汽油發動機進氣控制研究

朱成水

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

這些改變都為了低油耗高功率加上低排放。關鍵詞：凸輪軸；氣門；VVT；VVL；傳統發動機；直噴發動機；電磁閥氣門

1 傳統無增壓汽油發動機的特點分析

傳統汽油發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燃油，大顆粒燃油會使燃燒不良。

傳統汽油發動機的進排氣門凸輪軸上的各個凸輪為固定轉角和固定輪廓型線，這是發動機設計工程師根據四沖程每一個氣缸的進排氣門開啟的時間要求而設計。每個凸輪轉角固定的特點主要根據汽車最常用工況即發動機中轉速進氣量而設計，這樣的凸輪軸不能顧及發動機低轉速和高轉速的進氣工況。

根據傳統四沖程發動機配氣相位理論（見圖1），發動機在排氣沖程結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，在進氣沖程結束后氣門會延遲關閉。這使得排氣沖程和進氣沖程轉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。這樣的設計主要是為了滿足發動機中轉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，延遲關閉的原因是由于活塞下行結束后開始上行時，氣缸內尚處于負壓，氣門延遲關閉可以滿足過后充氣。但發動機中轉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。這樣的凸輪軸設計，使發動機在壓縮沖程低轉速時，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計，這使得發動機在高轉速工況時，通過氣門截面積的混合氣流速遇到很大的阻力，當進氣沖程結束時，氣缸內負壓力仍然很大，即使活塞上行，仍然可以繼續吸入混合氣，但傳統汽油發動機的進氣門遲閉角比較小，使發動機在高轉速時進氣不足，這影響了發動機高速時的輸出功率和扭矩。

2 渦輪增壓傳統發動機特點分析

由于自然吸氣發動機在進氣沖程吸入的空氣有限，發動機比功率輸出小。根據傳統汽油發動機的空燃比是14.7/1的特性，發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，利用排氣壓力驅動增壓器的廢氣渦輪來驅動增壓器的空氣壓縮機，將空氣壓入發動機進氣系統。這種由吸入到壓入的進氣變化，使發動機結構改動最少，以最經濟的方法達到提高輸出功率和扭矩的目的。

3 VVT和 VVL發動機特點分析

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