汽油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(dòng)機(jī)的專家們都在探討同樣的問題：如何使發(fā)動(dòng)機(jī)以最低燃油消耗量輸出最大的功率。于是發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)氣發(fā)展到渦輪增壓進(jìn)氣，從固定轉(zhuǎn)角凸輪發(fā)展到 VVT和 VVL，從進(jìn)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(dòng)機(jī)；直噴發(fā)動(dòng)機(jī)；電磁閥氣門

1 傳統(tǒng)無增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)分析

傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)一般指空燃比為 14.7/1的進(jìn)氣歧管燃油噴射，其特點(diǎn)是低壓霧化燃油噴射在進(jìn)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(diǎn)是噴射的油霧顆粒會(huì)沾附在進(jìn)氣歧管的管壁和氣門背面上。當(dāng)進(jìn)氣門開啟后，氣缸會(huì)吸入大顆粒液態(tài)燃油，大顆粒燃油會(huì)使燃燒不良。

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

根據(jù)傳統(tǒng)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)配氣相位理論（見圖1），發(fā)動(dòng)機(jī)在排氣沖程結(jié)束后排氣門提前開啟，而在進(jìn)氣沖程開始前進(jìn)氣門提前開啟，在進(jìn)氣沖程結(jié)束后氣門會(huì)延遲關(guān)閉。這使得排氣沖程和進(jìn)氣沖程轉(zhuǎn)換時(shí)有一段時(shí)間進(jìn)排氣門都同時(shí)開啟，此時(shí)進(jìn)氣門-氣缸-排氣門是貫通的。這樣的設(shè)計(jì)主要是為了滿足發(fā)動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)速工況的進(jìn)氣量需求。進(jìn)氣門提前開啟的目的是為了在活塞下行時(shí)氣門開度最大化可以多進(jìn)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(shí)，氣缸內(nèi)尚處于負(fù)壓，氣門延遲關(guān)閉可以滿足過后充氣。但發(fā)動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)速時(shí)進(jìn)氣門遲閉角不能太大，否則活塞上行過程會(huì)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(jìn)氣流推壓殘余廢氣排出。這樣的凸輪軸設(shè)計(jì)，使發(fā)動(dòng)機(jī)在壓縮沖程低轉(zhuǎn)速時(shí)，進(jìn)氣門遲閉，活塞上行時(shí)吸入的混合氣有一部分會(huì)重新回流到進(jìn)氣歧管，造成進(jìn)氣損失而影響發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率和扭矩。

由于進(jìn)排氣門開閉升程和時(shí)間都是固定凸輪輪廓型線設(shè)計(jì)，這使得發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速工況時(shí)，通過氣門截面積的混合氣流速遇到很大的阻力，當(dāng)進(jìn)氣沖程結(jié)束時(shí)，氣缸內(nèi)負(fù)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(dòng)機(jī)的進(jìn)氣門遲閉角比較小，使發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速時(shí)進(jìn)氣不足，這影響了發(fā)動(dòng)機(jī)高速時(shí)的輸出功率和扭矩。

2 渦輪增壓傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn)分析

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

3 VVT和 VVL發(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn)分析

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