多氣門結構設計及特點

第二節(jié)多氣門結構設計及特點提高發(fā)動機性能的核心問題是改善燃燒，而改善燃燒的關鍵是掃氣好、提高充量及形成良好的混合氣。過去汽車發(fā)動機每個氣缸只有一個進氣門、一個排氣門。現(xiàn)代發(fā)動機已經(jīng)多氣門化，每缸三氣門、四氣門、五氣門及六氣門都有，相應的進、排氣道的數(shù)量、氣門的排列形式及氣道形式的種類也比過去多。理論分析、試驗結果及實踐都表明，多氣門能明顯地提高發(fā)動機的性能。一、多氣門及氣道的結構設計無論是車用汽油機還是柴油機都是采用多氣門的缸蓋。.多氣門的布置在氣門垂直布置的平頂缸蓋設計中，由于在氣門座與氣門座之間以及氣門座與缸蓋壁之間要布置冷卻水道。因此氣門面積被限制得很小。如果將進、排氣門傾斜布置，如圖7一5所示，缸蓋底平面形成屋頂狀。隨著氣門中心線夾角a的加大，氣門座及氣門面積也能夠加大。二軸線間的夾角a常在20。一70。之間，過大的傾斜則會使火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x加長，散熱面積變大，對改善燃燒不利。圖7一多氣門結構設計特點本章參考及采用了文獻「143）中的部分內容及插圖。在文獻〔143」中，以缸徑為80mm的缸蓋為對象，對不同氣門數(shù)及排列方式能夠增加氣門面積及流通能力進行了基本的計算和分析。幾種典型的氣門排列方式如圖7一6所示。圖中。）及b）圖表示二氣門及氣門垂直布置的情況。c）及d）表示不同角度a（毋及70o）氣門傾斜布置情況。e）及f）則表示四氣門及五氣門的布置。a）兩氣門缸蓋；b）氣門垂直排列；C）氣門傾斜20o;d）氣門傾斜350;e）四氣門缸蓋；f）五氣門缸蓋I一表示進氣門；E—表示排氣門德國大眾/奧迪汽車公司的奧迪A4及A6汽油機的缸徑為81mm二，沖程為86.4mm。每缸采用3個進氣門，氣門直徑為27mm,2個排氣門，氣門直徑為30mm。排氣門與氣缸中心線的夾角為20°，兩個外側的進氣門與缸中心線的夾角為21.5°，而中間的進氣門與氣缸中心線的夾角為15。。四氣門及五氣門的布置如圖7一7所示。該圖顯示了缸徑分別為95?、81?及75?的四氣門及五氣門布置情況?；鸹ㄈ耐鈴綖镸14，布置在氣缸中心。根據(jù)設計情況實際分析，如果采用每缸四氣門布置，又希望采用較大的氣門直徑，那么氣門與火花塞之間的能利用的空間較小，如圖中缸徑為小81?及句5?所示的方案。這些地方是設計中關鍵部分，設計不當，對火花塞散熱不利，也常是影響缸蓋可靠性的地方。如果采用五氣門的設計方案，那么火花塞與氣門之間的空間較大，對火花塞散熱冷卻有利，設計的難點轉移到氣門與氣門之間狹窄間隔處。為了提高氣門流通截面及有利于火花塞的散熱采用了五氣門的設計。.多氣門氣道的排列采用多氣門同時需要考慮進、排道的布置及形狀設計?，F(xiàn)以四氣門為例，四氣門的氣道布置的基本方案如圖7—8所示。常用的方案如圖a）所示，兩個進氣門位于氣缸的一邊，兩個排氣門位于另一側，即所謂并聯(lián)排列。而圖b）表示相對于氣缸中心線而言，同名的兩個氣門是一前一后的布置，即所謂串聯(lián)排列。。）圖則表示同名的兩個氣門相對氣缸中心線錯開排列，即所謂扭轉排列、b）及C）兩種方案為設計長度不同、形狀不同的進氣道提供方便，有利于調整渦流速度，以適應不同混合形成對渦流強度要求不同的需要。較多的汽油機采用并聯(lián)排列方案（圖a），而柴油機則采用圖b）及c）所示的方案。圖7一8四氣門、排氣道排列的基本方案a）并聯(lián)排列；b）串聯(lián)排列；c）扭轉排列.多氣門的傳動現(xiàn)代車用發(fā)動機大都由曲軸上的齒輪通過齒輪皮帶傳動兩根頂置凸輪軸（DO-HC）分別直接驅動進、排氣門，每個氣門對應一個凸輪。當然也可以在缸蓋上設置搖臂軸，各用一個凸輪通過整體式搖臂驅動多個進氣門及多個排氣門。為了降低噪聲，免除調整氣門間隙的需要，在凸輪與氣門之間采用液壓裝置。在一些發(fā)動機的氣門機構中還采用了電控液壓機構，如圖7一9所示。通過這種傳動機構，可以根據(jù)汽車不同工況的需要，實現(xiàn)對氣門正時的靈活控制。可以改善發(fā)動機的轉矩特性，降低比油耗，但也會使成本增加一些。多氣門及其傳動的單個零件質量較小，例如奧迪5氣門發(fā)動機的進氣門運動質量只有86.39，排氣門運動質量只有140.99。這樣可以減少氣門彈簧的負荷、氣門傳動機構運動零件的慣性力及摩擦損失，對適應發(fā)動機的高速運轉及提高使用壽命有利。二、多氣門流通能力的提高多氣門流通面積的比較假定氣道內部曲線形狀的差異、氣門打開后氣流特性等的不同影響忽略不計，只是以平頂缸蓋、氣門垂直布置為比較基準，在缸徑相同時，其他布置方案能使進氣門面積加大的程度，可作為改善進氣流通能力的基礎。氣門面積增大的比較情況如下。）二氣門二氣門傾斜布置組成半球形燃燒室（圖7—6中，e及d），相對于平頂缸蓋氣門垂直布置，氣門面積變化如下。a）當氣門垂直布置，氣門直徑d=28Inm時，氣門面積Al與氣缸面積A的比值為12.2%。b）氣門中心線與氣缸中心線之間的夾角為加嘆a二月護），d=32?，進氣門面積增加31.25%,AI/A=16%。c）氣門中心線與氣缸中心線之間的夾角為350（a二7任）d二36?，進氣門面積增加66.1%,Al/A二加.1%。）四氣門a）當雙進氣門（d二24?）垂直布置時，比單氣門（d二28?）垂直布置，氣門面積增加48%。b）當雙進門傾斜布置（a=好，d=28Inrn）如圖7一6C及d，比單個氣門（d=28?）垂直布置時，氣門總面積增加100%,A,/A二24.4%。c）當雙氣門傾斜布置（a二好，d二28?），比一個氣門傾斜布置（a二好，d=32?）的總氣門面積增加52.4%，注1/注=對.4%。d）當雙氣門傾斜布置（。二好，d二28mln），比雙氣門垂直布置（d二24?）的進氣門面積增加35.4%,Al/A二24.4%。）五氣門五氣門的設計有如下方案。a）3個進氣門及兩個排氣門都是垂直布置的，進氣門直徑為20?，排氣門直徑為22?。如果與雙氣門設計，進氣門直徑為28?相比時，進氣門總面積增加53.8%。Al/A=18,8%。b）3個進氣門及2個排氣門傾斜200（a=40o），進氣門直徑為24?，那么進氣門總面積比單個垂直進氣門（d=鄧?）面積增加121.5%。同時3個傾斜進氣門（a=40"）比一個傾斜進氣門（d二、32?）總面積增加68.75%，也比兩個垂直排列進氣門（d二抖朋）總面積增加50%,比3個垂直排列進氣門（d二20哪）總面積增加44.0%。門，氣門直徑為解mln，所以氣門總面積Al與氣缸面積A的比較，都是3個進氣C）德國大眾公司奧迪汽車四缸發(fā)動機缸徑為81?。采用五氣門，3個進氣門直徑為27?，氣門中心線之間夾角為如。，二個排氣門直徑為30?。進氣門總面積與氣缸面積之比AI/A二33.34%，排氣門總面積Al與氣缸面積A之比為27.43%。上述產(chǎn)品是90年代后期開發(fā)投人市場，進、排氣門總面積都比前面各方案大。將上面各方案的數(shù)值及比較情況列于表7一3中。2.多氣門空氣流動特性二氣門、四氣門以及氣道排列型式不同，空氣流動特性也有所不同。國外在缸蓋流道試驗臺上，對四氣門及氣道不同排列方案進行空氣流動特性試驗。結果表明，采用二氣門時，雖然也可以獲得較高的渦流比，但流量系數(shù)小。采用氣門并聯(lián)排列，可以獲得較大的流量系數(shù)，但渦流比較小。而氣門串聯(lián)排列可以獲得最高的渦流比數(shù)，但流量系數(shù)小。氣門扭轉排列方案則渦流比及流量系數(shù)都較高。奧地利內燃機研究所對缸徑在140?以下的二氣門及四氣門進氣道流通能力進行了研究分析。在該項工作中，認為發(fā)動機氣道的流通能力為平均流量系數(shù)阿與氣門座孔面積/氣缸面積之比的比值月對氣道流通能力的影響的總和。四氣門比二氣門進氣門的月值提高約20%，而四氣門比二氣門的排氣門的月值約提高31%。而在渦流比大約為2的情況下，四氣門比二氣門進氣道的平均流量系數(shù)盧約減小8%，四氣門比立氣門排氣道的阿約減小6.5%。那么考慮兩者對氣道流通能力的影響的總和后，進氣道的流通能力約提高11%，而排氣道約提高25%。該結果如圖7一12所示。該研究所對二氣門及四氣門進氣道平均流通能力的比較如圖7一13所示。四氣門缸蓋的平均流通能力比二氣門缸蓋高，而四氣門平均流通動能力隨氣道渦流比的增加下降得稍快些。在以上分析中，圖7一12二氣門及四氣門缸蓋平均流通能力的分析（適合的缸徑范圍D<14（）mn1ZV一二氣門；4V一四氣門三、多氣門有利于混合形成及燃燒過程的組織發(fā)動機采用多氣門后，有利于混合氣形成及燃燒過程的組織。例如可以將火花塞或噴油器布置在氣缸中心處；有利于形成分層混合氣及采用小氣門重疊角、減少換氣損失等。.火花塞或噴油器布置在氣缸的中心處在多氣門的汽油機上，可以將火花塞布置在氣缸中心處。而多氣門的柴油機則可以將噴油器布置在氣缸中心處。這兩種情況都能夠使火焰核心發(fā)生處距離氣缸及燃燒室各個邊緣的距離基本上保持一樣，火焰?zhèn)鞑サ礁魈幍木嚯x短，有利于抗敲缸爆燃的發(fā)生。在所使用汽油辛烷值不變時，可以將壓縮比提高1一1.5個單位，同時有利于實現(xiàn)稀混合氣快速燃燒。柴油機的噴油器位于氣缸中心處，可以使油束噴霧均勻分布在燃燒室中形成良好的混合氣。而這都可以降低發(fā)動機的比油耗。汽油機采用多氣門后，氣門相對于氣缸中心線傾斜布置，在缸蓋中形成屋頂形燃燒室（圖7一5）。除了上述火花塞位于氣缸中心處的優(yōu)點外，這種燃燒室具有如下的特點。）面容比F/V較小，使散熱損失較小；）改變氣門桿相對氣缸中心線的傾斜角度，可以改變進排氣門的面積及燃燒室的面容；）通過活塞頂燃燒室凹坑形狀的變化，可以調整擠氣面積的大小，有利于組織合適的缸內氣流。4）燃燒，較完善而且迅速。由于上述特點，使得多氣門燃燒過程比二氣門更接近等容燃燒，熱效率較高，而且有可能將點火提前角減小，以便最大爆發(fā)壓力出現(xiàn)在接近上止點處，獲得最大的膨脹功及扭矩。由于燃燒過程完善而迅速，在上止點后很快完成，無遲后燃燒現(xiàn)象，排溫較低，各向的火焰?zhèn)鞑ビ州^均勻，及缸壁各處溫度分布較均勻，同時有利于降低排放。利用多氣門形成分層混合氣在發(fā)動機上使用每缸四氣門時，可以利用兩個進氣道與噴油油束的配合形成分層混合氣如圖7一14所示。將每缸兩個進氣道之一設計成切向進氣道，另一個設計成普通進氣道，即該氣道不會形成強的渦流，或者稱之為中ttCNeut耐）進氣道。將雙油束噴油器安置在兩個氣道的分叉處，向二個進氣道噴出兩股等流量的油束。在普通進氣道中設置一輔助節(jié)氣門，或者讓相應的進氣門的升程小于切向進氣道氣廣1的升程，使普通氣道中的氣流受到節(jié)流，噴人的汽油與空氣形成濃混合氣，進人氣缸后很快地就接觸到火花塞。而切向進氣道空氣流量較大，與噴人的汽油形成稀混合氣，這樣就可實現(xiàn)分層燃燒。另一種方案是將噴油器安裝在普通氣道中，形成濃混合氣流人氣缸，而由切向進氣道進人氣缸的空氣渦流，將濃混合氣氣流的外圍部分吹散開，形成稀混合氣，這樣也可以實現(xiàn)分層燃燒。.有助于采用小氣門重疊角過去發(fā)動機采用二氣門，常感氣門流通截面不夠大，尤其高速時更是如此。為了提高氣缸的換氣質量，常采用較大的氣門重疊角，即進、排氣提前開及遲后關的角度都比較大。排氣門提前開的角度大，增加了膨脹功的損失，排氣門遲后關的角度大，容易使部分新鮮充量由排氣門流失掉。高速發(fā)動機為了利用進氣道內空氣流動的動能，通常使進氣門遲后關的角度較大，使曲軸轉過下止點后，仍有新鮮空氣充人氣缸以提高充氣效率，但是這種根據(jù)高速需要確定的較大的進氣門遲閉角，并不適應中、低速的需要，因為發(fā)動機中、低速時，氣流速度較慢，過后充氣在下止點后曲軸轉過較小曲軸轉角后便結束，接著缸內充量反而被推出，使充氣效率反而下降。現(xiàn)代發(fā)動機采用四氣門后，由于進排氣門的流通截面都加大，不需要大的氣門重疊角，而較小的氣門重疊角卻可以減少換氣損失、泵氣損失，同時又能兼顧高速及中、低速工況的需要。對于一些特別情況，例如缸外形成混合氣的汽油機、氣體燃料發(fā)動機更需要采用較小的氣門重疊角，以避免新鮮混合氣由缸內倒流人排氣管。現(xiàn)代汽車發(fā)動機的氣門重疊角都較小，例如奧迪發(fā)動機進氣門在上止點前4o打開，而排氣門在上止點后8o關閉，重疊角只有120。四、多氣門提高發(fā)動機性能的體現(xiàn)從上面分析多氣門的結構特點中，已經(jīng)可以知道相對于二氣門而言，多氣門可以增加進、排氣門的流通截面及進、排氣流量，提高充氣效率。同時還可以通過氣門排列方案及氣道設計形狀的不同，組織更適合的氣流運動。多氣門提高發(fā)動機性能的作用體現(xiàn)在以下幾個方面。1.提高充氣效率四沖程發(fā)動機的充氣效率，，可以用下式表示。Ps-進氣管壓力；。一發(fā)動機的壓縮比。根據(jù)公式（7—1）分析，多氣門發(fā)動機的充氣系數(shù)刀v比二氣門發(fā)動機大，首先是因為進、排氣流量增大，使Pr減少，P。增大，同時由于流量增大，進氣溫度升高值△Tw降低，而其它參數(shù)影響甚微。在小客車用高速直噴柴油機上采用四氣門，可以提高中速及高速范圍內的容積效率，如圖7-巧所示。在中、高速范圍內將容積效率提高8%。而在低速時，可以通過改變氣道長度、節(jié)流情況及氣門正時等辦法，利用低速時氣流的動能，仍然可以保持較高的容積效率。.提高發(fā)動機的動力性能由于多氣門既提高了新鮮充量，又可以利用多油束噴油器布置氣缸蓋中心的可能，使噴入燃燒室的油束均勻分布，再加上合理地利用擠氣面積及進氣渦流的作用，使燃燒能及時完善地完圖7一16為小客車直噴柴油機采用四氣門后，平均有效壓力比原用二氣門時提高的情況。采用同樣的分配式油泵，并使排氣煙度保持不變，平均有效壓力提高了25%，即由1.ZMPa提高到1.SMPa（n二2500一3（X心）。發(fā)動機的轉速n=4儀刃時，四氣門的平均有效壓力為1'3MPa,對應的比功率為43kw/L。如果不用分配式油泵，而是使用先進的單體式油泵，那么保持相同的煙度情況下，平均有效壓力可達1.SMPa，對應的比功率為50kw】L。在發(fā)動機低轉速工況（n<1500）時，四氣門的平均有效壓力基本上沒有增加。從圖7一14還可看到，該小客車的最低比油耗ge=2009（1479），在高速范圍內，四氣門的比油耗比二氣門低。車用汽油機采用多氣門時，同樣由于充氣效率高，能組織良好的燃燒過程，平均有效壓力、升轉矩及升功率都可以比二氣門時高，國外試驗結果表明，高轉速時（n二以以））平均有效壓力可提高25%，在中等轉速時提高8%，而在低轉速時，多氣門與二氣門的動力性能差不多。在全負荷、高速工況，節(jié)氣門全開時，進氣系統(tǒng)的節(jié)流作用取決于進氣門，于是多氣門能夠發(fā)揮上述的優(yōu)點，使此油耗在高速全負荷工況下比二氣門降低8%。而在低速、低負荷時，則節(jié)氣門開度小，節(jié)流作用大，多氣門發(fā)揮不了優(yōu)點。同時多氣門傳動機構的摩擦損失要大些，所以不可能降低油耗。在部分工況，油耗受汽車總傳動比的影響較大，此時如果改變傳動比，使發(fā)動機在低速、高平均有效壓力下工作。即增大節(jié)氣門開度，多氣門的油耗也可以比二氣門低。而這一點容易通過電控自動換檔實現(xiàn)，因此多氣門加上自動換檔技術，可以取得更好的節(jié)油效果。船用及機車用大缸徑柴油機多采用四氣門，但很少采用斜置氣門。過去汽車用發(fā)動機很少采用多氣門，而現(xiàn)代車用發(fā)動機愈來愈多地采用斜置、多氣門。根據(jù)統(tǒng)計資料分析表明，多氣門能提高發(fā)動機動力性能的情況如圖7一17所示，而斜置氣門的措施提高發(fā)動機動力性能的情況如圖7一18所