摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣性能改進(jìn)分析

汪允志

摘要：當(dāng)前摩托車為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)各方面性能，相關(guān)設(shè)計(jì)人員對(duì)摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)自身潛能進(jìn)行了挖掘，讓其發(fā)動(dòng)機(jī)向多氣門的方向發(fā)展，逐步深化摩托車的發(fā)動(dòng)機(jī)性能。摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷和低負(fù)荷之間存在一定差異性，在實(shí)際性能提升方面需要對(duì)其進(jìn)行綜合考慮，站在燃油的經(jīng)濟(jì)性和排放性方面進(jìn)行分析，其二者也是主要沖突之一，此類問(wèn)題不能僅只靠增減氣門數(shù)量進(jìn)行改善，需要從設(shè)計(jì)方案上入手。我國(guó)中小型發(fā)動(dòng)機(jī)自身具有一定劣勢(shì)，比如說(shuō)結(jié)構(gòu)的緊湊性，轉(zhuǎn)速較高等問(wèn)題，在結(jié)合布局問(wèn)題，嚴(yán)重制約了摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)工作。為了改變以上問(wèn)題本文先對(duì)凸輪進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，后又結(jié)合結(jié)構(gòu)問(wèn)題，在其范圍內(nèi)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)完善，改變發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣性能。

關(guān)鍵詞：摩托車;發(fā)動(dòng)機(jī);進(jìn)氣性能;改進(jìn)

引言：

摩托車在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速方面具有一定特點(diǎn)，比如說(shuō)整體轉(zhuǎn)速較快的問(wèn)題，一般情況下，轉(zhuǎn)速可以達(dá)到一分鐘一萬(wàn)轉(zhuǎn)的效果。摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)較為緊湊，一般發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)選擇兩氣門的結(jié)構(gòu)。此類發(fā)動(dòng)機(jī)自身能力較強(qiáng)，但由于進(jìn)氣門數(shù)量少的原因，進(jìn)氣的阻力較大，在性能方面會(huì)受到一定影響。因此需要改善摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣性能，以滿足摩托車實(shí)際需求;提高整體動(dòng)力性能，在改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要站在經(jīng)濟(jì)性和廢氣排放實(shí)際情況入手，必須符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，才可進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)工作。在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)改進(jìn)時(shí)，要確保改進(jìn)之后可以有明顯效果，滿足實(shí)際設(shè)計(jì)需求。

一、凸輪的改進(jìn)設(shè)計(jì)

對(duì)于摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)中的凸輪而言，此類凸輪具有一定特點(diǎn)，比如說(shuō)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量小，整體剛度大的優(yōu)勢(shì)，此過(guò)程中氣門整體升程較大，在高速內(nèi)燃機(jī)中可以發(fā)揮出實(shí)質(zhì)作用，因此也對(duì)摩托車自身較為有利。此類凸輪不僅可以滿足摩托車運(yùn)行需求，還能提高發(fā)動(dòng)機(jī)自身功能，所以也被廣泛應(yīng)用在摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)中。但是此類凸輪自身結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，凸輪輪廓會(huì)隨著氣門的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生自身運(yùn)動(dòng)規(guī)律，搖臂和凸輪、氣門方面都會(huì)隨著摩托車的運(yùn)行而發(fā)生一定的改變，比如說(shuō)位置問(wèn)題，位置問(wèn)題會(huì)直接影響凸輪的升程。在進(jìn)行進(jìn)氣凸輪設(shè)計(jì)工作時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要先確定氣門理論中所涵蓋的參數(shù)，然后再結(jié)合二者之間的關(guān)系，以此驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)關(guān)系，確定凸輪升程。

（一）氣門規(guī)律確定

在摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)中，如果不考慮配氣結(jié)構(gòu)發(fā)生形變問(wèn)題，那么氣門自身會(huì)隨著實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律形成相應(yīng)理論規(guī)律。發(fā)動(dòng)機(jī)為了滿足氣門自身功能實(shí)現(xiàn)，會(huì)有落座小和規(guī)避飛脫現(xiàn)象的要求，其中氣門理論運(yùn)動(dòng)規(guī)律也要隨著凸輪自身型線和多項(xiàng)組合內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，此項(xiàng)內(nèi)容也是氣門自身的特點(diǎn)。本文中選擇七項(xiàng)式高次方函數(shù)，確定氣門理論升程函數(shù)，計(jì)算需要結(jié)合中氣門理論升程進(jìn)行分析。在計(jì)算過(guò)程中為了滿足凸輪最大升程轉(zhuǎn)角的計(jì)算，設(shè)計(jì)人員還需以最開(kāi)始的轉(zhuǎn)角為基礎(chǔ)，繞凸輪一周，計(jì)算出凸輪軸轉(zhuǎn)角的函數(shù)。在計(jì)算過(guò)程中很多參量為待定參量，在計(jì)算時(shí)可以自行建立邊界條件，得出最終的結(jié)論。如果有確定的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，則可以應(yīng)用待定指數(shù)，算出正整數(shù)值，得出氣門理論升程中最為豐滿的系統(tǒng)值，此類數(shù)值最終可以通過(guò)最優(yōu)解進(jìn)行計(jì)算求解工作，建立出最優(yōu)化的設(shè)計(jì)模型，還能顯示出凸輪的最小曲率和最小曲率的半徑。結(jié)合相應(yīng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容，融入極限值計(jì)算最大加速度，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，還可通過(guò)氣門理論升程豐滿各項(xiàng)系數(shù)，通過(guò)指數(shù)和對(duì)應(yīng)系數(shù)的比值，確定氣門理論升程的函數(shù)。

（二）凸輪升程值

凸輪的升程值是通過(guò)氣門理論升程函數(shù)得出。搖臂驅(qū)動(dòng)氣門具體圖片如圖一所示。在搖臂簡(jiǎn)化圖中看出，將搖臂定義為一個(gè)支點(diǎn)，通過(guò)支點(diǎn)擺桿，再結(jié)合兩個(gè)擺針讓其在凸輪表面形成垂直狀態(tài)，最終使其垂直方向與氣門桿端面達(dá)成平行狀態(tài)。在此過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，氣門中心線是垂直線，垂直線與擺針的延長(zhǎng)線形成了交叉的點(diǎn)，將各類線條連接，發(fā)現(xiàn)其最終形成了一個(gè)三角形。在對(duì)比兩個(gè)三角形相互關(guān)系時(shí)，可以結(jié)合各項(xiàng)數(shù)據(jù)求出凸輪的升程值。

（三）凸輪設(shè)計(jì)

結(jié)合上述中各類設(shè)計(jì)方法，相關(guān)改進(jìn)人員對(duì)摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)中的凸輪進(jìn)行了改進(jìn)工作，改進(jìn)工作要與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)相吻合，不得改進(jìn)其他構(gòu)件，改進(jìn)還需結(jié)合我國(guó)國(guó)家相關(guān)構(gòu)件數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，滿足最終改進(jìn)需求。新設(shè)計(jì)凸輪的氣門理論運(yùn)動(dòng)升程加速圖，如圖2所示。在新設(shè)計(jì)中不難看出，凸輪的氣門升程豐滿系數(shù)較高，并且在正加速度寬度方面也有了新的轉(zhuǎn)變，其中最大加速度和緩沖段的終點(diǎn)速度都發(fā)生了變化。在設(shè)計(jì)工作中各類設(shè)計(jì)參數(shù)特點(diǎn)可以從圖中看出，氣門理論升程函數(shù)中的各類參數(shù)均在增加，所以在優(yōu)化設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)最終的系數(shù)也會(huì)發(fā)生提高，最終讓氣門開(kāi)啟后的面值不斷增大，此時(shí)改變發(fā)動(dòng)機(jī)自身性能則可以滿足近期性的功能需求。

在氣門理論運(yùn)動(dòng)規(guī)律中，如果正加速度中寬度增加，那么最大加速度的值就會(huì)與摩托車原發(fā)動(dòng)機(jī)相吻合。改進(jìn)設(shè)計(jì)工作中所得出的各類參數(shù)是凸輪配氣結(jié)構(gòu)中的與動(dòng)力學(xué)有關(guān)的數(shù)值，此項(xiàng)改善工作主要目的是為了改善傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)中弊端，提高原發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。改進(jìn)人員為了驗(yàn)證新設(shè)計(jì)后的凸輪對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，試驗(yàn)人員還需對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)，將其放置試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)測(cè)試，確保發(fā)動(dòng)機(jī)在各種轉(zhuǎn)速下的充氣情況。隨著充氣效率和質(zhì)量的改變，整體數(shù)據(jù)也形成了曲線，在曲線中看出新設(shè)計(jì)出的凸輪與傳統(tǒng)凸輪相比較，發(fā)動(dòng)機(jī)在充氣效率方面有所改善，尤其是在高轉(zhuǎn)速的情況下，充氣效率已肉眼可見(jiàn)的速度提高。

二、進(jìn)氣系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

對(duì)于摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)而言，高負(fù)荷的工作會(huì)讓其產(chǎn)生進(jìn)氣諧振現(xiàn)象，此類現(xiàn)象嚴(yán)重影響了操作者的使用感，為了規(guī)避這一類問(wèn)題，本文對(duì)摩托車進(jìn)氣系統(tǒng)作出了改進(jìn)設(shè)計(jì)。進(jìn)氣系統(tǒng)在進(jìn)氣過(guò)程中，活塞在進(jìn)行下行運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)使其進(jìn)氣管內(nèi)發(fā)生膨脹問(wèn)題，膨脹問(wèn)題主要由膨脹波引起。膨脹波在進(jìn)氣系統(tǒng)中會(huì)形成反射現(xiàn)象，反射現(xiàn)象主要是在開(kāi)口端，后期還會(huì)形成壓縮波問(wèn)題，壓縮波最后向氣缸的方向傳播。

在一定條件下，壓縮波強(qiáng)度較大的變化直接制約發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)工作，進(jìn)氣處如果壓力較大的話，會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量，進(jìn)氣量的增加會(huì)提高充氣效率，充氣效率在壓力管道中的運(yùn)行一般是兩個(gè)來(lái)回，此傳播流程也是一個(gè)傳播周期，因此可以通過(guò)改變壓力波的振動(dòng)頻率，改善諧振現(xiàn)象，從而改進(jìn)充氣效率，讓其充氣效率有所提升，并且達(dá)到最大值。

在對(duì)比頻率方面，摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定的轉(zhuǎn)速應(yīng)該在規(guī)定范圍內(nèi)，其中管內(nèi)的空氣會(huì)由于溫度的變化而變化，所以可以從改變進(jìn)氣管道的長(zhǎng)度完善此項(xiàng)內(nèi)容。在改進(jìn)工作之中，綜合考慮了進(jìn)氣管道長(zhǎng)度問(wèn)題后，發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣管道分為進(jìn)氣道、進(jìn)氣管、化油器等部分，各類部件的結(jié)合，使其進(jìn)氣管的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，如果想要改變進(jìn)氣管的長(zhǎng)度，需要結(jié)合充氣效率合理改進(jìn)。充氣效率要結(jié)合摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下所形成數(shù)據(jù)，將其整合成為曲線圖，通過(guò)曲線圖實(shí)際情況，分辨出數(shù)值。

與傳統(tǒng)的進(jìn)氣管設(shè)計(jì)方案相比較，如果進(jìn)氣管的長(zhǎng)度加長(zhǎng)，那么摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)中的充氣效率就會(huì)發(fā)生改善，整體充氣效率有所提升，此時(shí)如果轉(zhuǎn)速超過(guò)規(guī)定轉(zhuǎn)速后，充氣效率則會(huì)開(kāi)始下降，并且以最快的速度下降，此時(shí)進(jìn)氣管中的充氣效率有明顯下降趨勢(shì)，并且效率波動(dòng)很難被發(fā)現(xiàn)，甚至還會(huì)降低到最低點(diǎn)?？偠灾?，無(wú)論任何方案進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的改變工作，都需結(jié)合進(jìn)氣管長(zhǎng)度進(jìn)行改善，其中充氣效率狀態(tài)在不斷改變下，摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就會(huì)提升，因此進(jìn)氣管是當(dāng)前摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)改善的根本，需要得到相關(guān)設(shè)計(jì)人員的重視。

在進(jìn)氣通路設(shè)計(jì)時(shí)，通常比較重視氣缸頭進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)，而忽略了進(jìn)氣管的設(shè)計(jì)，實(shí)際上在進(jìn)氣通路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)，包含自喉口至氣門的整個(gè)通路，要保證整個(gè)通路的走勢(shì)順暢，且截面過(guò)渡順滑，各關(guān)鍵部位的截面積比例分布均勻，各部件連接處應(yīng)保證不能存在逆向臺(tái)階的基本要求，設(shè)計(jì)時(shí)考慮尺寸散差的影響，通常上游部件的截面要大于下游部件界面0.5mm左右，在確定完進(jìn)氣通路整體布局、走勢(shì)、截面積比例關(guān)系后，要對(duì)氣道各截面的流速進(jìn)行計(jì)算，確保氣道具有較高的進(jìn)氣流速，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)能獲得相對(duì)較高的氣流速度，形成較高的湍動(dòng)能，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)的性能，以及部分負(fù)荷時(shí)的過(guò)渡性，并且可以提高燃燒效率，獲得較好的燃油經(jīng)濟(jì)性。下圖三是基于上述設(shè)計(jì)原則對(duì)進(jìn)氣管及整個(gè)進(jìn)氣通路進(jìn)行優(yōu)化后的性能對(duì)比圖;新方案是包含進(jìn)氣凸輪優(yōu)化設(shè)計(jì)以及進(jìn)氣管和整個(gè)進(jìn)氣通路的優(yōu)化設(shè)計(jì)的綜合方案，新的進(jìn)氣管改變了傳統(tǒng)進(jìn)氣管的設(shè)計(jì)，采用了倒錐形的氣道，并且進(jìn)行了加長(zhǎng)，其中錐體大端與化油器相連，經(jīng)過(guò)計(jì)算及氣道的優(yōu)化設(shè)計(jì)，消除常用轉(zhuǎn)速工況下的諧振效應(yīng);新方案在各轉(zhuǎn)速下，充氣效率及進(jìn)氣流速均得到了較大的提高，整體效果較為明顯，經(jīng)過(guò)優(yōu)化，發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能得到了明顯的提升。綜合以上改進(jìn)措施，提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的核心是改善其進(jìn)氣，應(yīng)對(duì)整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行綜合考慮，整體優(yōu)化設(shè)計(jì)，而不應(yīng)執(zhí)著與某一個(gè)孤立的部件或參數(shù)。

結(jié)論：在凸輪設(shè)計(jì)中，應(yīng)用了七項(xiàng)式高次方函數(shù)為后續(xù)氣門理論升程函數(shù)提供了理論依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)氣門開(kāi)啟時(shí)的面值需求，改變了摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣功能。高轉(zhuǎn)速的摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)，一直有明顯的諧振情況，為了規(guī)避此類現(xiàn)象，相關(guān)設(shè)計(jì)人員改變了進(jìn)氣管的長(zhǎng)度，在改善之后，實(shí)驗(yàn)表明了以上兩個(gè)構(gòu)件的改善提高了發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能，并且也讓各項(xiàng)問(wèn)題得到了解決。

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