影響發動機充氣效率的因素及提高方案

樊 偉

（許昌電氣職業學院，河南 許昌 461000）

前言

將缸內廢氣完全排出，并將新鮮氣體充入缸內是內燃機換氣工作的基本要求[1]。然而在實際操作中，因為氣門開啟過程中節流損失比較大，同時在進行排氣時無法控制流動損失，另外，因為內燃機結構因素使得廢氣無法得到充分排除，因此新鮮氣體無法充滿缸內容積。所以為了保證氣缸容積得到充分利用，需要對換氣環節中流動損失進行有效控制，確保氣缸中可以流進更多氣體，為發動機經濟性與動力性提供保障。

1 發動機換氣原理

對于發動機換氣過程主要涵蓋排氣、強制排氣以及進氣、氣門重疊四個環節[2]。主要任務就是將氣缸內廢氣充分排出，并盡量將新鮮空氣沖入氣缸內。只有保證進入氣缸內空氣數量，才能夠充分燃燒并充分放熱，進而促使發動機扭矩與功率得到有效提升，這也是確保發動機性能充分發揮的基礎。其中，在換氣環節中也會出現排氣損失與進氣損失，其中排氣損失在發動機充氣效率方面有著較大影響。

2 發動機的充氣效率影響因素

2.1 進氣終了壓力影響

進氣終了條件，活塞在下止點位置情況下，與大氣壓相比，缸內壓力較小，主要由于新鮮氣體進入氣缸時需要克服氣流慣性與流動阻力。若是進氣體系阻力增加，那么新進混合氣體會隨之減少，就會對沖效率產生一定影響。

進氣體系阻力主要受到其自身結構所影響。例如，氣流通過各種形式空氣濾清器過程中，會受到相應進氣阻力[3]。在進氣系統中，進氣門口的流通截面積是最小的，其進氣阻力也相對最大。

而進氣阻力還會受到發動機轉速影響，不斷提高轉速過程中，新空氣流速變大，而相應流動損失也會隨之增加，進氣的終了壓力會快速降低。

發動機的負荷出現變化之后，汽油機主要通過對氣節門開度進行轉變，對氣缸中混合氣量進行調節，進而實現負荷調整，在汽車勻速行駛行在阻力減小的公路過程中，通過將氣節門開度關閉保證轉速始終保持不變，使得終了氣體的壓力受到影響。

2.2 終了溫度影響

因為高溫廢氣以及缸壁高溫機件會對新進氣體產生加熱效應，導致終了活塞位于下止點情況下的氣缸氣體溫度超出了大氣溫度，使得缸內氣體密度降低，導致充氣系數減小。在轉速加大，負荷不變情況下，新鮮氣體和高溫機件僅存在短暫接觸，并不會快速升溫。在負荷增加，而轉速不變情況下，因為缸壁溫度增加，導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，因為排氣系統阻力原因，導致廢氣氣壓比大氣壓高，其中排氣閥位置的阻力最大，隨著轉速增加，流動阻力也會隨之增加，而廢氣壓力也隨之增加。在廢氣壓力增加過程中，其密度會增加，會殘留更多廢氣，因此新鮮空氣氣量會隨之減少，使得充氣效率受到影響。同時，如果廢氣較多，那么會導致充氣減少，同時對混合氣質量產生一定影響，對正常燃燒造成破壞。

3 提高充氣效率的策略

3.1 控制進氣體系流動損失

3.1.1 控制進氣門位置流動損失

首先，調整進氣門的直徑，同時保證排氣門大小合適。其次，調整進氣門的數量。選擇2排2進結構，相比于2氣門/氣缸，4氣門/氣缸發動機，基于氣門直徑一致條件，能夠增加30%進氣門面積、40%排氣門面積，可以保證換氣工作順利開展。再次，提高氣門行程。對氣門行程進行科學調整，對凸輪輪廓進行優化，基于慣性力允許條件，提高氣門閉合、開啟速度。進而強化氣門位置通過水平，控制進氣阻力。最后，調整氣門錐角。通常錐角設計為45°，基于氣門升程一致條件，通過降低錐角能夠使通過斷面增加。

3.1.2 控制進氣管與進氣道阻力

首先，控制空氣濾清器阻力，對于濾清器，在保證濾清質量基礎上，對其阻力進行控制。其次，保證通道面積，氣缸蓋與進氣管的進氣道，應該確保其通道面積充足，進而降低進氣阻力。再次，控制界面突變與彎道。要想保證進氣阻力得到有效控制，進氣管道應該控制流通截面突變、急轉彎等問題。最后，保證管道內壁光滑。若是氣道內壁粗糙，則會影響氣流實際流動損失。

3.2 控制新空氣熱傳導

保證冷卻系統始終保持良好運行狀態，避免發動機溫度過度升高。控制在新空氣方面的熱傳導問題。能夠對進氣的終了溫度進行有效控制，促使新空氣密度增加，進而實現充氣效率提升的目標。

3.3 控制排氣系統的氣流阻力

（1）控制排氣管道阻力，防止出現排氣管道內出現凸臺、急轉彎以及截面凸起等不良現象，進而實現排氣阻力控制。

（2）控制排氣門位置阻力。對于排氣系統，排氣門位置流通的截面積最小，需要制定合理方法對排氣阻力進行控制。可以選擇四氣門結構或是增加氣門升程，均可以保證充氣效率。

3.4 科學確定配氣正時

（1）對于進氣門延遲閉合，主要是為了通過高速氣流慣性，提高每個循環中的氣量。因為在發動機轉速存在差異的條件下，氣流慣性也存在差異，所以需要根據轉速設計進氣遲閉角。傳統發動機，由于在曲軸/配氣系統限制下，發動機工作過程中，配氣正時不會出現變化，因此充氣效率僅會在某個轉速下達到最大值。若是發動機超出該轉速工作，那么氣流慣性升高，但是遲閉角并不發生變化，導致氣流慣性無法得到充分利用。另外，轉速升高過程中，流動阻力也會升高，對充氣效率造成影響。若是發動機低于該轉速工作，則氣流慣性會降低，使得遲閉角與氣流情況不相符，造成新空氣倒流現象，因此會降低沖洗效率，見下圖。

圖1 進氣門滯后角變化對發動機功率與充氣效率產生的影響

上圖中ηv曲線代表基于相關配氣正時條件，轉速變化和充氣效率之間的關系，例如，在滯后角是40°條件下，在1800r/min轉速條件下，充氣效率達到最值，表明基于此轉速讓發動機工作，可以保證慣性得到充分利用。若是轉速超出高標準，氣流慣性升高，導致一些能夠借助慣性流進氣缸的氣體無法進入氣缸中，同時由于轉速升高，使得流動阻力加大，因此充氣效率受到影響。

圖2 不同工況的最優配氣正時

在圖1中，通過各個中期效率曲線，能夠發現基于不同配氣正時條件，轉速變化和充氣效率之間的關系。進氣滯后角不同，相應充氣效率的轉速最大值也會存在差異，通常在滯后角增加過程中，充氣效率最大值的轉速也會升高，40°滯后角曲線相比于60°滯后角曲線，相應轉速為1800r/min、2200r/min。因為轉速增加，使得氣流流速提升，若是滯后角足夠大則能夠對高速氣流進行充分利用，使得充氣量增加。

（2）保證氣門疊開角合理性。通過提高疊開角的合理性，可以促使充氣系數進一步提升，同時還應該對高溫機件熱負荷進行有效控制。見圖2。

為了保證中小負荷具有良好經濟性，應該盡量調小疊開角。

4 結語

綜上所述，通過研究發動機的充氣效率，可以充分提高燃料燃燒效率、發動機工作性能、能源消耗以及發動機運行效率等情況。現階段，汽車行業的競爭非常激烈，因此發動機實際充氣效率將會影響客戶對汽車性能的印象，相關人員應該對該工作加以重視，進而為汽車生產以及行業發展提供借鑒。