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从发动机结构看汽车驾驶换档时机
发布时间:2010-11-18 发布者: 阅读:
本文从气门正时、气门行程和进气管长度这三项结构来说明为何在普通发动机上,换档转速应该在最高扭矩附近的转速。

    气门正时

    气门正时是指的进排气气门的开启时机,是由凸轮轴的转角所控制的。普通发动机的凸轮轴转角是固定的,所以其气门的正时也是固定的。

    我们知道,空气是有惯性的,在进气门开启的瞬间,空气并不能0时差的迅速进入气缸,他需要一个很短的反应时间,所以,在设计发动机的时候,就会在进入吸气冲程之前(也就是活塞向下运行之前),提前打开进气门,以抵消这个进气时差,以获得更充分的进气。而在排气阶段,同样原理,在活塞排气上升到顶部时,废气并没有排到最大程度,由于惯性和速度的原因,废气排放的最大量时刻出现在活塞上升到顶部后的一个很短的时间里。为了更充分的排气,需要让排气门在活塞到达顶点以后延迟一瞬间再关闭。这一个提前,一个推迟,必然有一个时间内进气门和排气门是同时打开的,这种现象被称作“气门叠加角”。

    发动机在高转速和低转速运转的时候,对于叠加角的需求是不一样的。低转速时需要较大的叠加角,高转速时需要较小的叠加角——没有一种叠加角可以同时适合高低转速。但是普通发动机的气门正时是不变的,也就是说,气门叠加角是固定不变的。对于没有特殊需求的发动机(如赛车发动机会有意设计成适应高转速的较小的叠加角),气门叠加角的设计往往取一个折中的值,在这个折中的转速区域,叠加角是最合适的。有最合适就有不合适,这种固定不变的气门叠加角在低转速和高转速时,发动机的工作状态都不是最佳的。这也就不难理解,为何低转换档难受了——没有获得最佳的气门叠加角,发动机工作状态不佳,扭矩小,副作用大。

    气门行程

    气门的行程是由凸轮轴转角的长度决定的,目前大多数发动机的气门行程都是不可变的。气门行程决定了每个气门进气的截面积,这个数值在发动机高转速和低转速是需求也是不一样的。当发动机在高转速是,需要比较长的气门行程,以获得较大的进气截面积,从而提高高转速时的进气速度,提高功率的输出;当发动机在低转速时,需要较短的气门行程,以产生更大的进气负压和产生更多的进气涡流,让空气于燃油更快更充分的混和,以获得更大的扭力输出。

    与气门正时一样,没有一种固定的气门行程可以同时照顾到高转和低转的,普通民用车一般也采用折中的办法。这种折中带来的结果就是,低转速的时候气门行程不够小,不能获得足够的进气负压和涡流;高转速的时候气门行程又不够大,不能充分的进气。而发动机的最佳工作状态,就出现在这个折中的转速区间。这样,也就可以解释为何要在最大扭力的转速区域换档了,道理与上文说到的可变正时类似。

    进气歧管的长度

    随着进气气门的打开和关闭,空气在进气歧管里面会有一个振荡过程。在发动机吸气的时候,进气歧管里的空气是以一定速度向气缸里流动的,在进气气门关闭瞬间,流动的空气被进气门阻挡了,由于空气的运动特性,这部分空气会向进气门方向堆积(即压缩),然后向反方向回弹,如此往复,形成振荡。

    根据共振的原理,如果进气歧管内空气的振荡频率能与进气门开闭的频率达到一致时,即可获得最大的进气效率。


进气门开闭的频率是随着发动机的转速改变而改变的,高转速时气门开闭频率高,低转速时气门开闭频率低。而进气歧管内的空气振荡的频率是由进气歧管的长度所决定的,长的进气歧管振荡频率低,短的进气歧管振荡频率高。对于不可变进气歧管长度的发动机而且,又需要取一个折中的长度,以兼顾高低转速时候的需求。而在这个折中的转速需求范围内,进气歧管的频率刚好与进气门的开关频率一致,可以获得最佳的进气效率。

    从上面三个技术看,都有一个折中值,在这个折中值的转速区域内,无论是气门正时、气门行程、进气管长度都是对应此时的转速的,这个时候的发动机的工作状态是最佳的。而所谓最佳换档时机,实际上就是让发动机尽可能的运行在这个最佳转速范围内,而这个范围,往往在技术参数上表现为最大扭力出现的转速范围附近。不同的发动机这个折中值也不完全一样,所以换档时机也不完全一样。

    完全看最大扭矩的出现转速也不一定科学,有的发动机虽然最大扭矩出现的转速很高,但往往2500转开始就已经有足够的(90%)以上的扭力输出了,这时候就不需要教条的非要打到那个转速才换档。例如丰田8A发动机,它的最大扭矩出现在5200转,但实际上,超过2500转发动机就已经动力十足了。所以虽然没有人开威姿是5200转换档,但8A的工作状态依然很好。

    具体什么时候换档,可以看发动机的工况图作为参考,档扭矩曲线进入平缓的转速区域时换档,一般都没问题。如果没有工况图,凭实际操作时候的感受也可以,如果换完档以后感觉发动机没劲,那肯定换档早了。当换完档以后车子依然冲劲十足,能达到这种效果的最低转速则就是整个车的最佳换档转速。

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