文杰俊
广东南方职业学院
摘要
采用可变气门正时技术的发动机，相对于传统的发动机而言，可以提高进气充量，增加充气系数，进一步提高发动机的扭矩和功率。本文就可变配气相位技术中的可变进气正时、可变排气正时、可变气门升程等技术对发动机性能产生的影响进行分析。
关键词：可变气门； 配气相位； 发动机
1引言
传统的发动机由于受其制造水平和科学技术的限制，发动机有且只有一个固定的配气相位。普通四冲程发动机，当发动机处于高转速时，一个工作冲程的时间仅需千分之几秒，对于只有一个固定的配气相位而言，在这么短时间内往往会造成充气量不足和排气不彻底的现象，影响发动机的效率。为了弥补这些缺陷，就需要配气相位可变。
2气门重叠角的概念
由于进气门的延迟关和排气门的提前开，在这种情况下就会出现进排气门同时打开的现象，这种现象称为气门重叠角。气门重叠角是可变配气相位里面的一个重要的技术参数，也是影响发动机性能的重要的因素之一。气门重叠角应为多大？当发动机处于高转速时，往往是需要吸入更多的空气量，但恰恰相反的是由于受到曲轴转速的影响，转速越高，气门开闭的绝对时间就越少。要解决这一难题，就需要提前开启进气门和延迟关闭排气门，保证有足够长的进排气时间满足进气量的需求。发动机的转速越高，气门重叠角也就越大。相反，在发动机低转速时，需要的气门重叠角也就越小，因为此时发动机需要的空气量比较少，加上低转速时，气门开闭的绝对时间较长。如果在低转速时使用过大的气门重叠角，容易使气缸内的废气，过多地窜入到气门进气端，形成进气阻力，降低了进气量。
因此，在可变配气相位技术的应用之下，气门重叠角是随着发动机的工作状况而连续可变的，保证发动机在任何的工况下都能发挥出其最佳的工作状态。
3可变进气门正时发动机性能的影响
3.1降低泵气损失
在一定负荷时, 由于传统发动机都是通过节气门的开启角度控制进气量，而在进气总管处节流会阻碍空气的流速和流量，降低充气效率，造成较大的泵气损失，降低发动机的有用功。当发动机在低转速时，进气平均有效压力的30 %都是在泵气中损失的。利用可变进气正时技术，使进气门早关或晚关，代替节气门控制做功燃烧所需的空气量，从而得以控制发动机输出功率，使发动机实现无节气门化，降低泵气损失提高燃油经济性。
3.2提高进气速度
当发动机处于怠速时，由于转速较低，缸内涡流的强度减弱，从而导致燃烧速度不足。可变气门正时通过控制气门的开启时间，使进气门的开启时间延迟，在活塞开始向下运动，产生较大的吸气压力时开启进气门，这样就能获得较大的进气速度和涡流强度，能够加快混合气燃烧的速率，从而使循环效率得到提高。
3.3提高进气量
进气门关闭一般发生在活塞在吸气下行到达下止点（BDC）之后。如果进气门在活塞通过下止点后随即关闭，那么在活塞继续上行的这段短暂的时间内，由于进气惯性的存在，混合气依然会继续涌进气缸，提高了进气量；如果进气门在活塞通过下止点后较长一段时间才关闭的话，由于活塞上行压缩气缸内气体导致气缸内气压上升至高于进气歧管的压力，气缸内气体便会被活塞挤出气缸，减少发动机的有效进气量。通过对气门正时的优化，延迟关闭进气门，就能够有效提高进气量。特别是在发动机处于高负荷时，由于进气的惯性大，通过延迟进气门的关闭 ，能够有效提高进气量，从而有效提升扭矩。
可变气门正时相对于固定的进气正时，在充气效率上有着明显的差异，加入可变配气技术后，充气效率得到明显的提高。
3.4可变压缩比
发动机在实际工作的过程中，实际压缩比是不断变化的，通过可变气门正时，对进气门延迟关闭可以改变实际压缩比。例如在气缸压缩冲程中，通过延迟进气门的关闭角，使一部分的混合气由进气门处排到气缸外，缩小了压缩比，在膨胀比不变的情况下实现了压缩比小于膨胀比，因此能更好的利用燃烧后废气仍然存在有的高压，使得燃油效率更高，达到了环保低碳的效果。
4可变排气门正时对发动机性能的影响
4.1优化膨胀比
发动机的有效膨胀比与气缸内做功气体的质量有直接关系。对于可变排气门，能够改变缸内做功气体的容积。发动机在高速运转，排气门在活塞到达下止点（BDC）之前打开，保证废气能有充足的时间排出气缸。发动机在低转速时，排气的时间较充分，这时适当延迟排气门的开启时间。保证最大的膨胀冲程功，使发动机在低速时也有较大的扭矩输出。
4.2改变缸内残余废气系数
通过改变排气门的关闭角可以实现发动机内部EGR，从而影响气缸内的残余废气系数。例如可以通过提前关闭排气门，让一部分的废气先留在气缸里，可以降低发动机下一个做功冲程的最高燃烧温度，从而降低了氮氧化合物（NOx）的排放。还可以通过增加气门的重叠角，在进气冲程时，提前打开进气门和延迟关闭排气门，活塞下行产生的压力把排气管内的废气倒吸回气缸内，增加缸内废气系数，同样可以降低最高燃烧温度。
5可变气门升程对发动机性能的影响
5.1加大进气流动速度
发动机在低转速时，混合气流动相对较慢，燃烧速度也比较慢，此时使用较小的气门升程，可以提高气体的流速，有效提高燃烧速度，增强发动机在低转速时的扭矩。而高转速时，混合气流速非常快，燃烧时间也非常短，混合气惯性能量较大，此时使用较大的气门升程则可以显著提高进气量，进而提升高转速时的功率输出。相对于固定不变的气门升程，可变气门升程技术可以在发动机不同转速下匹配合适的气门升程，使得低转速下扭矩充沛，而高转速时马力强劲。
5.2控制气体流动
在多气门的发动机上，通过改变每个气门的升程，可以影响气体流动的方式。实验表明，与设计气缸盖相比，不等的气门升程对进气流动的影响效果更明显。
5.3提高充气效率
传统的凸轮驱动型发动机，由于凸轮轴受到了曲轴转速的影响，所以在低转速时，气门的开闭往往是一个相对较慢的过程，对气门开启的持续期占据的时间较多，进气的效率受到影响。只有在曲轴的转速升高时，气门速度才能提高。这种问题在现在新型的无凸轮型发动机上得以解决，气门的运动和开闭速度不再受曲轴转速的限制，完全由电机控制，气门开闭的速度和升程由微电脑控制，开闭时间只占气门开启持续期的一小部分，速度快，效率高。气门升程在短时间内便能达到峰值，并能一直持续一段时间，升程的曲线更接近矩形。所以在气门开启的大部分时间里气门始终保持最大升程，这样能保证在高负荷下能有效提高发动机的充气效率，发挥出较大的扭矩。
6结论
连续可变的配气相位能够根据发动机不同的工作状况，对进排气的持续开启时间和开启升程进行连续改变。使配气正时达到最佳，在发动机高负荷高转速时，能及时输出较大的功率，满足了动力性上的需求；在发动机低负荷低转速时，能有效降低其然后消耗率，兼顾了经济型之余还能够减少了尾气的排放。
随着汽车技术的不断发展和人们对环境的越加重视，研发高性能低排放的发动机成为现代汽车业发展的目标，配气相位作为汽车发动机中重要的组成部分，可变配气的加入使其性能改进效果显著。
参考文献
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