影響發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率的因素及提高方案

樊 偉

（許昌電氣職業(yè)學(xué)院，河南 許昌 461000）

前言

將缸內(nèi)廢氣完全排出，并將新鮮氣體充入缸內(nèi)是內(nèi)燃機(jī)換氣工作的基本要求[1]。然而在實(shí)際操作中，因?yàn)闅忾T開(kāi)啟過(guò)程中節(jié)流損失比較大，同時(shí)在進(jìn)行排氣時(shí)無(wú)法控制流動(dòng)損失，另外，因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)因素使得廢氣無(wú)法得到充分排除，因此新鮮氣體無(wú)法充滿缸內(nèi)容積。所以為了保證氣缸容積得到充分利用，需要對(duì)換氣環(huán)節(jié)中流動(dòng)損失進(jìn)行有效控制，確保氣缸中可以流進(jìn)更多氣體，為發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性提供保障。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)換氣原理

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過(guò)程主要涵蓋排氣、強(qiáng)制排氣以及進(jìn)氣、氣門重疊四個(gè)環(huán)節(jié)[2]。主要任務(wù)就是將氣缸內(nèi)廢氣充分排出，并盡量將新鮮空氣沖入氣缸內(nèi)。只有保證進(jìn)入氣缸內(nèi)空氣數(shù)量，才能夠充分燃燒并充分放熱，進(jìn)而促使發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩與功率得到有效提升，這也是確保發(fā)動(dòng)機(jī)性能充分發(fā)揮的基礎(chǔ)。其中，在換氣環(huán)節(jié)中也會(huì)出現(xiàn)排氣損失與進(jìn)氣損失，其中排氣損失在發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率方面有著較大影響。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率影響因素

2.1 進(jìn)氣終了壓力影響

進(jìn)氣終了條件，活塞在下止點(diǎn)位置情況下，與大氣壓相比，缸內(nèi)壓力較小，主要由于新鮮氣體進(jìn)入氣缸時(shí)需要克服氣流慣性與流動(dòng)阻力。若是進(jìn)氣體系阻力增加，那么新進(jìn)混合氣體會(huì)隨之減少，就會(huì)對(duì)沖效率產(chǎn)生一定影響。

進(jìn)氣體系阻力主要受到其自身結(jié)構(gòu)所影響。例如，氣流通過(guò)各種形式空氣濾清器過(guò)程中，會(huì)受到相應(yīng)進(jìn)氣阻力[3]。在進(jìn)氣系統(tǒng)中，進(jìn)氣門口的流通截面積是最小的，其進(jìn)氣阻力也相對(duì)最大。

而進(jìn)氣阻力還會(huì)受到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速影響，不斷提高轉(zhuǎn)速過(guò)程中，新空氣流速變大，而相應(yīng)流動(dòng)損失也會(huì)隨之增加，進(jìn)氣的終了壓力會(huì)快速降低。

發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷出現(xiàn)變化之后，汽油機(jī)主要通過(guò)對(duì)氣節(jié)門開(kāi)度進(jìn)行轉(zhuǎn)變，對(duì)氣缸中混合氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷調(diào)整，在汽車勻速行駛行在阻力減小的公路過(guò)程中，通過(guò)將氣節(jié)門開(kāi)度關(guān)閉保證轉(zhuǎn)速始終保持不變，使得終了氣體的壓力受到影響。

2.2 終了溫度影響

因?yàn)楦邷貜U氣以及缸壁高溫機(jī)件會(huì)對(duì)新進(jìn)氣體產(chǎn)生加熱效應(yīng)，導(dǎo)致終了活塞位于下止點(diǎn)情況下的氣缸氣體溫度超出了大氣溫度，使得缸內(nèi)氣體密度降低，導(dǎo)致充氣系數(shù)減小。在轉(zhuǎn)速加大，負(fù)荷不變情況下，新鮮氣體和高溫機(jī)件僅存在短暫接觸，并不會(huì)快速升溫。在負(fù)荷增加，而轉(zhuǎn)速不變情況下，因?yàn)楦妆跍囟仍黾?，?dǎo)致氣體溫度也隨之增加。

2.3 溫度和殘留廢氣壓力影響

在排氣終了之后，氣缸中存在殘留廢氣，因?yàn)榕艢庀到y(tǒng)阻力原因，導(dǎo)致廢氣氣壓比大氣壓高，其中排氣閥位置的阻力最大，隨著轉(zhuǎn)速增加，流動(dòng)阻力也會(huì)隨之增加，而廢氣壓力也隨之增加。在廢氣壓力增加過(guò)程中，其密度會(huì)增加，會(huì)殘留更多廢氣，因此新鮮空氣氣量會(huì)隨之減少，使得充氣效率受到影響。同時(shí)，如果廢氣較多，那么會(huì)導(dǎo)致充氣減少，同時(shí)對(duì)混合氣質(zhì)量產(chǎn)生一定影響，對(duì)正常燃燒造成破壞。

3 提高充氣效率的策略

3.1 控制進(jìn)氣體系流動(dòng)損失

3.1.1 控制進(jìn)氣門位置流動(dòng)損失

首先，調(diào)整進(jìn)氣門的直徑，同時(shí)保證排氣門大小合適。其次，調(diào)整進(jìn)氣門的數(shù)量。選擇2排2進(jìn)結(jié)構(gòu)，相比于2氣門/氣缸，4氣門/氣缸發(fā)動(dòng)機(jī)，基于氣門直徑一致條件，能夠增加30%進(jìn)氣門面積、40%排氣門面積，可以保證換氣工作順利開(kāi)展。再次，提高氣門行程。對(duì)氣門行程進(jìn)行科學(xué)調(diào)整，對(duì)凸輪輪廓進(jìn)行優(yōu)化，基于慣性力允許條件，提高氣門閉合、開(kāi)啟速度。進(jìn)而強(qiáng)化氣門位置通過(guò)水平，控制進(jìn)氣阻力。最后，調(diào)整氣門錐角。通常錐角設(shè)計(jì)為45°，基于氣門升程一致條件，通過(guò)降低錐角能夠使通過(guò)斷面增加。

3.1.2 控制進(jìn)氣管與進(jìn)氣道阻力

首先，控制空氣濾清器阻力，對(duì)于濾清器，在保證濾清質(zhì)量基礎(chǔ)上，對(duì)其阻力進(jìn)行控制。其次，保證通道面積，氣缸蓋與進(jìn)氣管的進(jìn)氣道，應(yīng)該確保其通道面積充足，進(jìn)而降低進(jìn)氣阻力。再次，控制界面突變與彎道。要想保證進(jìn)氣阻力得到有效控制，進(jìn)氣管道應(yīng)該控制流通截面突變、急轉(zhuǎn)彎等問(wèn)題。最后，保證管道內(nèi)壁光滑。若是氣道內(nèi)壁粗糙，則會(huì)影響氣流實(shí)際流動(dòng)損失。

3.2 控制新空氣熱傳導(dǎo)

保證冷卻系統(tǒng)始終保持良好運(yùn)行狀態(tài)，避免發(fā)動(dòng)機(jī)溫度過(guò)度升高?？刂圃谛驴諝夥矫娴臒醾鲗?dǎo)問(wèn)題。能夠?qū)M(jìn)氣的終了溫度進(jìn)行有效控制，促使新空氣密度增加，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)充氣效率提升的目標(biāo)。

3.3 控制排氣系統(tǒng)的氣流阻力

（1）控制排氣管道阻力，防止出現(xiàn)排氣管道內(nèi)出現(xiàn)凸臺(tái)、急轉(zhuǎn)彎以及截面凸起等不良現(xiàn)象，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)排氣阻力控制。

（2）控制排氣門位置阻力。對(duì)于排氣系統(tǒng)，排氣門位置流通的截面積最小，需要制定合理方法對(duì)排氣阻力進(jìn)行控制?？梢赃x擇四氣門結(jié)構(gòu)或是增加氣門升程，均可以保證充氣效率。

3.4 科學(xué)確定配氣正時(shí)

（1）對(duì)于進(jìn)氣門延遲閉合，主要是為了通過(guò)高速氣流慣性，提高每個(gè)循環(huán)中的氣量。因?yàn)樵诎l(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速存在差異的條件下，氣流慣性也存在差異，所以需要根據(jù)轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)進(jìn)氣遲閉角。傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)，由于在曲軸/配氣系統(tǒng)限制下，發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，配氣正時(shí)不會(huì)出現(xiàn)變化，因此充氣效率僅會(huì)在某個(gè)轉(zhuǎn)速下達(dá)到最大值。若是發(fā)動(dòng)機(jī)超出該轉(zhuǎn)速工作，那么氣流慣性升高，但是遲閉角并不發(fā)生變化，導(dǎo)致氣流慣性無(wú)法得到充分利用。另外，轉(zhuǎn)速升高過(guò)程中，流動(dòng)阻力也會(huì)升高，對(duì)充氣效率造成影響。若是發(fā)動(dòng)機(jī)低于該轉(zhuǎn)速工作，則氣流慣性會(huì)降低，使得遲閉角與氣流情況不相符，造成新空氣倒流現(xiàn)象，因此會(huì)降低沖洗效率，見(jiàn)下圖。

圖1 進(jìn)氣門滯后角變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率與充氣效率產(chǎn)生的影響

上圖中ηv曲線代表基于相關(guān)配氣正時(shí)條件，轉(zhuǎn)速變化和充氣效率之間的關(guān)系，例如，在滯后角是40°條件下，在1800r/min轉(zhuǎn)速條件下，充氣效率達(dá)到最值，表明基于此轉(zhuǎn)速讓發(fā)動(dòng)機(jī)工作，可以保證慣性得到充分利用。若是轉(zhuǎn)速超出高標(biāo)準(zhǔn)，氣流慣性升高，導(dǎo)致一些能夠借助慣性流進(jìn)氣缸的氣體無(wú)法進(jìn)入氣缸中，同時(shí)由于轉(zhuǎn)速升高，使得流動(dòng)阻力加大，因此充氣效率受到影響。

圖2 不同工況的最優(yōu)配氣正時(shí)

在圖1中，通過(guò)各個(gè)中期效率曲線，能夠發(fā)現(xiàn)基于不同配氣正時(shí)條件，轉(zhuǎn)速變化和充氣效率之間的關(guān)系。進(jìn)氣滯后角不同，相應(yīng)充氣效率的轉(zhuǎn)速最大值也會(huì)存在差異，通常在滯后角增加過(guò)程中，充氣效率最大值的轉(zhuǎn)速也會(huì)升高，40°滯后角曲線相比于60°滯后角曲線，相應(yīng)轉(zhuǎn)速為1800r/min、2200r/min。因?yàn)檗D(zhuǎn)速增加，使得氣流流速提升，若是滯后角足夠大則能夠?qū)Ω咚贇饬鬟M(jìn)行充分利用，使得充氣量增加。

（2）保證氣門疊開(kāi)角合理性。通過(guò)提高疊開(kāi)角的合理性，可以促使充氣系數(shù)進(jìn)一步提升，同時(shí)還應(yīng)該對(duì)高溫機(jī)件熱負(fù)荷進(jìn)行有效控制。見(jiàn)圖2。

為了保證中小負(fù)荷具有良好經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)該盡量調(diào)小疊開(kāi)角。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)研究發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率，可以充分提高燃料燃燒效率、發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能、能源消耗以及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率等情況。現(xiàn)階段，汽車行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，因此發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際充氣效率將會(huì)影響客戶對(duì)汽車性能的印象，相關(guān)人員應(yīng)該對(duì)該工作加以重視，進(jìn)而為汽車生產(chǎn)以及行業(yè)發(fā)展提供借鑒。