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之前学汽车构造下册发动机的时候,对这块非常感兴趣。简而言之,配气相位决定进气量、排气量,可以直接影响燃烧过程,进而影响发动机油耗、动力、排放。
相对而言,进气量的影响远超排气量。
以汽油机为例,日常使用正常转速在-rpm区间比较多,就算是怠速,现在也大部分在rpm。按照怠速简略计算,每秒钟10转,对应发动机经历5个工作循环。
也就是每秒钟发动机最低要燃烧5次,这是确保正常运转的基本要求。每次整个燃烧过程只有0.2s,这个过程包含吸气、压缩、做功(燃烧)、排气四个冲程,真正燃烧时间理论上只占1/4(实际会长一些)。那么燃烧时间只占有0.05s。
现代汽油机,自然吸气的话,压缩比可以做大一些,在12-13比较多;增压发动机压缩比小一些,10-11比较多。以常见的1.5T四缸涡轮增压发动机举例,每缸燃烧室容积在0.L左右。
那么,在单缸0.L的空间内,用0.05s去完成燃烧—燃烧又包括点燃、火焰传播等过程,极其复杂,此处不做介绍。
以上这一堆,只是想证明在发动机工作时,汽油几乎不可能完全燃烧。
初中化学课上,老师说要想让燃料完全燃烧,必须有充足的氧气。这句话也是这些年提升发动机动力性技术进步的出发点——尽可能多得增加进气量,使燃烧更充分。
最典型的是涡轮增压的全方位应用,利用排气压力带动涡轮旋转,对空气进行压缩——空气体积变小,压力变大,可以将更多的空气送进气缸。同时,不可避免的空气温度要升高,所以,紧跟着涡轮压气机会布置一个冷却器(基本都是水冷),简称增压中冷器,来给空气降温。
除了涡轮增压这种暴力手段来增加进气量,很早之前人们就开始通过调整配气相位这种比较灵活温柔的方式来增加进气量了。
1、什么是配气相位
下面定义来自词条:配气相位是用曲轴转角表示的进、排气门的开闭时刻和开启持续时间,通常用环形图表示。
简而言之,配气相位就是进排气门开闭时刻及对应时间。由于发动机动力是以旋转形式输出的,故配气相位用曲轴转角来表示。
发动机燃烧室上方通常有4个气门,2个进气门,2个排气门。两者很好区别:直径大的就是进气门了。发动机一个工作循环是4冲程,每个冲程曲轴旋转°,每个工作循环曲轴旋转2圈°。
2、如何看配气相位图
如上图,初学者很容易抓狂,这怎么不是进气,就是排气,还竟然有进排气门同时打开的时候。。。
首先,这个图表示的是°,先从“进气门开”开始看,可以看到进气门是在上止点之前就开启了,什么意思呢?就是在排气冲程还没结束的时候,进气门就打开了。然后到达下止点之后才关闭——进气冲程结束之后才关闭。
好,这就来了,进气门提前打开到上止点时曲轴转过的角度,称为进气提前角。
同理:从下止点到进气门关闭所对应的曲轴转角,称为进气迟闭角。
然后,我们再接着看,进气迟闭之后,经历压缩、做功冲程(图上没有箭头的两段,紫色代表压缩,红色代表做功),然后,在做功冲程到达下止点之前,排气门打开,什么意思?就是说,做功燃烧冲程还没结束,排气门就打开了。
接着一直持续到上止点之后,这时候出现了进排气门同时开启的盛况。
从排气门开启至下止点时曲轴转过的角度,叫做排气提前角。
从上止点到排气门关闭时曲轴转过的角度,叫做排气迟后角。
发动机进气门和排气门处于同时开启的一段时间用曲轴转角来表示称为气门重叠角。
以上总结下来就是:无论进气门还是排气门,都是提前开,延后关。
3、配气相位的意义
在最多0.05s这样短的时间内,进气和排气过程往往会使发动机充气不足或者排气不净,从而使发动机功率下降。
因此,发动机都延长进、排气时间,即气门的开启和关闭时刻并不正好是活塞处于上止点和下止点的时刻,而是分别提前或延迟一定的曲轴转角,以改善进、排气状况,使排气彻底、进气充分,从而提高发动机动力性。
以上,发动机配气相位介绍完毕,至于怎么实现,就要靠配气机构了,依靠凸轮型线来控制,而不同工况下对配气相位需求不一样,这又诞生了VVT技术(可变配气相位)。