多气门发动机


1886年1月29日,德国人卡尔·本茨将自己研制的四冲单缸燃油发动机装上了一辆三轮的车子并获得专利权,世界从这一天开始才真正有了汽车。可以说,是发动机创造了汽车。发动机的基本构造(如图)是由气缸1、活塞2、连杆3、曲轴4等主要机件组成,每一个气缸至少有两个气门,一个进气门(蓝色)和一个排气门(橙色)。

气门装置是发动机配气机构的一个组成部分,在发动机工作起非常重要的作用。燃油发动机的工作运转由进气,压缩,作功和排气四个工作过程组成。要使发动机连续运转就必须使这四个工作过程周而复始,顺序定时地循环工作。

其中的两个工作过程,进气和排气过程,需要依靠发动机的配气机构准确地按照各气缸的工作顺序输送可燃混合气(汽油发动机)或新鲜空气(柴油发动机),以及排出燃烧后的废气。另外的两个工作过程,压缩和作功过程,则必须隔绝气缸燃烧室与外界进排气通道,不让气体外泄以保证发动机正常地工作。负责上述工作的机件就是配气机构中的气门。它好比人的呼吸器官,吸进呼出,缺它不可。

发动机图

随着技术的发展,汽车发动机的转速已经越来越高,现代轿车发动机的转速一般可达每分钟5500转以上,完成四个工作过程只需0.005秒时间,传统的两气门已经不能胜任在这么短促的时间内完成换气工作,限制了发动机性能的提高。解决这个问题的方法只能是扩大气体出入的空间。换句话就是用空间换取时间。多气门技术是解决问题的最好方法,直至80年代推广多气门技术才使发动机的整体质量有了一次质的飞跃。

多气门发动机是指每一个气缸的气门数目超过两个,即两个进气门和一个排气门的三气门式;两个进气门和两个排气门的四气门式;三个进气门和两个排气门的五气门式。

目前轿车上的多气门发动机多是四气门式的。四缸发动机有16个气门,6气缸发动机有24个气门,8气缸发动机就有32个气门。例如日本凌志LS400型轿车的发动机 就是8缸32个气门。增加了气门数目就要增加相应的配气机构装置,构造比较复杂,一般由两支顶置式凸轮轴来控制排列在气缸燃烧室中心线两侧的气门。气门布置在气缸燃烧室中心两侧倾斜的位置上,是为了尽量扩大气门头的直径,加大气流通过面积,改善换气性能,形成一个火花塞位于中央的紧凑型燃烧室,有利于混合气的迅速燃烧。

有人提出疑问,既然气门多好,为什么见不到一缸6气门以上的发动机?热力学有一个叫“帘区”的概念,指气门的园周乘以气门的升程,即气门开启的空间。“帘区”越大说明气门开启的空间越大,进气量也就越大。以奥迪100型轿车的发动机为例,它的四气门“帘区”值比两气门的“帘区”值,在进气状态时要大一半,在排气状态时要大百分之七十。当然,每一个事物都有它的一定适用范围,并不是说气门越多“帘区”值就越大,据专家计算当每个气缸的气门增加到六个时,“帘区”值反而会下降了,而且气门越多机构越复杂,成本就越大。因此,目前轿车的多气门燃油发动机的每个气缸的气门数目都是三至五个,其中又以四个气门最为普遍。

以汽油发动机为例,多气门发动机与传统的两气门发动机比较,前者能吸进更多的空气来混合燃油燃烧作功,节省燃油,更快地排出废气,排放污染少,能提高发动机的功率和降低噪音的优点,符合优化环境和节省能源的发展方向,所以多气门技术能迅速推广开来。

当年多气门燃油发动机开始兴起的时候,有些人认为它有一个技术上的缺陷低速运转不畅顺,德国著名的波尔舍汽车公司就持有这样的看法。随着技术上的不断改进,多气门燃气发动机的这种技术缺陷也逐步克服了。近几年波尔舍汽车公司的944S2型轿车装用了四缸四气门发动机,现在,全世界几乎所有的中高级轿车都装备多气门燃油发动机。(99.3.29)

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