汽车发动机原理课件：可变技术

一、可变进、排气管长度技术由于间歇进、排气，进排气管中存在压力波，在特定的进、排气管条件下，可以利用压缩波来提高进气门关闭前的进气压力，利用膨胀波来使排气过程后期的残余废气减少，增大充量系数，这种效应称之为动态效应，而可变进、排气管长度技术，可使发动机在较宽转速范围利用其动态效应来增加充气量，从而提高发动机在较宽转速范围的转矩和功率。(一)动态效应利用原理为分析方便，将动态效应分为惯性效应与波动效应两类。１.进气管惯性效应如图2-21a)所示，当进气门开启时，由于活塞下行抽气，进气门端出现向缸内流动的气流，使静压力Ps<Po，表明压力相对Po下降而出现右行膨胀波，并以声速ｃ向管口传播(因进气门管端气流速度v≪c，故压力波速c-v≈c)，此波于L

/c时刻到达管口，Ｌ是进气管长。若设气门开启有效持续时间为ts，则有两种情况:(１)t>ts，如图2-21b)所示，该图为气门口管端压力Ps随时间的变化曲线，第一次的返回压缩波(点画线)到达气门端时，进气门已关闭，对进气不会产生任何影响。(２)t<ts，如图2-21c)所示，第一次的返回压缩波(点画线)在进气后期到达，相应的虚线所示的再次反射的压缩波也处于进气后期。为了使第一次反射压缩波在进气后期到达气门口，管长Ｌ和转速n要合理匹配，转速n不变时，Ｌ太长，因t>ts，而对ϕc无影响，Ｌ过短，多次反射回的前后压缩波、膨胀波相互抵消，效果也不大，故只有在一合适的进气管长度下，才会得到最大值，上述分析可知，惯性效应最大的条件是在进气有效持续时间ts的后半部分，即ts

/2时间内能有一次压缩波到达，因而必须满足以下条件:因进气门开启的有效持续角φse=6nts，故有:或从式(2-10)知，当c、φse为定值式，转速上升，为获得最大惯性效应，进气管长度应随之变短，反之，则变长。２.进气管波动效应上循环气门处的压力波动如果到下循环进气时仍未消失的话，将会对下循环进气产生直接的影响，此即为波动效应，显然，下循环进气时，正巧上循环残余压缩波到达，则会产生有利效果，反之，则出现不利影响。已知进气门口压力波动的频率为f1=c/(4L)，四冲程发动机转速为ｎ时，进气门的开启频率为f2=n/120，定义f1与f2之频率之比为波动次数q，即:Q=f1/f2=30c/(nL)

(2-11)图2-22上表示了不同波动次数q时，气门口相邻两循环间上一循环压力波的波形，当q=1、2

···正整数时，正巧下循环进气之初，上循环的残余膨胀波到达，这样的条件显然使进气量减少，相当于图2-23b)曲线的波谷，当q=1.5、2.5···时，正巧是残余压缩波到达，进气量增加，相当于图2-23b)曲线中的波峰。如果长度Ｌ不变，则在不同的n处有类似的波峰、波谷出现，如图2-23a)所示，此曲线正是经动态修正后的单缸发动机的真实进气速度特性线。惯性效应的压力波动衰减小，振幅大，而波动效应的压力波是经过多次反射的波，衰减大，振幅小，因此，前者是主要的，利用进气系统动态效应时，除了必须精心选择进气管长度外，还应对管径、管道的截面变化和弯曲方式、稳压室容积、节流位置等作周密考虑，压力波在管道中的变化非常复杂，常根据管道中气体一元非定常流动的数值进行计算和优选方案，再通过试验最后确定进气管的结构尺寸。３.排气管动态效应排气门打开初期，随着废气大量涌入，在排气门处产生大的压缩波并向排气管出口端传播，在出口端又返回膨胀波，由此可见，排气管内也存在压力波，且排气能量大，废气温度高，故与进气相比，排气压力波的振幅大、传播速度快。若能在排气过程后期，特别是气门叠开期，使排气管的气门端形成稳定的负压，便可减少缸内残余废气和泵气损失，并有利于新气进入汽缸。(二)动态效应的应用图2-24所示的是一个进气管长度可变的进气控制系统。在发动机低速运转时，进气控制阀关闭，管道变长，当发动机高速运转时，进气控制阀打开，管道变短。图2-25所示的为进气管长度无级变化的进气系统示意图，这种系统可利用动态效应充气，在发动机的所有转速范围内都能达到最佳效果。图2-26所示的是使用长度不可变、二级可变和无级可变进气管的最大平均有效压力Pemax比较，显然后者在各转速下都获得了大的ϕc，其动力性能比前两者的都好。二、可变气门正时及升程技术由前述已知，为获得最大的充量系数，减少泵气损失，比较理想的配气机构，应满足以下要求:(１)低速时，采用较小的气门叠开角以及较小的气门升程，防止出现缸内新鲜充量向进气系统的倒流，以便增加低速转矩，提高燃油经济性。(２)高速时应具有最大的气门升程和进气门迟闭角，以最大程度地减小流动阻力，并充分利用过后充气，提高充量系数，满足发动机高速时动力性的要求。(３)配合以上变化，进气门从开启到关闭的进气持续角也进行相应地调整，以实现最佳的进气正时，将泵气损失降到最低。１.可变气门正时(VVT)技术采用可变气门正时技术的发动机较多，对于双顶置凸轮轴发动机，由于进、排气门是通过用不同凸轮轴分别驱动的，而且一根凸轮轴不是通过另一根驱动，则可以用图2-27所示的相位可变凸轮轴来达到改变配气正时的目的，凸轮轴的相位借助一个螺旋花键套1的移动来改变，花键套内孔的直齿花键与凸轮轴3端头的花键啮合，它的外螺旋花键与驱动链轮4的螺旋花键孔啮合，当花键套1在油压作用下克服复位弹簧2的弹力轴向移动时，3与4相对角位移Δφc。从图2-28上可以看出，采用VVT技术可以使得发动机的低速转矩得到大幅度的提高，由于这种机构的凸轮型线及进气持续角均不变，虽然高速时可以加大进气迟闭角，但气门叠开角减小，这是它的缺点。２.可变气门升程技术图2-29为三菱公司开发出的可变系统，该发动机配气机构是在凸轮轴上装置两组凸轮，即中、低速，大转矩使用的低升程、短持续期进气凸轮和高功率使用的高升程、长持续期进气凸轮。此外，该机构还可实现发动机排量可变，图2-30所示是采用这种可变气门升程技术后，与传统的配气机构的性能比较。３.全可变气门机构图2-31所示的是德国FEV内燃机技术公司发明的电磁控制全可变气门机构，在该电磁控制全可变气门机构中，有上下两个电磁极，一个衔铁固定在气门上。当下面的电磁极通电时，气门开到最大升程，当上面的电磁极通电时，气门被关闭，下面的电磁极的位置可以移动，以此改变气门的最大升程。由