第三节 提高内燃机充量系数的措施

1. 第三节 提高内燃机充量系数的措施 MEASURES TO IMPROVE VOLUMETRIC EFFICIENCY 主要学习内容 • 四冲程内燃机的充量系数及影响因素 • 提高充量系数的技术措施

2. 充量系数 VOLUMETRIC EFFICIENCY • 内燃机每循环实际吸入气缸的新鲜充量与以进气管内状态充满气缸工作容积的理论充量之比。 • 内燃机的充量系数反映了进气过程的完善程度，是衡量发动机性能的重要指标。 提高充量系数的措施可以归结为： 1)降低进气系统的阻力损失，↑pa 2)降低排气系统的阻力损失，↓φr 3)减少高温零件在进气系统中对新鲜充量的加热，↓Ta 4)合理选择配气定时和气门升程规律，↓mr+↑m1，↓φr

3. 提高充量系数的技术措施 MEASURES TO IMPROVE VOLUMETRIC EFFICIENCY • 降低进气系统的流动阻力 • 采用可变配气系统技术 • 合理利用进气谐振 • 降低排气系统的流动阻力 • 减少对进气充量的加热

4. 由流通截面大小、形状以及流动方向的变化造成局部产生涡流所引起的损失。由流通截面大小、形状以及流动方向的变化造成局部产生涡流所引起的损失。 流动过程中的主要损失。它由一系列的局部阻力叠加而成。空气滤清器、流道转弯处、进气门座圈处 管道摩擦阻力，它与流速、管长、管壁表面质量等有关。 由于进气的管道粗短，壁面比较光滑，其沿程阻力并不大。 柴油机流动阻力 进气涡流与气道阻力 注意：平衡流动损失与缸内涡流比的矛盾 涡流比＝进气涡流转速/发动机转速 流量系数＝实际流率/理论流率 流动阻力 = 沿程阻力（次） ＋ 局部阻力（主） 一、降低进气系统的流动阻力

5. 空气滤清器损失 WOT节气门全开 Part throttle 节气门前流动损失 节气门节流损失(P) 节气门节流损失(W) 进气道流动损失 汽油机流动阻力 • 结论： • 汽油机中、低负荷时阻力损失更大 • 阻力损失是φc的最大影响因素

6. A A 局部阻力损失 • 进气门座处是进气流道中截面积最小、流速最高的地方，因而该处的局部阻力最大。 ， 为进气流量系数和流速， A为流通面积 为阻力系数， 为进气密度 减少流动损失措施：↑A，↓vs，改善流动（↑μs， ↓ξ）

7. 为进气门座处的气流总平均速度 为进气门流通截面处的气体音速 为进气门在开启期间的平均流量系数 用进气门阀座处气体流动的平均马赫数 衡量考察进气流动损失对充量系数的影响 增加进气门的流通面积是降低进气阻力、减小进气马赫数，提高发动机充量系数的最主要措施。 1）气门数目；2）气门直径 平均马赫数 AVERAGED MACH NUMBER 充量系数与平均进气马赫数的关系 Ma＞0.5，φc会急速下降

8. 不同进气门数的方案比较 Project Comparison I代表进气门，E代表排气门

9. 表4-1 进气门流通截面与气缸截面积的比值 • 采用进气门倾斜来增加进气门直径，同样可以增加排气门的流通面积，这样进气阻力减小，排气阻力也有所减小。 • 在气门倾斜基础上再增加进气门数，进气流通面积还可进一步增加。

10. 顶置凸轮4气门发动机的优缺点比较Factor comparison of DOHC 4－V 优点: a）进排气流通面积大，流动阻力小，充量系数高，泵气损失小，有利于提高动力性能。 b）利于将火花塞或喷油器布置在中央，有利于提高压缩比（对点燃式内燃机）和改善混合器形成质量（对压燃式内燃机），提高燃油经济性和降低排放。 c）可减轻气门系统的运动零部件质量，适应高速运转要求。 缺点： a）气门机构的零部件数目增加，使制造及维修成本增加。 b）顶置凸轮轴需安装在气缸盖上，增加了发动机的高度，需更大的安装空间。

11. 不同气门数发动机性能比较 Valve number and engine performance 图4-7 4气门与2气门发动机的性能比较 图4-8 5气门与4气门发动机的性能比较 Pe提高15-30%，Ttq增大5-10% 经济性得到改善，最高转速增加 高速性能得到进一步改进

12. 降低进气系统的流动阻力—小结 • 增大进气门流通面积—增大进气门直径；增加气门数目；改进凸轮型线设计等 • 改善气道、气门和气门座处的气体流动特性—气门座最小截面处应圆滑过渡逐步缩小等 • 减少进气管和空气滤清器的阻力

13. 二、采用可变配气系统技术 VARIABLE INLET SYSTEM 配气相位固定不是最佳 对配气系统的要求： • 低速时，采用较小的气门叠开角以及较小的气门升程,防止新鲜充量倒流，增加低速转矩，提高燃油经济性。 • 高速时应具有最大的气门升程和进气门迟闭角，减小流动阻力，提高充量系数，满足发动机高速时的要求。 • 进气门从开启到关闭的进气持续角也进行相应的调整。

14. 可变气门正时（VVT） 可变气门升程（VVL） 机械式 有凸轮 可变气门持续角Variable Event Timing, VET 气门升程单独可变在保持气门的正时和持续期不变，单独改变气门的最大升程 可变气门升程与正时VLT 改变升程的同时改变了正时 与开启持续期 可变气门相位与持续期在改变气门正时的同时也改变了气门开启持续期 电磁气门驱动机构(GM、FEV) 电子控制无凸轮机构 液压气门驱动机构(Ford) 按驱动方式可分为： 可变气门系统 VARIABLE VALVE SYSTEM 商用实例 HONDA i-VTEC Toyota VVT-i BMW's Vanos

15. 1. 机械式有凸轮 可变气门正时（VVT ） 优点：根据实现机构的不同，采用VVT技术可以使得发动机的 低速转矩得到大幅度的提高。

16. 可变凸轮机构（ VCS ） • 注:在高速时采用高速凸轮，气门升程与持续角都较大，而在低速时切换到低速凸轮，升程与持续角均较小。 • 优点:与传统的配气机构的性能相比，发动机的低速转矩和高速性能都得到了显著的改善。

17. 进气门①微小开度(涡流形成) 辅摇臂 主摇臂 ① ② 低转速时 ② 同步 活塞 低转速时 Valve lift 进气 排气 ① TDC ① ② 中高转速时 ② ① Valve lift 中高转速时 排气 进气 TDC HONDA VTEC(FIT 1.5L及ACCORD V6采用) Variable Valve Timing And Lift Electronic Control 可变气门正时及气门升程系统 VTEC ●低速运转时,主摇臂和辅摇臂分别由大升程和小升程凸轮驱动, 产生涡流, 使油气更好地混合,实现快速燃烧, 获得极佳的燃油经济性. ●高速运转时,同步活塞在油压的作用使两摇臂连成一体,同时由大升程凸轮驱动, 充气量得到大幅度的提高, 输出大功率和大扭矩.

18. 连续可变 最大延迟 最大提前 进气 转动方向 排气 进气 排气 HONDA VTEC(FIT 1.5L及ACCORD V6采用) VTC:（Variable Timing Control)可变正时控制 VTC主要控制进气门的开启和关闭正时 。VTC执行器由根据油压动作的叶片和与正时齿轮一体的壳体组成，安装在进气凸轮上。VTC油压阀根据ECU的信号动作，作用于VTC执行器的提前角油压室和推迟角油压室的油压让叶片部分旋转，使进气凸轮轴相位连续变化。可以根据发动机不同的负荷状态，连续地调节进气门的闭合角度，使发动机获得最佳的动力性、经济性和排放的综合性能。 进气凸轮轴上的VTC机构 ( Variable Timing Control )（可变正时控制） VTC 电磁阀 VTC 执行器 连续相位调节 低速区 高速区 执行器

19. HONDA i－VTEC(ACCORD 2.0L/2.4L及ODY采用) intelligent Variable Valve Timing And Lift Electronic Control 智能可变气门正时及升程控制系统 i－VTEC 高功率 低油耗 低排放 VTEC 双气门开启 低油耗 低排放 高功率 高进气效率 单气门主开启 可变气门升程 ＋ 高涡流比 ＝ 气门重叠角控制 VTC 高进气效率 可变气门正时 低泵气损失 高EGR效果 ☆i-VTEC技术将VTEC和VTC技术有效地结合，通过VTEC对气门升程、VTC对气门重 叠（进气门和排气门同时开启的状态）进行周密的智能化控制，使大功率、低 油耗、低排放这三个具有不同要求的特性都得到提高。

20. HONDA i－VTEC(ACCORD 2.0L/2.4L及ODY采用) i-VTEC控制模式 怠速控制模式 稀薄燃烧控制模式 怠速时：控制推迟角，使气门重叠角变小，流往进气道的废气减少，实现稳定燃烧 中负荷：控制提前角，加大气门重叠角，提高EGR效果，降低排气损失及排放 高负荷：控制提前角-推迟角，使气门关闭时间和重叠角最合适，提高充气效率和扭矩 普通燃烧控制模式 低速高负荷控制模式 高速控制模式

21. 2. 电子控制无凸轮机构Camless Valve Actuation 电磁气门驱动机构：FEV’s Electro-Mechanical VVA System

22. 200bar 10 50bar 8 6 Valve Lift [mm] 4 2 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Time [msec] 电控液压气门驱动机构EHVS – Electrohydraulic Valve System 电子控制无凸轮机构 优势：无凸轮机构传动，开闭时刻灵活，动作迅速 问题：体积大，震动噪声，尚未商用化

23. 可变配气执行机构（VVT）可降低泵气损失 节气门控制气量 vs 进气门控制气量（进气门早关） 采用VVT，取消节气门（或节气门全开），降低汽油机中小负荷下的泵气损失。

24. 负气门重叠 负气门重叠 节气门 • 负气门重叠，减少泵气损失 • 截留残余废气，降低NOx排放 • 抑制爆震 • … 节气门控制气量 vs 进气门控制气量

25. 进气谐振 进气管长度的增加或管径的减小，可使充量系数的峰值向发动机低速一侧移动，反之则向高速移动的现象。 三、合理利用进气谐振 INLET PIPE TUNING 在发动机进气过程中，活塞的下行运动导致在进气管内产生膨胀波，该膨胀波在进气管的开口端反射，形成压缩波返回,向气缸方向传播。 在一定的条件下（如一定的转速、进气管长度等），这种压缩波可以使得发动机进气过程将要结束时，进气门处的压力高于正常的进气压力，从而增加发动机的进气量，提高充量系数。 图4-12 进气管对充量系数的影响

26. 可变进气系统及其对发动机性能的影响Effects of variable inlet system • 在低速时控制阀关闭（流通面积减小），气体从主气道流入发动机中，而高速时控制阀打开，气体从主、副两个气道同时流入气缸中。 • 利用进气谐振，使发动机的高速与低速性能都得到优化。

27. 可变进气管长度技术(Audi V6)

28. LOWERING EXHAUST FLOW RESISTANCE 四、降低排气系统的流动阻力 可↓φr，↓泵气损失 • 减小排气门及其座面处的局部阻力损失 • 渐扩型排气道 • 排气管谐振 • 降低排气消声器和排气后处理器流动阻力

29. 五、减少对进气充量的加热 EFFECTS OF CHARGE HEATING 原因： 在进气过程中，进入气缸的新鲜充量不可避免地被各种高温表面加热，从而导致温度升高，使缸内进气密度下降，充量系数减小 。进气温升主要受发动机的结构与运行参数的影响，如进气管结构、发动机转速、负荷、冷却水温度及冷却水道设计等。为提高充量系数，应尽量减少对进气的加热。