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Chapter2 发动机的换气过程 §2-1 四冲程发动机的换气过程 §2-2 四冲程发动机的充量系数 过高的气体流速，还会发生气体阻塞现象。考察气门座处的流动情况，并定义平均进气马赫数Ma，并结合流量方程，可得 式中，vs为进气门座处气流的平均速度； cs为进气门流通截面处的气体声速； μsm为进气门在开启期间的平均流量系数，其求法是：以气门盘面积为参考面积，通过稳流吸风试验,测得在不同曲轴转角(即不同升程)下的流量系数，求出其平均值 进气平均马赫数Ma综合了进气门大小、形状、升程规律以及活塞速度等因素，并且其大小与发动机的转速成正比。研究发现，对于小型四冲程发动机，当Ma超过0.5后，充量系数急剧下降(参见图)。 (1) 加大进气门直径 由于进气过程的重要性，一般应尽可能布置较大尺寸的进气门，以降低流经进气门截面时的气体流速，从而降低局部流动阻力。 在现代高速内燃机2气门结构中，进气门直径d与缸径D的比值可达45%~50%。面积比为0.2~0.25，这样排气门不得不缩小，但过小的排气门又会导致排气阻力的增大。因此，通过加大进气门直径的方式来提高充量系数，是受到限制的。 (2)增加进气门数目 除了换气损失小、充量系数高以外，喷油器的垂直中置对混合气形成极为有利。 4气门柴油机对具有进气中冷的高增压系统也非常合适 对于汽油机来说．其效果也是相当好的(表4-1)。 采用两进、两排的气门结构后，进气门面积之和可以达到气缸面积的30%，几乎比2气门提高30%~50%。表4-l列出了采用双顶置凸轮轴(DOHC，Double Overhead Camshaft)4气门发动机的优、缺点，总的结论是优点大于缺点。 近年来，几乎所有强化程度高的车用发动机均采用了这一技术，发动机转速可达6000r／min或更高，平均有效压力达1.0MPa以上。最小的4气门发动机，其缸径仅为80mm。 图4-6是一个2L排量的4气门发动机与同排量2气门发动机的性能比较，显然，采用顶置凸轮轴4气门技术,可以便发动机的功率提高约15%~30%，转矩增大约5%~10%。经济性能也得到改善。 对于D＜80mm的点燃式内燃机，若采用两进、两排的4气门结构在气缸盖缸中间部位往往难以布置即便是最小尺寸的火花塞，这时只好适当缩小进气门直径。若采用三进二排的气门结构，既能充分利用气缸外围尺寸，又能利用气缸中心布置火花塞。 图4-7是采用5气门(三个进气门，两个排气门)的发动机与4气门发动机的比较情况，可见其高速性能进一步改善。对于排量较小(1.5L以下)的4缸小型轿车用汽油机来说，也有采用2进、1排的3气门结构，这样既能发挥多气门的优越性，结构又相对简单。 气门数与进气门的开启关系（补充） (3)合理设计进气道及气门的结构 进气道以及气门头部的结构，也有助于降低局部阻力，提高气门流通截面的流量系数。 一般在高速内燃机中，均利用气道使进气在其中发生弯曲和旋转，以便在气缸中形成定向的空气运动，以利于燃烧的进行。但这势必影响气门的流量系数，增大流动损失，因此，在设计及制造中，应尽可能保证气道内壁面的过渡圆滑、平稳，避免气流急转弯现象。 在进气门头部以及气门座面处设计合理的形状，对改善气流的流动阻力也有十分显著的效果。 2．采用可变进气系统技术 理想的配气系统应当要满足以下要求： 1)低速时，采用较小的气门叠开角以及较小的气门升程，防止出现缸内新鲜充量向进气系统的倒流，以便增加转矩，提高燃油经济性。 2)高速时应具有最大的气门升程和进气门迟闭角，以最大限度地减小流动阻力，充分利用过后充气，提高充量系数，以满足动力性要求。 3)配合以上变化，对进气门从开启到关闭的持续期(又称作用角)也应进行调整，以实现最佳的进气定时。 理想的气门定时应当是根据发动机的工作情况及时作出调整，应具有 一定程度的灵活性。显然，对于传统的凸轮挺杆气门机构，由于在工作中无法作出相应的调控，也就难于达到上述要求，因而限制了发动机性能的进一步提高。 实际上，完全满足上述各项要求的机构是相当复杂的，目前还仅仅处于研究阶段．如(GM汽车公司推出的无凸轮的电磁气门驱动机构以及Ford汽车公司的液压气门驱动机构。由于制造成本和可靠性等原因，若将这种全电控的技术应用于实际发动机中气门要时间。 目前较为常见的商品化系统可以分成两大类，即可变凸轮机构(VCS，Variable Camshaft System)和可变气门定时(VVT，Variable Valve Timing )。除此之外，也有可变气门升程、可变气门作用角等其他形式，其原理基本相近，只是实现方式不同而已。 (1)可变凸轮机构 可变凸轮机构技术