气缸中心处的优点外，这种燃烧室具有如下的特点。）面容比F/V较小，使散热损失较小；）改变气门杆相对气缸中心线的倾斜角度，可以改变进排气门的面积及燃烧室的面容；）通过活塞顶燃烧室凹坑形状的变化，可以调整挤气面积的大小，有利于组织合适的缸内气流。4）燃烧，较完善而且迅速。由于上述特点，使得多气门燃烧过程比二气门更接近等容燃烧，热效率较高，而且有可能将点火提前角减小，以便最大爆发压力出现在接近上止点处，获得最大的膨胀功及扭矩。由于燃烧过程完善而迅速，在上止点后很快完成，无迟后燃烧现象，排温较低，各向的火焰传播又较均匀，及缸壁各处温度分布较均匀，同时有利于降低排放。利用多气门形成分层混合气在发动机上使用每缸四气门时，可以利用两个进气道与喷油油束的配合形成分层混合气如图7一14所示。将每缸两个进气道之一设计成切向进气道，另一个设计成普通进气道，即该气道不会形成强的涡流，或者称之为中ttCNeut耐）进气道。将双油束喷油器安置在两个气道的分叉处，向二个进气道喷出两股等流量的油束。在普通进气道中设置一辅助节气门，或者让相应的进气门的升程小于切向进气道气广1的升程，使普通气道中的气流受到节流，喷人的汽油与空气形成浓混合气，进人气缸后很快地就接触到火花塞。而切向进气道空气流量较大，与喷人的汽油形成稀混合气，这样就可实现分层燃烧。另一种方案是将喷油器安装在普通气道中，形成浓混合气流人气缸，而由切向进气道进人气缸的空气涡流，将浓混合气气流的外围部分吹散开，形成稀混合气，这样也可以实现分层燃烧。.有助于采用小气门重叠角过去发动机采用二气门，常感气门流通截面不够大，尤其高速时更是如此。为了提高气缸的换气质量，常采用较大的气门重叠角，即进、排气提前开及迟后关的角度都比较大。排气门提前开的角度大，增加了膨胀功的损失，排气门迟后关的角度大，容易使部分新鲜充量由排气门流失掉。高速发动机为了利用进气道内空气流动的动能，通常使进气门迟后关的角度较大，使曲轴转过下止点后，仍有新鲜空气充人气缸以提高充气效率，但是这种根据高速需要确定的较大的进气门迟闭角，并不适应中、低速的需要，因为发动机中、低速时，气流速度较慢，过后充气在下止点后曲轴转过较小曲轴转角后便结束，接着缸内充量反而被推出，使充气效率反而下降。现代发动机采用四气门后，由于进排气门的流通截面都加大，不需要大的气门重叠角，而较小的气门重叠角却可以减少换气损失、泵气损失，同时又能兼顾高速及中、低速工况的需要。对于一些特别情况，例如缸外形成混合气的汽油机、气体燃料发动机更需要采用较小的气门重叠角，以避免新鲜混合气由缸内倒流人排气管。现代汽车发动机的气门重叠角都较小，例如奥迪发动机进气门在上止点前4o打开，而排气门在上止点后8o关闭，重叠角只有120。四、多气门提高发动机性能的体现从上面分析多气门的结构特点中，已经可以知道相对于二气门而言，多气门可以增加进、排气门的流通截面及进、排气流量，提高充气效率。同时还可以通过气门排列方案及气道设计形状的不同，组织更适合的气流运动。多气门提高发动机性能的作用体现在以下几个方面。1.提高充气效率四冲程发动机的充气效率，，可以用下式表示。Ps-进气管压力；。一发动机的压缩比。根据公式（7—1）分析，多气门发动机的充气系数刀v比二气门发动机大，首先是因为进、排气流量增大，使Pr减少，P。增大，同时由于流量增大，进气温度升高值△Tw降低，而其它参数影响甚微。在小客车用高速直喷柴油机上采用四气门，可以提高中速及高速范围内的容积效率，如图7-巧所示。在中、高速范围内将容积效率提高8%。而在低速时，可以通过改变气道长度、节流情况及气门正时等办法，利用低速时气流的动能，仍然可以保持较高的容积效率。.提高发动机的动力性能由于多气门既提高了新鲜充量，又可以利用多油束喷油器布置气缸盖中心的可能，使喷入燃烧室的油束均匀分布，再加上合理地利用挤气面积及进气涡流的作用，使燃烧能及时完善地完图7一16为小客车直喷柴油机采用四气门后，平均有效压力比原用二气门时提高的情况。采用同样的分配式油泵，并使排气烟度保持不变，平均有效压力提高了25%，即由1.ZMPa提高到1.SMPa（n二2500一3（X心）。发动机的转速n=4仪刃时，四气门的平均有效压力为1'3MPa,对应的比功率为43kw/L。如果不用分配式油泵，而是使用先进的单体式油泵，那么保持相同的烟度情况下，平均有效压力可达1.SMPa，对应的比功率为50kw】L。在发动机低转速工况（n<1500）时，四气门的平均有效压力基本上没有增加。从图7一14还可看到，该小客车的最低比油耗ge=2009（1479），在高速范围内，四气门的比油耗比二气门低。车用汽油机采用多气门时，同样由于充气效率高，能组织良好的燃烧过程，平均有效压力、升转矩及升功率都可以比二气门时高，国外试验结果表明，高转速时（n二以以））平均有效压力可提高25%，在中等转速时提高8%，而在低转速时，多气门与二气门的动力性能差不多。在全负荷、高速工况，节气门全开时，进气系统的节流作用取决于进气门，于是多气门能够发挥上述的优点，使此油耗在高速全负荷工况下比二气门降低8%。而在低速、低负荷时，则节气门开度小，节流作用大，多气门发挥不了优点。同时多气门传动机构的摩擦损失要大些，所以不可能降低油耗。在部分工况，油耗受汽车总传动比的影响较大，此时如果改变传动比，使发动机在低速、高平均有效压力下工作。即增大节气门开度，多气门的油耗也可以比二气门低。而这一点容易通过电控自动换档实现，因此多气门加上自动换档技术，可以取得更好的节油效果。船用及机车用大缸径柴油机多采用四气门，但很少采用斜置气门。过去汽车用发动机很少采用多气门，而现代车用发动机愈来愈多地采用斜置、多气门。根据统计资料分析表明，多气门能提高发动机动力性能的情况如图7一17所示，而斜置气门的措施提高发动机动力性能的情况如图7一18所