汽油發(fā)動機進氣控制研究

朱成水

摘 要：自 1886年汽車誕生，在一百多年的發(fā)展中，汽車發(fā)動機的專家們都在探討同樣的問題：如何使發(fā)動機以最低燃油消耗量輸出最大的功率。于是發(fā)動機從一根凸輪軸的二氣門發(fā)展到兩根凸輪軸的四氣門，從吸入式進氣發(fā)展到渦輪增壓進氣，從固定轉(zhuǎn)角凸輪發(fā)展到 VVT和 VVL，從進氣歧管燃油噴射發(fā)展到缸內(nèi)燃油直接噴射，

這些改變都為了低油耗高功率加上低排放。關(guān)鍵詞：凸輪軸；氣門；VVT；VVL；傳統(tǒng)發(fā)動機；直噴發(fā)動機；電磁閥氣門

1 傳統(tǒng)無增壓汽油發(fā)動機的特點分析

傳統(tǒng)汽油發(fā)動機一般指空燃比為 14.7/1的進氣歧管燃油噴射，其特點是低壓霧化燃油噴射在進氣管內(nèi)與空氣混合，待氣門開啟購混合氣被吸入氣缸。這種燃油噴射方式的缺點是噴射的油霧顆粒會沾附在進氣歧管的管壁和氣門背面上。當進氣門開啟后，氣缸會吸入大顆粒液態(tài)燃油，大顆粒燃油會使燃燒不良。

傳統(tǒng)汽油發(fā)動機的進排氣門凸輪軸上的各個凸輪為固定轉(zhuǎn)角和固定輪廓型線，這是發(fā)動機設(shè)計工程師根據(jù)四沖程每一個氣缸的進排氣門開啟的時間要求而設(shè)計。每個凸輪轉(zhuǎn)角固定的特點主要根據(jù)汽車最常用工況即發(fā)動機中轉(zhuǎn)速進氣量而設(shè)計，這樣的凸輪軸不能顧及發(fā)動機低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速的進氣工況。

根據(jù)傳統(tǒng)四沖程發(fā)動機配氣相位理論（見圖1），發(fā)動機在排氣沖程結(jié)束后排氣門提前開啟，而在進氣沖程開始前進氣門提前開啟，在進氣沖程結(jié)束后氣門會延遲關(guān)閉。這使得排氣沖程和進氣沖程轉(zhuǎn)換時有一段時間進排氣門都同時開啟，此時進氣門-氣缸-排氣門是貫通的。這樣的設(shè)計主要是為了滿足發(fā)動機中轉(zhuǎn)速工況的進氣量需求。進氣門提前開啟的目的是為了在活塞下行時氣門開度最大化可以多進氣，延遲關(guān)閉的原因是由于活塞下行結(jié)束后開始上行時，氣缸內(nèi)尚處于負壓，氣門延遲關(guān)閉可以滿足過后充氣。但發(fā)動機中轉(zhuǎn)速時進氣門遲閉角不能太大，否則活塞上行過程會回流吸入的混合氣使壓縮行程縮短。而排氣門延遲關(guān)閉的目的是為了利用進氣流推壓殘余廢氣排出。這樣的凸輪軸設(shè)計，使發(fā)動機在壓縮沖程低轉(zhuǎn)速時，進氣門遲閉，活塞上行時吸入的混合氣有一部分會重新回流到進氣歧管，造成進氣損失而影響發(fā)動機輸出功率和扭矩。

由于進排氣門開閉升程和時間都是固定凸輪輪廓型線設(shè)計，這使得發(fā)動機在高轉(zhuǎn)速工況時，通過氣門截面積的混合氣流速遇到很大的阻力，當進氣沖程結(jié)束時，氣缸內(nèi)負壓力仍然很大，即使活塞上行，仍然可以繼續(xù)吸入混合氣，但傳統(tǒng)汽油發(fā)動機的進氣門遲閉角比較小，使發(fā)動機在高轉(zhuǎn)速時進氣不足，這影響了發(fā)動機高速時的輸出功率和扭矩。

2 渦輪增壓傳統(tǒng)發(fā)動機特點分析

由于自然吸氣發(fā)動機在進氣沖程吸入的空氣有限，發(fā)動機比功率輸出小。根據(jù)傳統(tǒng)汽油發(fā)動機的空燃比是14.7/1的特性，發(fā)動機進氣越多噴油量也越多，輸出功率和扭矩也會同比增加。在發(fā)動機的進氣管和排氣管上安裝渦輪增壓器，利用排氣壓力驅(qū)動增壓器的廢氣渦輪來驅(qū)動增壓器的空氣壓縮機，將空氣壓入發(fā)動機進氣系統(tǒng)。這種由吸入到壓入的進氣變化，使發(fā)動機結(jié)構(gòu)改動最少，以最經(jīng)濟的方法達到提高輸出功率和扭矩的目的。

3 VVT和 VVL發(fā)動機特點分析

傳統(tǒng)汽油發(fā)動機由于配氣相位僅滿足中轉(zhuǎn)速工況進氣，其在低、高轉(zhuǎn)速時的進氣都會受到影響，這使得發(fā)動機在低、高轉(zhuǎn)速的輸出功率和扭矩受到影響。為了使發(fā)動機在低、中、高轉(zhuǎn)速都能輸出穩(wěn)定和所需功率，發(fā)動機的工程師們在進排氣凸輪軸上設(shè)計增加了VVT（Variable Valve Time可變氣門正時）和VVL（Variable Valve Lift可變氣門升程）機構(gòu)。