兰装院汽车发动机构造与维修讲义10进气系统

《汽车发动机构造与维修》讲义102/9任务十进气系统的检修完成本学习任务后，你应当能：1.正确地拆卸节气门体和进气歧管；2.正确地检查和清洗节气门体和进气歧管；3.正确地安装气门体和进气歧管；4.正确地进行节气门的初始化。习任务进气系统的作用是尽可能多并均匀地向各汽缸供给干净新鲜空气。现代轿车的进气系统包括进气导流管、空气滤清器、进气总管、节气门体和进气岐管。车外空气温度比发动机罩下的温度低，一般采用较长的进气导流管有利于实现从车外吸进密度较大的空气，同时也有利于应用进气谐振效应。电控喷射式发动机在进气系统中设有空气流量计，有的发动机还装有谐振器或可变进气歧管等。一、进气系统的总体结构进气系统的作用是尽可能多并均匀地向各汽缸供给干净新鲜空气。现代轿车的进气系统包括进气导流管、空气滤清器、进气总管、节气门体和进气岐管。车外空气温度比发动机罩下的温度低，一般采用较长的进气导流管有利于实现从车外吸进密度较大的空气，同时也有利于应用进气谐振效应。电控喷射式发动机在进气系统中设有空气流量计，有的发动机还装有谐振器或可变进气歧管等。1.空气滤清器如空气中含有的灰尘、砂粒等物质被吸入就会黏附在气缸、活塞和气门座等零件的表面，加速磨损，使发动机寿命下降。因此，必须安装空气滤清器把空气中的尘土分离出来，保证供给气缸足够量的清洁空气。空气滤清器的形式很多，按滤清方式可以分为惯性式和过滤式，按是否用机油可以分为干式和湿式。现在轿车广泛使用纸质滤芯空气滤清器(图10-1)。过滤式是根据吸附原理，引导气流通过滤芯(如金属网、丝棉、纸质物质等)，将尘土隔离和黏附在滤芯上，从而使空气得到滤清。越野汽车工作在多尘条件下，常采用油浴式空气滤清器；大型载货汽车和矿山用汽车等，有的使用离心式空气滤清器或与纸滤芯结合的双级滤清器。图10-1纸质空气滤清器2.进气歧管进气歧管将来自进气总管的空气送到各气缸所对应的进气道。为了增大进气量，需控制进气管道截面积的大小、弯曲程度以及管道内表面的形状，以尽力减小进气阻力。同时各缸所对应进气歧管内气体管道的长度应尽可能相等，以确保各缸的进气量均匀一致。汽车进气管常采用铝合金(图10-2)、工程塑料(图10-3)等材料加工而成。图10-2铝合金进气歧管图10-3工程塑料进气歧管3.节气门体传统的机械控制式节气门直接由驾驶员通过加速踏板控制，由于一系列先进技术的出现，传统机械控制式的节气门已无法满足要求，出现了电子节气门控制系统。传统机械控制式节气门改为电子节气门使得发动机控制更灵活。在电子节气门系统中，节气门不是通过加速踏板的拉索来控制，节气门与加速踏板间无机械式连接装置，油门踏板位置由两个油门踏板位置传感器接入发动机控制单元，这两个传感器与油门踏板一体，构成可变电阻，安装在一个壳体内。油门踏板的位置反映司机的意愿，是发动机控制单元的主要输入参数。①电子节气门组成如图10-4所示。来自ECU的指令使直流电机动作，通过传动机构影响节气门的开度。图10-4电子节气门当发动机不运转且点火开关打开时，发动机控制单元根据加速踏板位置传感器输送的信号控制节气门控制器，当加速踏板踏下一半时，节气门也打开一半。当发动机运转时，发动机控制单元可不依靠加速踏板位置传感器来打开或关闭节气门。尽管加速踏板只踏下一半，节气门可能已完全打开。这样可减少节流损失，还能在一定负荷状态下减少有害物质排放和降低油耗。发动机所需转矩由控制器通过节气门开度、进气量、发动机转速、喷油量、点火提前角等确定。②电子加速踏板包括加速踏板、位置传感器(图10-5)和复位弹簧。电子加速踏板是整个系统中重要的信号输入源，它直接反映驾驶员对动力的需求。系统针对不同踏板的电子特性匹配不同的数据。电位计式加速踏板传感器的主要部分是电位计。电位计产生一个与踏板位置有关的电压。按存储在控制单元中的传感器特性线，控制单元将电压转换成加速踏板的位移或角度位置。电子加速踏板一般采用双线电位计，两个电信号相互校核，确保踏板信号的正确性和驾驶的安全性。如图10-6所示为某一电位计加速踏板传感器的特性。图10-5加速踏板位置传感器结构形式图10-6电位计式加速踏板传感器特性③带有电子节气门的发动机管理系统(图10-7)去掉节气门拉线，没有怠速执行器。该系统进气量控制更为精确从而提高车辆的驾驶性能，且有利于降低排放和油耗。图10-7ME发动机管理系统示意图ME系统以转矩控制为基础，所有内部与外部需求均以发动机转矩来定义，根据转矩要求对各变量进行控制，提高了控制精确度和灵活度，为许多功能的扩展提供了可能性(图3-7)。例如，增加巡航控制功能不需要新增零部件，为满足更加严格的排放法规或采用汽油直接喷射、可变气门正时等技术时较容易扩展。ME系统的进气量由电子节气门控制，如果出现故障，电子节气门可能失控，导致汽车急加速，带来危险。因此，要有安全监控功能，系统必须能够对与安全性相关的故障进行自我检查。ECU在硬件和软件上都具有故障保护功能。ECU中有两套独立的硬件，一套用于实现发动机电喷控制功能，另一套是专门的监控模块。两套系统互相实时监控，并且分别对电子节气门等执行器具有独立的关闭功能。同样，软件也包括基本控制模块和监控模块。出现故障时有安全的故障行车模式保证车辆在任何条件下都受控。故障出现后，通过故障灯告知驾驶员。针对不同的故障采用不同的方式来限制发动机的动力输出。例如，断油时使驾驶员在故障发生后，也能安全地控制车辆。二、可变进气技术1.可变进气歧管长度系统为了在不同转速下都能充分利用进气波动效应，应使进气歧管长度与发动机的转速相匹配。现代轿车发动机为了尽量兼顾发动机在高、低速下都具有较好的经济性和动力性，常采用可变长度进气歧管技术，在高转速时用粗短的进气歧管，在中、低转速时用细长的进气歧管。可变进气歧管长度系统采用了一个控制阀来控制进气歧管的长度，这是目前主流的进气歧管长度可变机构的设计。该系统中进气歧管多数会被设计成螺旋状，气流从中部进入。当引擎低转速运行时，黑色控制阀关闭，气流被迫从长歧管流入气缸，此时进气歧管的空气振荡频率得以降低，以较低的进气门开启频率。当引擎处于较高转速时，进气门开启频率上升，此时控制阀开启，气流绕开下部导管直接“抄近道”走入气缸，这降低了进气歧管的振荡频率，利于高速进气。如图10-8所示。图10-8二段式可变进气歧管二段式可变进气歧管显然不能完全满足各个转速下引擎的进气需求。解决的办法是设计一套连续可变进气歧管长度的机构，在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，如图3-9所示。2.可变截面进气歧管根据流体力学的原理，管道的截面积越大，流体压力差越小；管道截面积越小，流体压力差越大。可以使发动机在高转速时使用较大的进气歧管截面积，提高进气流量；在低转速时使用较小的进气歧管截面面积，提高气缸的进气负压，也能在气缸内充分形成涡流，让空气与汽油更好地混合，如图3-10所示。3.可变进气涡流调节直喷柴油机和一些现代直喷汽油机常通过涡流进气道、切向进气道和直进气道不同方式及其组合形成一定的进气涡流。在不同转速和负荷下，发动机最佳涡流比不同。因此，出现各种可变进气涡流调节方法。图10-11所示为切向进气道和直进气道组成的双进气道，通过控制直气道开启程度来控制进气涡流强度。若打开直气道入口处的板式涡流控制阀，涡流变弱，同时进气量也增加，流量系数提高；若关闭控制阀，则恢复到无直气道的强涡流状态，在保证良好流量系数的前提下获得了强涡流。图10-9“无级”式可变进气歧管系统图10-10可变截面进气歧管三、发动机进气增压发动机增压是将空气预先压缩后再进入气缸，可以提高空气密度、增加进气量，从而增加发动机功率，提高发动机热效率，降低排放。增压方式主要有机械增压、气波增压、涡轮增压和复合增压等。1.机械增压机械增压是指压气机由内燃机曲轴通过传动装置直接驱动的增压方式。机械增压不增加发动机排气背压，但消耗其有效功率。过多地提高增压压力，会使驱动压气机耗功过大，机械效率下降。机械增压器采用皮带与发动机曲轴皮带轮连接，带动机械增压器内部叶片，使进气获得增压，与废气涡轮增压相比，其低速增压效果好。机械增压器常用的压气机为罗茨式压气机，由转子（二叶或三叶）、转子轴、传动轮、壳体和电磁离合器等组成（图10-12）。当转子旋转时空气从压气机入口吸入，在转子叶片的推动下空气被加速，然后从压气机出口压出（图10-13）。图10-11可变进气涡流调节图10-12罗茨式压气机图10-13罗茨式压气机工作原理图电磁离合器安装在传动带轮中，电控单元根据发动机工况的需要，发出接通或切断电磁离合器电源的指令以控制增压器的工作。2.废气涡轮增压废气涡轮增压是指利用排气能量推动涡轮机叶轮旋转，并带动与其同轴安装的压气机工作，将新鲜空气进行增压，如图10-14所示。废气涡轮增压不消耗发动机的有效功率，具有一定的消声作用，并进一步减少排气中的有害成分。（1）工作原理与结构废气涡轮增压器由涡轮机和压气机等部分组成，涡轮机进气口与排气歧管相连，涡轮的排气口接在排气管上。压气机进气口与空气滤清器管道相连，压气机的排气口接在进气歧管上。涡轮和叶轮分别装在涡轮机和压气机内，二者同轴刚性连接，如图10-15所示。图10-14涡轮增压原理图10-15涡轮增压器结构图（2）离心式压气机离心式压气机结构紧凑、质量小，在较宽的流量范围内具有较高的效率（图3-16）。图10-16离心式压气机示意图离心式压气机由进气道、叶轮、扩压器和压气机蜗壳组成。进气道的作用是将外界空气导向压气机叶轮，为了降低流动损失，通道为渐缩形。空气在离心力的作用下沿压气机叶片之间所形成的流道从中心流向周边，并从旋转的叶轮获得能量，使其流速、压力和温度均有提高，然后进入扩压器。扩压器将压气机叶轮出口高速空气的动能转变为压力能。扩压器一般是一渐扩形的扩压管，空气流过扩压管时，流速降低、压力升高，大部分动能转化为压力能，温度上升。压气机蜗壳的作用是收集从扩压器流出来的空气，将其引导到发动机的进气管。压气机蜗壳也有一定的扩压作用，由于从扩压器出来的空气仍有较大的速度，在蜗壳中进一步把动能转化为压力能。（3）涡轮涡轮的工作过程与压气机相反，它把发动机排出废气的能量转化为机械功来驱动压气机叶轮。涡轮分为轴流式涡轮、径流式涡轮和混流式涡轮等。车用增压器常使用径流式涡轮，其主要由进气蜗壳、喷嘴环、工作叶轮等部件组成（图10-17）。图10-17径流式涡轮机示意图进气蜗壳的作用是把发动机排出的具有一定能量的废气，以尽量小的流动损失均匀地引导到涡轮喷嘴环入口。喷嘴环又称导向器，流通截面呈渐缩形，燃气膨胀加速并按规定的方向进入工作叶轮。工作叶轮与压气机叶轮同轴，把气体的动能转化为机械功向压气机输出。排气壳收集叶轮排出的废气并送入后面的排气管。为了降低叶轮的背压，使气体在叶轮中充分膨胀做功，排气壳做成一个渐扩形的管道。（4）转子和浮动轴承涡轮机叶轮、压气机叶轮和密封套等零件安装在增压器轴上，构成涡轮增压器转子（图10-18）。转子的转速很高，最高可达200×104r/min以上。因此，转子的平衡非常重要，对增压器轴承的可靠性也提出了很高的要求。增压器一般采用全浮式滑动轴承，圆环状滑动轴承与轴以及轴承座之间都有间隙，形成双层油膜（图10-19）。轴承浮在轴与轴承座之间，增压器工作时轴承也在轴与轴承座中间转动。图10-18增压器转子图10-19浮动轴承（5）内置式排气旁通阀内置式排气旁通阀，是目前涡轮系统中最常见的泄压装置，一般又被称为连动式排气泄压阀。它直接配置在涡轮上，利用一支连杆来控制涡轮排气中的阀门，一旦涡轮压缩空气端的增压值达到限定的程度，进气压力便会推内置式排气旁通阀的连杆，使涡轮排气侧内的内置式排气旁通阀门开启，部分废气不经涡轮叶轮直接排到排气管，如图10-20所示。这样减少“吹动”涡轮叶轮的废气流量，涡轮叶轮转速降低，同时带动压气机叶轮转速降低。因此，内置式排气旁通阀既是限制涡轮最高转速的装置，也是使涡轮进气端增压压力维持一个稳定值的装置。（6）外置式旁通阀外置式排气旁通阀如图10-21所示。也被称为排气泄压阀，功能与内置式排气旁通阀大致相同，但结构与安装位置有区别。结构上外置式排气旁通阀省去了连杆和在涡轮内的排气阀门。而位置上外置式排气旁通阀以独立方式安装在涡轮与排气管头段之间，而无须像内置式排气旁通阀那样依附于涡轮增压器本体上。一旦涡轮增压值达到设定上限，外置式排气旁通阀排出(可直接排向大气或导回排气管内)多余的废气，减少“吹动”涡轮叶轮的废气流量，进而使涡轮保持稳定的增压值。外置式排气旁通阀比内置式排气旁通阀有更大的增压容量(可配用大的弹簧)且反应灵敏，所以更适合用在大马力或高增压涡轮发动机上。图10-20内置式排气旁通阀图10-21外置式排气旁通阀（7）进气旁通阀进气旁通阀一般又称为“进气泄压阀”。它安装在靠近节气门的进气管上，它是大部分涡轮增压发动机出厂时原配的泄压装