高等内燃机讲课

汽油机可变技术和先进配气技术高等内燃机学——主讲人：黄玉龙2014.10.28引言1思路：一个中心：高效利用混合气（燃料）两个重要基本点：配气机构、进气系统汽油机可变技术和先进配气技术汽油机运行工况复杂：怠速，加速，高速，减速。其对应的转速相差很大，所需要的有效功率也不同。一成不变的配气系统显然达不到高效节能的目标。那么问题来了：如何配气才能达到目标？可变配气机构可变气门定时、可变气门升程、可变凸轮作用角、可变摇臂比、电磁气门、液压气门可变进气系统可变进气管长度、截面积，可变进气涡流，分段可变和谐振可变进气系统，多气门技术，顶置凸轮轴，进气增压技术可变燃烧系统可变气缸数，可变压缩比废气再循环(EGR)目录1废气再循环（EGR）1内燃机尾气中含有大量的Nox、CO2大气污染，全球气温升高。废气再循环技术是控制氮氧化合物排放的主要措施，它是将汽车排出的一部分废气重新引入发动机进气系统，与混合气一起再进入气缸燃烧。废气混入的多少用EGR率表示，其定义如下：废气再循环工作原理废气再循环（EGR）1废气再循环降低发动机燃烧速度的途径：提高混合气的比热容。CO2的比热容是O2的1.5倍，随着废气成分的增加，使混合气比热容提高；降低混合气中O2的浓度。由于一部分空气被废气取代，混合气中O2的浓度相应减少；降低燃烧速度。以上两种效应使发动机燃烧温度降低，增加了燃烧时的散热，降低了最高燃烧温度。废气再循环（EGR）1废气再循环的具体控制策略：发动机启动时，发动机温度较低，通常关闭EGR；低速小负荷时，供油量小，燃烧不稳定，应降低EGR率或不适用；空气温度过低时，适当降低EGR率；随着负荷增大，燃烧室温度升高，NOx生成量增大，应适度增大EGR率，一般不超过20%，否则燃烧速度过慢，影响动力性；高速、大负荷时，需要较大的输出功率，此时应降低EGR率或不适用。废气再循环（EGR）1废气再循环包括内部循环与外部循环：外部循环（已讲）内部循环——稍后再讲当然，废气再循环还可以减少HC和CO的排放可变配气机构1配气机构由气门组与气门传动组两部分组成；按照要求定时开启和关闭各气缸的进、排气门，使新鲜充量得以及时进入气缸，废气得以及时从气缸排出；在压缩与作功行程中，保证燃烧室的密封。可变配气机构1凸轮（凸轮轴）配气机构的关建部件，控制气门的配气相位；升程又可以控制气门开度大小。凸轮轴可变配气机构1摇臂一个双臂杠杆，用来将推杆传来的力改变方向，作用到气门杆端以推开气门；摇臂比（双臂长度比）又可以影响气门开度大小。摇臂可变配气机构1气门定时对发动机性能的影响：气门重叠角；排气门晚关；进气门早开；进气门晚关；排气门早开。可变配气机构1气门重叠角—进、排气门同时打开的角度可变配气机构1气门重叠角调节进、排气门的相对位置，可以得到不同的气门重叠角，可使部分废气在进气冲程重新吸入气缸，实现发动机的内部废气再循环（此处的优点与外部循环相同）；在中、高速范围内，增大气门重叠角有利于换气和充气；在启动、低速和低负荷工况下，残余废气会被吸入进气管，造成启动困难，怠速不稳定，同时大的重叠角会使部分新鲜气随废气排出，增加了HC和CO的排放量；只由排气门关闭相位角和进气门开启相位角决定。可变配气机构1排气门早开在活塞到达排气冲程开始前打开；会造成功率的减少，但此时活塞移动速度已经变慢，不是过早打开的话，影响相对较小；可使部分废气迅速派出而减小排气功；不影响气门重叠角。可变配气机构1排气门迟开排气行程开始一段时间后再打开；大量增加排气功，从而减小功率输出；大的延迟造成气缸压强过大，增大气门重叠期间（进气气门开启后）废气回流到进气侧的可能性；不影响气门重叠角。可变配气机构1排气门晚关延迟到排气行程上止点后，排气更充分；增大气门重叠角，废气内部回流可能性增大；怠速时，回流占主导；部分负荷和高负荷时，回流减弱。排气门早关和晚关是个相对概念，极少有排气冲程未结束就关闭排气门的。可变配气机构1进气门早开在进气冲程开始前（排气冲程结束前）就打开，气门重叠角增大；进气时间变长，也可利用排气气流在排气口和气缸内的真空作用和进气惯性使进气更多；会有更多的废气进入进气管，提高内部废气循环率（优缺点与之前相同）；进气还是回流由具体工况与相位角共同决定可变配气机构1进气门早关在进气冲程结束前就打开；控制进气量，在低载和低速工况下可有效减小燃料消耗，降低尾气排放；不影响气门重叠角。可变配气机构1进气门晚关在进气冲程活塞过了下止点才关闭（压缩冲程已经开始）；大负荷、中高速工况下，新鲜混合气可利用进气惯性能量形成的压力柱进入气缸，提高充气效率；低速、大开度时，非但不能多进气，反而会有部分新鲜气被压入进气管；不影响气门重叠角。可变配气机构1小结：不同的气门相位角对进气有着重要影响，进而影响到燃烧效率与尾气排放；为了追求高效与低排，就必须采用可变气门定时，针对不同的工况，确定最佳气门相位角；确定最佳气门相位角主要依靠凸轮作用角。可变配气机构1可变气门升程气门升程是气门空间开启的大小；大负荷、高转速时，混合气流速很快，气门开启时间短，燃料需要量大，这就要求大的气门升程；小负荷、低转速时，混合气流速慢，需要活塞在气缸内产生足够的负压，因此需要小的气门升程。控制因素：凸轮升程；摇臂比。可变配气机构1凸轮轮廓与气门的运动规律气门开启点气门升程最大时刻气门关闭点可变配气机构1可变配气机构哪家强？可变配气机构1电磁气门可变配气机构1液压气门可变进气系统1可变配气机构从气门角度考虑可变进气系统从进气等其他方面考虑可变进气管长度可变进气管截面积可变进气涡流进气增压技术谐振可变进气系统多气门技术定置凸轮轴可变进气系统1可变进气管长度：•传统化油器和单点喷射汽油机要求进气道尽可能短，以免过多的燃油在进气管壁上形成油膜，影响发动机的动态性能；•多点喷射发动机，由于燃油喷射紧挨进气门，进气管长度允许有较大的变化；进气管长度主要影响气波，从而影响充气系数。现主要采用机械调整进气长度的方法，从总体上分为分级和无级可变两种：•分级可变的结构主要是通过阀门的开启和关闭，从而使进气通过不同长度的通道；•无级可变的结构主要有旋转内腔件（蜗壳）和固定外壳构成，通过旋转内腔件的转动来改变管长可变进气系统1•分级可变可变进气系统1•分级可变可变进气系统1可变进气管截面积•低转速时，进气管道截面较小的发动机在有较好的波动充气效果，输出扭矩较大；•高转速时，进气管道截面小会降低发动机的充气系数和发动机功率，因此高转速应该具有较大的进气街道面积。可变进气涡流可变进气涡流系统主要是配合稀燃汽油机在不同负荷下对进气涡流强度的不同要求而开发的：•低负荷时，稀燃汽油机进行分层燃烧，需要较强涡流；•大负荷时，进行均匀较浓混合燃烧，需要弱涡流。二者常常合二为一可变进气系统1•可变进气管截面积与可变进气涡流可变进气系统1谐振可变进气系统由于进气过程具有间歇性和周期性，致使进气歧管内产生一定幅度的压力波。此压力波以当地声速在进气系统内传播和往复反射。如果利用一定长度和直径的进气歧管与一定容积的谐振室组成谐振进气系统，并使其固有频率与气门的进气周期调谐，那么在特定的转速下，就会在进气门关闭之前，在进气歧管内产生大幅度的压力波，使进气歧管的压力增高，从而增加进气量。这种效应称作进气波动效应。谐振进气系统的优点是没有运动件，工作可靠，成本低。所谓谐振可变，是指具有几个容积不同的谐振腔，低速时可独立工作，高速时可通过阀门相连而改变谐振频率A.谐振进气系统B.谐振可变进气系统可变进气系统1•保时捷3.6LV6发动机上，两个谐振箱由两个谐振管连在一起，其中一个谐振管可以关闭，当这个谐振管打开时，谐振管的截面积增加，谐振频率提高。•标志6054V发动机上设置3个控制阀门，低转速时，3个阀门都关闭，进气系统是2个互不干扰的谐振充气系统，在中等转速时，2个阀门打开，使得进气系统成为相连的谐振充气系统，在高转速时，第3个阀门也打开，见笑了谐振管截面，提高了谐振转速。可变进气系统1多气门技术到目前，发动机的转速已经越来越高，现代轿车发动机的转速一般可达到5000r/min以上，传统的两气门已经不能胜任在短时间内完成换气的工作，严重制约发动机性能的提高。解决这个问题的方法就是扩大气体出入的空间，用空间换时间，也就是多气门技术。多气门发动机主要包括以下几种：•两个进气门与一个排气门的三门式；•两个进气门与两个排气门的四气门式；•三个进气门与两个排气门的五气门式。•其中，四气门式最为普遍。可变进气系统1多气门与两气门相比，具有较大的换气面积，可增大充量系数。低速工况下，可以通过电控系统关闭一个进气道，是气缸内的进气涡流加强，改善燃烧状况。因此，多气门发动机有排放污染少、提高发动机的功率、降低噪音的优点。“帘区”的概念：气门数并非越多越好，首先介绍一个概念——“帘区”，是指气门的周长乘以气门的升程，即气门开启的空间。“帘区”越大，说明气门开启的空间越大，但是气缸盖表面积一定，当气门数达到一定数目后，“帘区”值反而会下降。而且气门数越多机构越复杂，成本也就越高。目前轿车的多气门发动机每个气缸的气门数是3~5个，其中又以四气门最为普遍。多气门技术可变进气系统1顶置凸轮轴凸轮轴位置不同，所需要的零件也不同，主要体现在传动零件上.推杆可变进气系统1顶置凸轮轴凸轮轴位置不同，所需要的零件也不同，主要体现在传动零件上：下置凸轮轴需要一个细长的推杆，将凸轮轴传来的作用力传给摇臂，进而带动气门开闭：中置凸轮轴与下置凸轮轴相差不大，主要体现在推杆的长度；下置凸轮轴与中置凸轮轴都存在系统零件多，质量大，且零件需要承受较大的刚度和较好的稳定性，难以保证发动机高速运转的要求；相比之下定置凸轮轴具有零件少、质量小、高速性好等优点。可变进气系统1顶置凸轮轴按照凸轮轴个数分：单顶置凸轮轴；双顶置凸轮轴。按照驱动方式分：直接驱动式；摆臂驱动式；摇臂驱动式。注：摇臂和摆臂的区别就在于轴的位置不同可变进气系统1顶置凸轮轴可变进气系统1顶置凸轮轴可变进气系统1顶置凸轮轴可变进气系统1进气增压技术增压就是将空气预先压缩然后再供入气缸，以提高空气密度、增加进气量的一项技术。由于进气量增加，可相应地增加循环供油量，从而可以增加发动机功率。同时，增压还可以改善燃油经济性。实践证明，在小型汽车发动机上采用涡轮增压或机械增压，当汽车以正常的经济车速行驶时，不仅可以获得相当好的燃油经济性，而且还由于发动机功率增加，可以得到驾驶人所期望的良好的加速性。发动机的增压方式主要有三种：废气涡轮增压、机械增压、气波增压。可变进气系统1进气增压技术发动机的增压方式主要有三种：废气涡轮增压、机械增压、气波增压。前面已经讲过的谐振增压技术就是气波增压的一种，今天主要将前两种。可变进气系统1进气增压技术——废气涡轮增压废气涡轮增压是靠发动机排气所剩余的动能来驱动涡轮旋转，进而对进气进行压缩，达到增压的目的。废气涡轮增压特点：结构紧凑、效率提升明显，故障率低、噪声小，一台装有涡轮增压技术的发动机，其输出的最大功率会增加40%以上，而且没有改变发动机的排气量；低转速下排气动能较小，无法驱动涡轮高速旋转；汽油抗爆性能差，高转速时涡轮增压效果过于明显，容易产生爆震现象。可变进气系统1进气增压技术——废气涡轮增压可变进气系统1进气增压技术——机械增压机械增压是靠额外消耗能量的增压器来对进气进行增压。机械增压特点：结构紧凑、可与发动机实现良好匹配，从而适应不同工况，但需要消耗额外的能量。可变进气系统1进气增压技术——复合式增压针对废气涡轮增压在低转速工况下的乏力，将需要额外耗能的机械增压器与废气涡轮增压器串联在一起组成复合式增压。空气从空气滤清器进入进气管以后，先经过机械增压器，然后通过进气管的引导经过涡轮增压器，最后进入进气歧管。在机械增压器和涡轮增压器附近都设有旁通管道和阀门，用以控制不同工况下增压器的转化。可变进气系