提高發動機充氣效率的措施

韓萌

摘 要：充氣效率是用來評價每循環新鮮充量吸入氣缸的能力，其大小直接影響內燃機的動力性。文章通過對充氣效率的公式進行推導，分析影響充氣效率的因素，最后提出提高內燃機充氣效率的措施。

關鍵詞：內燃機;充氣效率;提高措施

中圖分類號：U464? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）17-55-02

Measures to Improve the Engine Charging Efficiency

Han Meng

（ Shangqiu Institute Applied Science and Technology College， Henan Kaifeng 475000 ）

Abstract： The charging efficiency is used to evaluate the capacity of fresh intake cylinder per cycle， and it directly affects the dynamic performance of internal combustion engine. This paper deduces the formula of intake efficiency， analyzes the factors that affect the charging efficiency， and finally puts forward the measures to improve the charging efficiency.

Keywords： Internal combustion; Charging efficiency; Enhancement measures

CLC NO.： U464? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）17-55-02

1 概述

內燃機換氣過程的基本任務，就是盡可能排凈缸內廢氣，充入更多的新鮮氣體。但是在實際過程中，由于氣門開啟初期的節流損失大;且在整個排氣過程存在不可避免的流動損失;同時由于內燃機結構的原因導致殘余廢氣不可能排凈，所以充入氣缸的新鮮氣體不可能充滿氣缸工作容積。通常用殘余廢氣系數?r表示換氣過程的完善程度。另外，由于進氣終了時氣體壓力小于大氣壓力，氣體溫度高于大氣溫度，所以每循環實際進入氣缸的新鮮充量小于進氣狀態下充滿氣缸工作容積的理論充量，通常用充氣效率?c來評價進氣過程的完善程度。為了更有效地利用氣缸工作容積，應盡可能減小換氣過程中的流動損失，保證更多的新鮮氣體充入氣缸，這是保證內燃機動力性和經濟性的前提。

2 充氣效率

內燃機的充氣效率?c定義為，每循環實際進入氣缸的新鮮充量m1與進氣狀態下充滿氣缸工作容積的理論充量msh之比，即 。這里，對于自然吸氣內燃機而言，進氣狀態是指大氣狀態，而對增壓內燃機來說是指壓氣機的出口狀態[1]。

殘余廢氣系數?r是指氣缸內殘留的前一循環廢氣量mr和進入氣缸的新鮮充量m1之比，即 。氣缸內氣體總質量等于充入氣缸的新鮮充量m1和前一循環殘留的殘余廢氣量mr之和，即ma= m1+mr。則充氣效率的表達式，可改寫為：

（1）

式中，ρa、Va為進氣終了狀態下氣缸內的氣體密度和氣體容積;Va'為進氣門關閉時氣缸容積，ξ為有效進氣系數，? ;ρs、Vs為進氣狀態下氣體密度和氣缸工作容積;由理想氣體狀態方程PV=mRT得， ，根據壓縮比的定義ε=Va/Vc，其中，Vc指燃燒室容積，Vc=Va-Vs。則充氣效率的表達式可整理為：

（2）

3 影響充氣效率的因素

從上式可得，充氣效率主要與壓縮比，配氣相位，進氣終了的狀態，殘余廢氣系數等有關。

3.1 進氣終了狀態的密度ρa

充氣效率與ρa成正比，而ρa與進氣壓力和溫度之比成正比。采用增壓中冷技術，可直接提高ρa，有利于提高內燃機的充氣效率。進氣終了的壓力等于大氣壓力與進氣流動損失壓力之差，即Pa=Ps-?Pa，其中 。式中，ζ為進氣阻力系數，進氣管長度越長、轉彎半徑越小、管道內表面越粗糙，ζ越大;v為進氣管內氣體的平均流速（m/s），內燃機高速運行時，v增加，?Pa也明顯增加。

3.2 殘余廢氣系數?r和壓縮比

殘余廢氣占有一定的氣缸容積，阻礙進氣，另外，殘余廢氣對進入氣缸的新鮮氣體具有加熱作用，使進氣密度降低。因此，?r越大，充氣效率就越低。表1是不同類型的內燃機的殘余廢氣系數。

一般殘余廢氣系數?r主要與氣缸壓縮容積有關，當確定內燃機的壓縮比，則壓縮容積也就確定了。因此提高壓縮比可以降低殘余廢氣系數，有利于提高充氣效率[2]。

3.3 配氣定時

對于一定轉速，不同的氣流速度所對應的氣流慣性和動態效應的最佳進氣遲閉角也不一樣。為了利用慣性和波動效應多進氣，需要合理選擇配氣相位。

3.4 進氣狀態

進氣狀態對于自然吸氣式內燃機就是指大氣溫度和壓力。夏季與冬季相比，溫度高，充氣效率有所提高，但是氣體密度減小，充氣量有所降低，動力性下降。特別是在高原地區，空氣稀薄，因此需要采用增壓等相應的技術措施來保證高原地區內燃機的動力性。

4 提高充氣效率的措施

4.1 降低進氣系統的阻力損失，提高氣缸內進氣終了時的壓力

降低進氣門阻力損失的措施有：增加進氣門直徑、增加

進氣門數目、合理設計進氣道及氣門的結構等。另外，合理設計進氣道，使其形狀漸縮，內壁表面光滑，過度平穩，避免氣流急轉彎現象，對減小進氣系統阻力具有很重要的影響。對于空氣濾清器，在保證濾清效果、降低進氣噪聲的前提下盡可能減少空氣濾清器對空氣流動的阻力[2]。

4.2 采用可變進氣系統技術，獲得最大的充氣效率

獲得最大充氣效率要滿足的要求：

（1）低速時，采用較小的氣門疊開角以及較小的氣門升程，防止出現缸內新鮮充量向進氣系統的倒流，以便增加轉矩，提高燃油經濟性;

（2）高速時，應具有最大的氣門升程和進氣門遲閉角，以最大限度地減小流動阻力，充分利用過后充氣，提高充氣效率，以滿足動力性要求。

配合以上控制措施，對進氣門從開啟到關閉的持續期（又稱作用角）進行調整，以實現最佳的進氣定時。

4.3 有效利用進氣管的動態效應

進氣管的波動效應是指利用進氣門關閉之后在進氣管道內產生的壓力波動，來提高氣缸進氣量的方法，主要是靠進氣管長度來調整[3]。在不同的轉速下，為了充分利用進氣管道內氣流的波動效應來提高充氣效率，要求合理設計進氣管長度，因此采用可變長度進氣管。高速時，盡可能采用較短且大直徑的進氣管，以減小高速流動損失;低速時，采用較長且小直徑的進氣管，這有利于利用進氣壓力動態波動效應來提高充氣效率。

4.4 其它措施

（1）降低排氣系統的阻力損失，以減小缸內的殘余廢氣系數;

（2）減少高溫零件在進氣系統中對新鮮充量的加熱量，以降低進氣終了時氣體的溫度;

（3）采用進氣增壓及增壓中冷技術，提高進氣密度。

5 結論

對于內燃機，盡可能提高充氣效率是改善其性能的重要環節。本文根據充氣效率的定義及其影響因素的分析，提出提高充氣效率的措施，有以下幾個方面：減小進氣系統的阻力，合理選擇配氣定時，有效利用進氣管的動態效應等。

參考文獻

[1] 林學東.發動機原理（第6版）[M].北京：機械工業出版社，2018.

[2] 李強，俞小莉.發動機進氣系統結構參數優化設計與試驗[J].中國機械工程，2017（10）.

[3] 章玲莉，田帥，郭建東.進氣波動效應研究與應用[J].小型內燃機與車輛技術，2016（03）.