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從發動機結構看汽車駕駛換檔時機
發布時間:2010-11-18 發布者: 閱讀:
本文從氣門正時、氣門行程和進氣管長度這三項結構來說明為何在普通發動機上,換檔轉速應該在最高扭矩附近的轉速。

    氣門正時

    氣門正時是指的進排氣氣門的開啟時機,是由凸輪軸的轉角所控制的。普通發動機的凸輪軸轉角是固定的,所以其氣門的正時也是固定的。

    我們知道,空氣是有慣性的,在進氣門開啟的瞬間,空氣并不能0時差的迅速進入氣缸,他需要一個很短的反應時間,所以,在設計發動機的時候,就會在進入吸氣沖程之前(也就是活塞向下運行之前),提前打開進氣門,以抵消這個進氣時差,以獲得更充分的進氣。而在排氣階段,同樣原理,在活塞排氣上升到頂部時,廢氣并沒有排到最大程度,由于慣性和速度的原因,廢氣排放的最大量時刻出現在活塞上升到頂部后的一個很短的時間里。為了更充分的排氣,需要讓排氣門在活塞到達頂點以后延遲一瞬間再關閉。這一個提前,一個推遲,必然有一個時間內進氣門和排氣門是同時打開的,這種現象被稱作“氣門疊加角”。

    發動機在高轉速和低轉速運轉的時候,對于疊加角的需求是不一樣的。低轉速時需要較大的疊加角,高轉速時需要較小的疊加角——沒有一種疊加角可以同時適合高低轉速。但是普通發動機的氣門正時是不變的,也就是說,氣門疊加角是固定不變的。對于沒有特殊需求的發動機(如賽車發動機會有意設計成適應高轉速的較小的疊加角),氣門疊加角的設計往往取一個折中的值,在這個折中的轉速區域,疊加角是最合適的。有最合適就有不合適,這種固定不變的氣門疊加角在低轉速和高轉速時,發動機的工作狀態都不是最佳的。這也就不難理解,為何低轉換檔難受了——沒有獲得最佳的氣門疊加角,發動機工作狀態不佳,扭矩小,副作用大。

    氣門行程

    氣門的行程是由凸輪軸轉角的長度決定的,目前大多數發動機的氣門行程都是不可變的。氣門行程決定了每個氣門進氣的截面積,這個數值在發動機高轉速和低轉速是需求也是不一樣的。當發動機在高轉速是,需要比較長的氣門行程,以獲得較大的進氣截面積,從而提高高轉速時的進氣速度,提高功率的輸出;當發動機在低轉速時,需要較短的氣門行程,以產生更大的進氣負壓和產生更多的進氣渦流,讓空氣于燃油更快更充分的混和,以獲得更大的扭力輸出。

    與氣門正時一樣,沒有一種固定的氣門行程可以同時照顧到高轉和低轉的,普通民用車一般也采用折中的辦法。這種折中帶來的結果就是,低轉速的時候氣門行程不夠小,不能獲得足夠的進氣負壓和渦流;高轉速的時候氣門行程又不夠大,不能充分的進氣。而發動機的最佳工作狀態,就出現在這個折中的轉速區間。這樣,也就可以解釋為何要在最大扭力的轉速區域換檔了,道理與上文說到的可變正時類似。

    進氣歧管的長度

    隨著進氣氣門的打開和關閉,空氣在進氣歧管里面會有一個振蕩過程。在發動機吸氣的時候,進氣歧管里的空氣是以一定速度向氣缸里流動的,在進氣氣門關閉瞬間,流動的空氣被進氣門阻擋了,由于空氣的運動特性,這部分空氣會向進氣門方向堆積(即壓縮),然后向反方向回彈,如此往復,形成振蕩。

    根據共振的原理,如果進氣歧管內空氣的振蕩頻率能與進氣門開閉的頻率達到一致時,即可獲得最大的進氣效率。


進氣門開閉的頻率是隨著發動機的轉速改變而改變的,高轉速時氣門開閉頻率高,低轉速時氣門開閉頻率低。而進氣歧管內的空氣振蕩的頻率是由進氣歧管的長度所決定的,長的進氣歧管振蕩頻率低,短的進氣歧管振蕩頻率高。對于不可變進氣歧管長度的發動機而且,又需要取一個折中的長度,以兼顧高低轉速時候的需求。而在這個折中的轉速需求范圍內,進氣歧管的頻率剛好與進氣門的開關頻率一致,可以獲得最佳的進氣效率。

    從上面三個技術看,都有一個折中值,在這個折中值的轉速區域內,無論是氣門正時、氣門行程、進氣管長度都是對應此時的轉速的,這個時候的發動機的工作狀態是最佳的。而所謂最佳換檔時機,實際上就是讓發動機盡可能的運行在這個最佳轉速范圍內,而這個范圍,往往在技術參數上表現為最大扭力出現的轉速范圍附近。不同的發動機這個折中值也不完全一樣,所以換檔時機也不完全一樣。

    完全看最大扭矩的出現轉速也不一定科學,有的發動機雖然最大扭矩出現的轉速很高,但往往2500轉開始就已經有足夠的(90%)以上的扭力輸出了,這時候就不需要教條的非要打到那個轉速才換檔。例如豐田8A發動機,它的最大扭矩出現在5200轉,但實際上,超過2500轉發動機就已經動力十足了。所以雖然沒有人開威姿是5200轉換檔,但8A的工作狀態依然很好。

    具體什么時候換檔,可以看發動機的工況圖作為參考,檔扭矩曲線進入平緩的轉速區域時換檔,一般都沒問題。如果沒有工況圖,憑實際操作時候的感受也可以,如果換完檔以后感覺發動機沒勁,那肯定換檔早了。當換完檔以后車子依然沖勁十足,能達到這種效果的最低轉速則就是整個車的最佳換檔轉速。

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