發(fā)動(dòng)機(jī)排氣節(jié)氣門的研究

摘要：通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)、排氣系統(tǒng)的理論研究和探索，論證排氣通道可調(diào)截面積理論較好解決發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速的排氣量與固定排氣通道截面積不匹配的矛盾。該理論可通過采用排氣節(jié)氣門技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，排氣節(jié)氣門可使發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)排氣通道截面積，減少排氣損失、提高有效輸出功率的比例、提升最大輸出功率。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī);排氣系統(tǒng);排氣阻力;排氣量;排氣節(jié)氣門

目前，大部分汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣通道的截面積都是固定不變的，在排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，排氣通道固定截面積只能在某一轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的排氣損失降至最小。而在車輛運(yùn)行時(shí)，車輛對(duì)動(dòng)力的需求是隨著路況的變化而變化的;發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣排放量也是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加面增大的。那么，在排氣通道截而積不變的情況下：其結(jié)果是：1、排氣阻力（背壓）隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高而增大;2、自由排氣量的比例隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高而減少;3、強(qiáng)制排氣量比例隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高而增大;4、強(qiáng)制排氣損失隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高而大幅增加[1]。該技術(shù)優(yōu)于在排氣管道中設(shè)置泄壓閥，但在打開旁通氣道前仍存在著固定排氣通道截面積的全部缺陷。

至今仍未有妥善的解決方法情況下，現(xiàn)研究出有效解決上述矛盾的理論和技術(shù)方案。

一、現(xiàn)有的排氣系統(tǒng)工作原理分析

現(xiàn)有排氣系統(tǒng)作用，可在發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)轉(zhuǎn)速都可使氣缸內(nèi)的換氣工作狀態(tài)最接近理想的換氣工作狀態(tài)，并使排氣損失降至最小。理想的換氣工作狀態(tài)是在排氣門剛完成關(guān)閉時(shí)，廢氣剛好全部排出缸外，新鮮空氣流剛好到達(dá)排氣門，此時(shí)，新鮮空氣量最大，換氣效率最高。

1.在現(xiàn)有車用發(fā)動(dòng)機(jī)固定排氣通道截面積的排氣系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱原系統(tǒng)）。怠速時(shí)，由于排氣量最小，排氣阻力最小，排氣絕對(duì)時(shí)間最長(zhǎng)，氣缸內(nèi)的換氣工作狀態(tài)接近理想的換氣工作狀態(tài)。

從怠速逐漸增加至最大功率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速時(shí)，排氣絕對(duì)時(shí)間不斷減少、排氣阻力不斷增大，慣性排氣時(shí)間縮短;缸內(nèi)殘留廢氣不斷接近最大值，氣缸內(nèi)的換氣工作狀態(tài)。

2.單純減少排氣背壓的排氣系統(tǒng)。在排氣系統(tǒng)中通過不安裝消聲器，改裝后，摩托車在路上慢行，都會(huì)不斷出現(xiàn)轟油門（節(jié)氣門）操作，繼而發(fā)出雷鳴般排氣聲。究其原因：怠速時(shí)，由于不安裝消聲器，排氣阻力大幅減少，廢氣排出以高速運(yùn)行，在排氣門關(guān)閉時(shí)部分新空氣己被帶出氣缸外。結(jié)果使氣缸內(nèi)實(shí)際壓比下降，改裝后要重新設(shè)定轉(zhuǎn)速要高于改裝前的怠速。

這種簡(jiǎn)單地采用減小排氣阻力的改裝，是達(dá)到了增加了最大輸出功率的目的，缺陷油耗增加，在怠速至原狀態(tài)前的轉(zhuǎn)速區(qū)域中，各轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的扭矩偏低，實(shí)踐反映，改裝后的車輛起步加速需要有較改裝前更高的轉(zhuǎn)速，中速之后的加速反應(yīng)比改裝前的更快。

3.采用在排氣管道中設(shè)置電磁閥的改裝[2]。通過增加電控排氣通道對(duì)排氣系統(tǒng)的改裝，是在保持改裝前在低轉(zhuǎn)速至中轉(zhuǎn)速區(qū)域的輸出扭矩的基礎(chǔ)上，可在中、高轉(zhuǎn)速區(qū)域增大排氣通道截面積，以達(dá)到增大原最大輸出功率對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速的輸出扭矩的目的。

電控排氣通道開通的轉(zhuǎn)速至改裝前的最大功率的轉(zhuǎn)速區(qū)間，由于排氣通道截面積增大了，使得改裝后的排氣阻力、強(qiáng)制排氣損失均小于改裝前;氣缸在該轉(zhuǎn)速區(qū)間的各轉(zhuǎn)速，其換氣工作狀態(tài)比改裝前更接近理想工作狀態(tài)，導(dǎo)致燃燒狀況優(yōu)于改裝前、燃燒熱效率高于改裝前、有效輸出功率比例大于改裝前、在原最大輸出功率轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的輸出扭矩大于改裝前。

二、排氣節(jié)氣門的排氣系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱可變排氣系統(tǒng)）

可調(diào)排氣通道截面積理論是：排氣系統(tǒng)可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)整排氣通道截面積，令各個(gè)轉(zhuǎn)速都有最佳排氣通道截面積，使發(fā)動(dòng)機(jī)在各個(gè)轉(zhuǎn)速時(shí)的氣缸內(nèi)換氣工作狀態(tài)都更接近理想的換氣工作狀態(tài)[3]。

1.現(xiàn)有最接近實(shí)現(xiàn)可調(diào)排氣通道截面積理論的可變排氣系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)方案是在排氣系統(tǒng)中加入排氣節(jié)氣門裝置，可變排氣系統(tǒng)的最大排氣通道截面積比原系統(tǒng)的排氣通道截面積要大，可變排氣系統(tǒng)可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速的排氣需求，通過調(diào)整節(jié)氣門開度，使各個(gè)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的排氣通道截面積可在最大排氣通道截面積與最小排氣通道截面積范圍內(nèi)調(diào)整。

2.與原系統(tǒng)相比，可變排氣系統(tǒng)具有的性能是，可在原最大功率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速時(shí)，有更大的排氣通道截面積，使排氣阻力減至更小;從而使發(fā)動(dòng)機(jī)可在高轉(zhuǎn)速、大負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生更多的自由排氣量、更少的強(qiáng)制排氣損失、保持慣性排氣時(shí)間不變，在各個(gè)轉(zhuǎn)速下，都可使氣缸內(nèi)的換氣工作狀態(tài)比原系統(tǒng)最接近理想的換氣工作狀態(tài)。

3.排氣節(jié)氣門的工作原理：怠速時(shí)，排氣節(jié)氣門關(guān)閉，排氣通道截面積為基本通氣孔，由于排氣量最小，排氣阻力最小，排氣絕對(duì)時(shí)間最長(zhǎng)，氣缸內(nèi)的換氣工作狀態(tài)接近理想的換氣工作狀態(tài)。

三、采用排氣節(jié)氣門的理論依據(jù)

1.已知的換氣理論：“排氣損失由提前排氣損失和強(qiáng)制排氣損失組成”[1]?！白罴训呐艢鈸p失是提前排氣損失與強(qiáng)制排氣損失之和為最小” [1]。最佳的排氣提前角“應(yīng)隨轉(zhuǎn)速提高適當(dāng)增大排氣提前角。”[1]如排氣提前角不隨轉(zhuǎn)速的增加而增大的話，將大大增加強(qiáng)制排氣損失。

2.當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣提前角固定時(shí)，則只有一個(gè)最佳轉(zhuǎn)速可滿足“排氣損失是提前排氣損失與強(qiáng)制排氣損失之和為最小”的理論。

四、結(jié)論

經(jīng)過分析和研究，論證可變排氣系統(tǒng)與原系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的差別，以及其可變排氣系統(tǒng)比原系統(tǒng)更先進(jìn)的理論依據(jù)。結(jié)論如下：

1.在動(dòng)力性方面：由于原系統(tǒng)的排氣阻力隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)升高而增大的，會(huì)妨礙發(fā)動(dòng)機(jī)的最大輸出功率和有效輸出功率。所以，可變排氣系統(tǒng)可隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高而增大排氣通道截面積，致使排氣阻力隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)升高而增大的絕對(duì)值小于原系統(tǒng)，使排氣損失小于原系統(tǒng)。

2.可變排氣系統(tǒng)具有可調(diào)排氣通道截面積的功能，既保障了發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)的輸出扭矩不下降，又可以減緩排氣阻力隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而增大的效應(yīng)。

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