汽車環(huán)保節(jié)能技術(shù)淺析(編輯修改稿)
2024-11-29 09:09 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 式 對于一臺 4 沖程發(fā)動機，按照很多人的理解，做功沖程末，活塞處于下止點時排氣門開始打開，發(fā)動機進入排氣沖程，直 到活塞到達上止點，排氣門關(guān)閉，進氣門打開，發(fā)動機進入吸氣沖程。當(dāng)活塞正好運行一周重新回到下止點時，進氣門關(guān)閉，發(fā)動機進入壓縮沖程。然而，可能和與人們的直覺不同的是，這樣的氣門正時效率并不是最優(yōu)的。讓我們先來考慮一下排氣門開啟的時機。如果比活塞到達下止點提前一點就開啟排氣門會怎么樣呢？從直覺上，這時廢氣仍可推動活塞做功，如果打開排氣門開始排氣，此時氣缸內(nèi)的壓強就會降低，能量的利用率也就降低了，發(fā)動機性能也會隨之下降。是這樣嗎？其實也不一定。我們知道，排氣時活塞會壓迫廢氣從而反過來對廢氣做功，這個過程會消耗一部 分發(fā)動機已經(jīng)獲得的能量。如果在缸內(nèi)壓強相對較高時提前開始排氣，排氣過程就會更順暢，從而在排氣沖程減少了能量消耗。這樣，一得一失，怎么才會最合算呢？考慮到活塞在下止點附近一定角度內(nèi)垂直運動距離其實非常短，實際的發(fā)動機略微提前打開排氣門效果會更好一些。再來看進氣門關(guān)閉的時機。如果在活塞越過下止點一定角度，開始壓縮沖程之后再關(guān)閉進氣門，直觀的感覺可能是，這時活塞已經(jīng)開始上升，剛剛吸入的可燃混合汽豈不是又要被排出去一部分？性能會不會下降？只要時機適當(dāng)，這樣做反而可以增加吸氣量，改善性能。因為在吸氣沖程可燃混合汽被活 塞抽入汽缸，進氣門附近的氣流速度可以高達每秒兩百多米，而我們前面說過，在下止點附近活塞的垂直運動相對很慢，汽缸內(nèi)體積變化并不大。此時進氣岐管內(nèi)的可燃混合汽靠慣性繼續(xù)沖入氣缸的趨勢還是占了上風(fēng)。說到這里，對一些 VVT 技術(shù)有所了解的兄弟可能要不耐煩了：講了這么多，和 VVT 邊還沒沾呢！如果排氣門也在活塞越過上止點一定角度之后再關(guān)閉，雖然活塞已經(jīng) 開始下降，排氣門附近的廢氣仍就會繼續(xù)排出。但是此時進氣門不是已經(jīng)開啟了嗎？廢氣難道不會涌入進氣岐管？事實上，這又是個時機問題，燃燒室內(nèi)的廢氣渦流的方向決定了廢氣短時 間內(nèi)是不會流向排氣門對側(cè)的進氣門的，于是，一邊進氣一邊排氣的局面是完全可以實現(xiàn)的。事情還可以更理想。由于大部分廢氣在排氣沖程中前期就已排出，并且在排氣岐管中形成了高密度的高速氣流，沖向排氣管方向。這部分廢氣越是遠離氣缸，對于缸內(nèi)尚未排出的廢氣來說，其需要填充的體積就越大，相應(yīng)的平均壓強也就越低。低到什么程度？低到活塞尚未到達上止點之前，缸內(nèi)壓強可能就已經(jīng)低于進氣岐管內(nèi)可燃混合汽的壓強了。如此看來，進氣門也應(yīng)當(dāng)提前一點開啟才好。 氣體密度波動。前述現(xiàn)象可以用這種波動更科學(xué)地解釋，氣流對汽缸吸氣和排氣的影 響則都與波長和進氣岐管、排氣岐管的長度的關(guān)系有關(guān)。所以才會有可變進氣岐管、可變排氣岐管等技術(shù)嘛！不過，這里我們主要不是要討論這些技術(shù)，所以請允許我化繁為簡。 前邊講到了進氣門和排氣門同時打開的情況，也就是進氣門和排氣門的重疊。重疊持續(xù)的相對時程可以用此間活塞運行的角度來衡量，這樣就可以拋開轉(zhuǎn)速，把它作為系統(tǒng)的固有特性來看待了。重疊的角度通常都很小，可是對發(fā)動機性能的影響卻相當(dāng)大。那么這個角度多大為宜呢？發(fā)動機轉(zhuǎn)速越高，每個汽缸一個周期內(nèi)留給吸氣和排氣的絕對時間也越短，但是前 面講到的進氣岐管或排 氣岐管內(nèi)的氣流也越快。想想看，這時發(fā)動機需要盡可能長的吸氣和排氣時間，而且也有有利條件可以利用，還猶豫什么？只要重疊的角度大一些不就行了？當(dāng)然，也不能太大，前邊說了，這里有個時機問題，重 疊角度太大肯定也不好，要不干脆讓進氣門和排氣門同時開閉得了：）很顯然，這個時機是與轉(zhuǎn)速有關(guān)的，轉(zhuǎn)速越高，要求的重疊角度越大。也就是說，如果配氣機構(gòu)的設(shè)計是對高轉(zhuǎn)速工況優(yōu)化的，發(fā)動機就容易得到較高的最大轉(zhuǎn)速，也就容易獲得較大的峰值功率。 但在低轉(zhuǎn)速工況下，這樣的系統(tǒng)重疊角度肯定就偏大了，廢氣就會過多的瀉入進氣岐管，吸氣量反而會下降，氣缸內(nèi)氣流也會紊亂， ECU 也會難以對空燃比進行精確的控制，最終的效果是怠速不穩(wěn)，低速扭矩偏低。相反，如果配氣機構(gòu)只對低轉(zhuǎn)速工況優(yōu)化，發(fā)動機的峰值功率就會下降。所以傳統(tǒng)的發(fā)動機都 是一個折衷方案，不可能在兩種截然不同的工況下都達到最優(yōu)狀態(tài)。發(fā)動機的油耗轉(zhuǎn)速特性曲線是馬鞍形的，轉(zhuǎn)速太高，超過了一定的范圍，可燃混合汽的燃燒就會越發(fā)的不充分，發(fā)動機的經(jīng)濟性和排放特性都會惡化，尤其如今發(fā)達國家的環(huán)保法規(guī)日益嚴格，問題就變得更加嚴重。于是，很多廠商就采用復(fù)雜的廢氣再循環(huán)（ EGR）裝置來改善發(fā)動機的高轉(zhuǎn)速經(jīng)濟性和排放。顧名思義， EGR 裝置的作用就是吸入部分廢氣，使其中的尚未燃燒的可燃物質(zhì)有機會繼續(xù)燃燒，部分有害中間產(chǎn)物得以分解。不難想到，如果此時將進氣門和排氣門的重疊角度調(diào)得高一點，略微超過原來 所說的對動力性來講最合適的角度一些，就會有部分廢氣和新鮮的可燃混合汽混合，提高了發(fā)動機的空燃比，使燃燒更充分，排放更清潔。大家可能發(fā)現(xiàn)了，這簡直就是不需要額外裝置的 EGR 技術(shù)嘛！然而很不幸，這種偏大的重疊角度設(shè)置，同樣使發(fā)動機難以提供令人滿意的低轉(zhuǎn)速性能。 改變氣門正時可以有很多不同的方法，但最主要的無外乎兩大類，一類是改變凸輪軸的相位， 再一類就是直接改變凸輪的表面形狀。想想看就知道，改變凸輪的表面形狀哪可能容易呢？回到Valvetronic，它依然保留了 Double VANOS 可變進、排氣凸輪軸相位的氣門正時調(diào)節(jié)系統(tǒng)，那么它又是如何實現(xiàn)對氣門升程進行連續(xù)調(diào)節(jié)的呢？ BMW 為此增加了一種額外的偏心軸，凸輪軸則又通過一個額外的搖臂系統(tǒng)驅(qū)動傳統(tǒng)的氣門搖臂，并且該附加搖臂與氣門搖臂的接觸的角度取決于附加偏心軸的相位。附加偏心軸的相位可以由一個 ECU 控制下的調(diào)節(jié)裝置來調(diào)整，從而使附加搖臂的角度發(fā)生變化，這樣，對于相同的凸輪運動，傳遞到氣門搖臂上的反應(yīng)就可以不同，氣門的升程也就會相應(yīng)發(fā)生變化。 從 BMW 的資料看， Valvetronic 系統(tǒng)對氣門開放時程的影響應(yīng)當(dāng)不大，調(diào)節(jié)的只是氣門升程。不過，氣門開度很小的時 候，氣體的進出效率是很低的，如果考察氣門開度超過一定程度的持續(xù)角度，姑且稱之為有效的氣體交換時程，通常也是隨氣門升程的
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