汽车进排气系统分析

电子科学与工程系汽车服务工程专业学年论文汽车进排气系统分析姓名：吴刚学号：0932120143年级：汽车服务工程0901B完成日期：2011年5月22日汽车进排气系统分析摘要：为了满足节能环保，低碳社会的发展需要，许多新技术被应用到发动机上。

目前应用最为广泛的可变凸轮相位技术效果明显，实现起来相对容易是通过控制进排气门开启时刻来提高充气量并内部废气在循环来降低排放，即在怠速区域，采用较小的气门重叠角，避免各缸内新鲜空气影响进气系统回流，以保证怠速稳定性；在发动机高速转速区域推迟进气门关闭，减少流动阻力和利用过后充气，以提高冲量系数来实现大功率；在中等转速区域控制进气门较早关闭，以提高进气效率来实现大扭矩[1-3]。

关键词：气门相位；气门重叠角；充气效率；可变进气歧管；增压前言近年来，说到发动机消费者最关心的莫过于发动机的动力，油耗，噪音之类的性能。

当然动力是发动机最重要的性能，不过，通常能了解发动机的性能渠道很有限，只能通过厂家公布的发动机参数来判断发动机的各方面性能，这些数据，都是在理论状态下测得的，而且各个厂家的测试方法都有少许区别，所以厂家公布的功率，扭矩，油耗等参数，并不能完全代表汽车的实际性能。

对发动机动力性影响最大的是发动机排量。

理论上，排量越大的发动机能产生的功率就越大。

在相同排量下，功率越大说明发动机工作效率越高。

这就意味着燃烧同样多的空气和汽油能释放出来的热量和把热量转换成动能的能力也越强。

作为现代汽车发动机，通常都是向着提高发动机工作效率的目标进行改进发展的。

1．采用多进气门技术在上世纪80年代全球各大厂家都还采用每个气缸两气门进排气（一个气门进气，一个气门排气）的时候，日本的厂家就开发出了多气门的发动机，所谓多气门就是指发动机的进排气门大于两个的配气方式。

而当时日本厂家大力发展的主要是每缸四气门的多气门设计。

对于较早的2气门来说，4气门使用两个气门进气两个气门排气。

这样的设计有两个很大的好处，一个好处是能够提高进排气门的面积。

从流体力学的知识我们可以知道，截面积越大，那么高速气流的流量也就越大。

这就是的发动机的进排气效率能够更高。

不过这主要是体现在高转速情况下，如果转速较低，那么大的进气面积相反会让发动机进气效率下降。

2．采用可变配气定时机构采用可变配气定时机构可以改善发动机的性能，发动机转速不同，要求不同的配气定时。

2、1 可变配气定时机构的原理发动机转速改变时，由于进气流速和强制排气时期的废气流速也随之改变，因此在气门晚关期间利用气流惯性增加进气和促进排气的效果将会不同。

例如，当发动机在低速运转时，气流惯性小，若此时配气定时保持不变，则部分进气将被活塞推出气缸，使进气量减少，气缸内残余废气将会增多。

当发动机在高速运转时，气流惯性大，若此时增大进气迟后角和气门重叠角，则会增加进气量和减少残余废气量，使发动机的换气过程臻于完善。

总之，四冲程发动机的配气定时应该是进气迟后角和气门重叠角随发动机转速的升高而加大。

如果气门升程也能随发动机转速的升高而加大，则将更有利于获得良好的发动机高速性能。

2、2 发动机在各种转速下的气门重叠角大小对进气效率的影响分析每个转速都对应一个最佳的进气门晚关脚，是进气压力波的波峰在进气后期到达，这样在进气过程的后半部分是成为正压状态，使进气缸的新鲜工质的密度增加，从而提高充气效率。

如果在进气门晚关角过小，进气门将在进气压力波峰到达前关闭，使一部分可以利用气流惯性进气缸的气体被关在气缸外，导致充气效率下降。

如果进气门晚关角过大，进气压力波峰过后，进气压力已下降时，进气门继续还在开启，又可能使一部分已进入气缸的混合体被推回进气管，也可以导致充气效率下降[6]。

在高转速下，推迟进气门关闭角可以利用下止点时高速进气流的惯性，增大进气充量。

进气门若能推迟到气缸压力接近气门外背压时关闭，将获得最大的惯性利用[5]。

在低转速下，随着进气门相位的提前，进气门早开和排气门晚关所形成的气门重叠角加大，由此所引起的废气回流加大，对充气效率有一定程度的不利影响，不过同时由压缩冲程所引起的进气回流明显减少，几乎没有回流，对充气效率有明显改善[5]。

此外，在进气冲程后期，进气门早关可以形成更大的进气压力峰值，增加进气量。

这与低速时应适当减少进气门晚关角的结论相一致。

在高速时，随着相位角的推迟，由废气回流所引起的进气回流偏高，但所占比例很小。

推迟进气门的相位角使得在进气冲程阶段第一个压力波峰处得峰值明显加大，有利于进气。

在排气终了前适时的开启进气门可以使充气效率明显提高，而过于提前会由于排气管压力下降而引起废气回流到进气管内，反而降低充气效率。

排气门关闭滞后，会引起已经排除的废气重新进入气缸内，降低充气效率。

随着发动机转速的提高，进气门早开会充分利用排气末段气缸内压力低于进气管内压力的现象，多吸入一些新鲜空气，以提高充气效率。

3. 采用可变进气歧管为了充分利用进气波动效应和尽量缩小发动机在高、低速运转时进气速度的差别，从而达到改善发动机经济性及动力性特别是改善中、低速和中、小负荷时的经济性和动力性的目的，要求发动机在高转速、大负荷时装备粗短的进气歧管；而在中、低转速和中、小负荷时配用细长的进气歧管。

可变进气歧管就是为适应这种要求而设计的。

可变进气歧管在所有转速下都可以使发动机转矩平均提高5%。

3．1 可变进气歧管原理由于发动机进气流动是典型的不定常流动，这种不定常流动使得进气门外的压力和流速不断改变，从而对充气效率以及各缸进气的均匀性都有不同程度的影响，这一般被称为进气系统的动态效应[6]。

这种动态效应在很大程度上与进气歧管的长度有关，从而影响进气效率，影响发动机性能。

3．2 可变进气歧管在各种转速下选择的分析保持管径不变的前提下，适当的加长进气歧管的长度，可以使进气系统的高速谐振点向低转速区流动[5]。

当转速提高到一定程度时，长进气歧管的充气效率急剧下降。

原因是由于充气效率受管道内流动阻力的影响比较大，是阻力大小与转速平方成正比，因此长进气歧管在高速时的充气效率下降很快[6]。

因此，如果要求发动机在整个运转范围内都有较高的充气效率，可以采用两阶段可变进气歧管长度结构：在低转速工况采用较长的进气歧管，而在高速工况下采用较短的进气歧管，以保证各个转速下较好的充气效率。

、进气冲程的后期和进气门晚关阶段，段管内的压力波明显大于长管，这也与在高速下采用短进气管并且适当地推迟进气门关闭角来更好地利用压力波和气流惯性增加进气量的理论相一致[3]。

4．采用谐振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。

但只能增加特定转速下的进气量和发动机转矩。

4．1 谐振进气系统原理我们知道，任何振动的物体，当它的振动周期或频率达到它的固有周期固有频率的时候就会发生共振。

此时振动波彼此叠加，振动能量达到最大。

因为进气管内的空气的流动是受进气门的开闭来控制的，当进气门打开时，空气开始运动，当进气门关闭时，空气静止。

所以我们可以把进气作为具有一定频率的振动来看待。

那么如果进气的运动频率达到了它的固有频率，那么就能获得最大的进气共振能量。

4．2 谐振进气系统在各种转速下的分析由于在发动机的四个冲程中只有一个冲程进行进气，这就造成了进气歧管中进气的不均匀性，从而在系统中产生振动。

我们知道，当进气的频率与进气的气体固有频率相同时，二者便形成共振，从而提高进气效率。

那么实验证明，进气的固有频率是跟进气管的长度相关的。

进气管越长，那么固有频率就越低；相反进气管越短的话，固有频率就越高。

其控制原理与采用可变进气歧管长度的相同。

当在发动机低速运转时，由于气门开合频率低，此时如果选用长进气管，能够更容易达到进气共振，所以有利于提高进气效率；当发动机处于高转速时，由于气门开合频率高，如果选用短的进气管，那么能获得进气共振，从而提高进气效率。

很多车的发动机就是通过控制阀门的开闭，来接通和断开不同长度的进气管，从而实现在高低转速都能产生进气共振的目的。

不过奔驰和宝马的可变进气歧管技术，采用了一个巧妙的设计，首先让进气管盘旋几圈（回旋进气），在中心处设计一个转子，通过转子转角的改变能够获得连续可变的进气歧管长度，从而可以让发动机在任何转速都拥有最大的进气能量。

5. 采用增压技术增压就是将空气预先压缩然后再供入气缸，以期提高空气密度、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。

5．1 增压原理增压有涡轮增压、机械增压和气波增压等三种基本类型。

实现空气增压的装置称为增压器。

各种增压类型所用的增压器分别称为涡轮增压器、机械增压器和气波增压器。

它们的增压系统主要的区别是其动力的来源不同，涡轮增压采用的是废气的能量，机械增压采用的是发动机的凸轮驱动的，气波增压采用的是废气压力来压缩混合气。

5．1．1 机械增压的原理：当转子旋转时，空气从压气机入口吸入，在转子叶片的推动下空气被加速，然后从压气机出口压出。

出口与进口的压力比可达1.8。

5．1．2 涡轮增压的原理：当压气机旋转时，空气经进气道进入压气机叶轮，并在离心力的作用下沿着压气机叶片之间形成的流道，从叶轮中心流向叶轮的周边。

空气从旋转的叶轮获得能量，使其流速、压力和温度均有较大的增高，然后进入叶片式扩压管。

扩压管为渐扩形流道，空气流过扩压管时减速增压，温度也有所升高。

即在扩压管中，空气所具有的大部分动能转变为压力能。

5．1．3 气波增压的原理：气波增压器中有一个特殊形状的转子，由发动机曲轴带轮经传动带驱动。

在转子中发动机排出的废气直接与空气接触，利用排气压力波使空气受到压缩，以提高进气压力。

6．两种可变进气系统的比较6．1．1 VTEC系统本田发动机注重的是低负荷时的经济型和高负荷时的动力输出。

VTEC在低速时虽然经济性很好但是会显得动力不足；高转速时虽然动力澎湃，但油耗猛增。

为了实现这两个极端，VTEC在改变气门行程时，势必会是的行程的跨度很大，加上又是分段调节，导致发动机的功率输出很不线性，很不平顺。

这也是VTEC 不可回避的问题。

对于VTEC来说，由于它是依靠长的气门行程（大的进气面积）来榨取动力的，这就意味着发动机必须很高转速时才能达到高功率输出的效果。

因为只有高流速的进气才能发挥大进气面积的性能，而我们知道普通民用发动机的最高转速都在6000转左右，而VTEC需要到5000转才能打开第三级行程，所以虽然从数字上看功率很大，但持续时间并不长。