汽油发动机进气控制研究

朱成水

摘 要：自 1886年汽车诞生，在一百多年的发展中，汽车发动机的专家们都在探讨同样的问题：如何使发动机以最低燃油消耗量输出最大的功率。于是发动机从一根凸轮轴的二气门发展到两根凸轮轴的四气门，从吸入式进气发展到渦轮增压进气，从固定转角凸轮发展到 VVT和 VVL，从进气歧管燃油喷射发展到缸内燃油直接喷射，

这些改变都为了低油耗高功率加上低排放。关键词：凸轮轴；气门；VVT；VVL；传统发动机；直喷发动机；电磁阀气门

1 传统无增压汽油发动机的特点分析

传统汽油发动机一般指空燃比为 14.7/1的进气歧管燃油喷射，其特点是低压雾化燃油喷射在进气管内与空气混合，待气门开启购混合气被吸入气缸。这种燃油喷射方式的缺点是喷射的油雾颗粒会沾附在进气歧管的管壁和气门背面上。当进气门开启后，气缸会吸入大颗粒液态燃油，大颗粒燃油会使燃烧不良。

传统汽油发动机的进排气门凸轮轴上的各个凸轮为固定转角和固定轮廓型线，这是发动机设计工程师根据四冲程每一个气缸的进排气门开启的时间要求而设计。每个凸轮转角固定的特点主要根据汽车最常用工况即发动机中转速进气量而设计，这样的凸轮轴不能顾及发动机低转速和高转速的进气工况。

根据传统四冲程发动机配气相位理论（见图1），发动机在排气冲程结束后排气门提前开启，而在进气冲程开始前进气门提前开启，在进气冲程结束后气门会延迟关闭。这使得排气冲程和进气冲程转换时有一段时间进排气门都同时开启，此时进气门-气缸-排气门是贯通的。这样的设计主要是为了满足发动机中转速工况的进气量需求。进气门提前开启的目的是为了在活塞下行时气门开度最大化可以多进气，延迟关闭的原因是由于活塞下行结束后开始上行时，气缸内尚处于负压，气门延迟关闭可以满足过后充气。但发动机中转速时进气门迟闭角不能太大，否则活塞上行过程会回流吸入的混合气使压缩行程缩短。而排气门延迟关闭的目的是为了利用进气流推压残余废气排出。这样的凸轮轴设计，使发动机在压缩冲程低转速时，进气门迟闭，活塞上行时吸入的混合气有一部分会重新回流到进气歧管，造成进气损失而影响发动机输出功率和扭矩。

由于进排气门开闭升程和时间都是固定凸轮轮廓型线设计，这使得发动机在高转速工况时，通过气门截面积的混合气流速遇到很大的阻力，当进气冲程结束时，气缸内负压力仍然很大，即使活塞上行，仍然可以继续吸入混合气，但传统汽油发动机的进气门迟闭角比较小，使发动机在高转速时进气不足，这影响了发动机高速时的输出功率和扭矩。

2 涡轮增压传统发动机特点分析

由于自然吸气发动机在进气冲程吸入的空气有限，发动机比功率输出小。根据传统汽油发动机的空燃比是14.7/1的特性，发动机进气越多喷油量也越多，输出功率和扭矩也会同比增加。在发动机的进气管和排气管上安装涡轮增压器，利用排气压力驱动增压器的废气涡轮来驱动增压器的空气压缩机，将空气压入发动机进气系统。这种由吸入到压入的进气变化，使发动机结构改动最少，以最经济的方法达到提高输出功率和扭矩的目的。

3 VVT和 VVL发动机特点分析

传统汽油发动机由于配气相位仅满足中转速工况进气，其在低、高转速时的进气都会受到影响，这使得发动机在低、高转速的输出功率和扭矩受到影响。为了使发动机在低、中、高转速都能输出稳定和所需功率，发动机的工程师们在进排气凸轮轴上设计增加了VVT（Variable Valve Time可变气门正时）和VVL（Variable Valve Lift可变气门升程）机构。