摩托車發動機進氣性能改進分析

汪允志

摘要：當前摩托車為了提高發動機各方面性能，相關設計人員對摩托車發動機自身潛能進行了挖掘，讓其發動機向多氣門的方向發展，逐步深化摩托車的發動機性能。摩托車發動機高負荷和低負荷之間存在一定差異性，在實際性能提升方面需要對其進行綜合考慮，站在燃油的經濟性和排放性方面進行分析，其二者也是主要沖突之一，此類問題不能僅只靠增減氣門數量進行改善，需要從設計方案上入手。我國中小型發動機自身具有一定劣勢，比如說結構的緊湊性，轉速較高等問題，在結合布局問題，嚴重制約了摩托車發動機的設計工作。為了改變以上問題本文先對凸輪進行了改進設計，后又結合結構問題，在其范圍內對發動機進氣系統進行設計完善，改變發動機的進氣性能。

關鍵詞：摩托車;發動機;進氣性能;改進

引言：

摩托車在發動機轉速方面具有一定特點，比如說整體轉速較快的問題，一般情況下，轉速可以達到一分鐘一萬轉的效果。摩托車發動機結構較為緊湊，一般發動機會選擇兩氣門的結構。此類發動機自身能力較強，但由于進氣門數量少的原因，進氣的阻力較大，在性能方面會受到一定影響。因此需要改善摩托車發動機的進氣性能，以滿足摩托車實際需求;提高整體動力性能，在改進設計時，設計人員需要站在經濟性和廢氣排放實際情況入手，必須符合國家相關標準，才可進行改進設計工作。在進行發動機進氣系統改進時，要確保改進之后可以有明顯效果，滿足實際設計需求。

一、凸輪的改進設計

對于摩托車發動機中的凸輪而言，此類凸輪具有一定特點，比如說運動質量小，整體剛度大的優勢，此過程中氣門整體升程較大，在高速內燃機中可以發揮出實質作用，因此也對摩托車自身較為有利。此類凸輪不僅可以滿足摩托車運行需求，還能提高發動機自身功能，所以也被廣泛應用在摩托車發動機中。但是此類凸輪自身結構較為復雜，凸輪輪廓會隨著氣門的運動產生自身運動規律，搖臂和凸輪、氣門方面都會隨著摩托車的運行而發生一定的改變，比如說位置問題，位置問題會直接影響凸輪的升程。在進行進氣凸輪設計工作時，設計人員需要先確定氣門理論中所涵蓋的參數，然后再結合二者之間的關系，以此驅動傳動關系，確定凸輪升程。

（一）氣門規律確定

在摩托車發動機中，如果不考慮配氣結構發生形變問題，那么氣門自身會隨著實際運動規律形成相應理論規律。發動機為了滿足氣門自身功能實現，會有落座小和規避飛脫現象的要求，其中氣門理論運動規律也要隨著凸輪自身型線和多項組合內容進行設計工作，此項內容也是氣門自身的特點。本文中選擇七項式高次方函數，確定氣門理論升程函數，計算需要結合中氣門理論升程進行分析。在計算過程中為了滿足凸輪最大升程轉角的計算，設計人員還需以最開始的轉角為基礎，繞凸輪一周，計算出凸輪軸轉角的函數。在計算過程中很多參量為待定參量，在計算時可以自行建立邊界條件，得出最終的結論。如果有確定的參數進行計算，則可以應用待定指數，算出正整數值，得出氣門理論升程中最為豐滿的系統值，此類數值最終可以通過最優解進行計算求解工作，建立出最優化的設計模型，還能顯示出凸輪的最小曲率和最小曲率的半徑。結合相應的數據內容，融入極限值計算最大加速度，從而優化設計問題，還可通過氣門理論升程豐滿各項系數，通過指數和對應系數的比值，確定氣門理論升程的函數。

（二）凸輪升程值

凸輪的升程值是通過氣門理論升程函數得出。搖臂驅動氣門具體圖片如圖一所示。在搖臂簡化圖中看出，將搖臂定義為一個支點，通過支點擺桿，再結合兩個擺針讓其在凸輪表面形成垂直狀態，最終使其垂直方向與氣門桿端面達成平行狀態。在此過程中發現，氣門中心線是垂直線，垂直線與擺針的延長線形成了交叉的點，將各類線條連接，發現其最終形成了一個三角形。在對比兩個三角形相互關系時，可以結合各項數據求出凸輪的升程值。

（三）凸輪設計

結合上述中各類設計方法，相關改進人員對摩托車發動機中的凸輪進行了改進工作，改進工作要與相關標準相吻合，不得改進其他構件，改進還需結合我國國家相關構件數據標準進行，滿足最終改進需求。新設計凸輪的氣門理論運動升程加速圖，如圖2所示。在新設計中不難看出，凸輪的氣門升程豐滿系數較高，并且在正加速度寬度方面也有了新的轉變，其中最大加速度和緩沖段的終點速度都發生了變化。在設計工作中各類設計參數特點可以從圖中看出，氣門理論升程函數中的各類參數均在增加，所以在優化設計中結構最終的系數也會發生提高，最終讓氣門開啟后的面值不斷增大，此時改變發動機自身性能則可以滿足近期性的功能需求。

在氣門理論運動規律中，如果正加速度中寬度增加，那么最大加速度的值就會與摩托車原發動機相吻合。改進設計工作中所得出的各類參數是凸輪配氣結構中的與動力學有關的數值，此項改善工作主要目的是為了改善傳統發動機中弊端，提高原發動機的性能。改進人員為了驗證新設計后的凸輪對發動機的影響，試驗人員還需對其進行試驗，將其放置試驗臺，通過測試，確保發動機在各種轉速下的充氣情況。隨著充氣效率和質量的改變，整體數據也形成了曲線，在曲線中看出新設計出的凸輪與傳統凸輪相比較，發動機在充氣效率方面有所改善，尤其是在高轉速的情況下，充氣效率已肉眼可見的速度提高。

二、進氣系統的改進設計

對于摩托車發動機進氣系統而言，高負荷的工作會讓其產生進氣諧振現象，此類現象嚴重影響了操作者的使用感，為了規避這一類問題，本文對摩托車進氣系統作出了改進設計。進氣系統在進氣過程中，活塞在進行下行運動時，會使其進氣管內發生膨脹問題，膨脹問題主要由膨脹波引起。膨脹波在進氣系統中會形成反射現象，反射現象主要是在開口端，后期還會形成壓縮波問題，壓縮波最后向氣缸的方向傳播。

在一定條件下，壓縮波強度較大的變化直接制約發動機進氣系統工作，進氣處如果壓力較大的話，會增加發動機的進氣量，進氣量的增加會提高充氣效率，充氣效率在壓力管道中的運行一般是兩個來回，此傳播流程也是一個傳播周期，因此可以通過改變壓力波的振動頻率，改善諧振現象，從而改進充氣效率，讓其充氣效率有所提升，并且達到最大值。

在對比頻率方面，摩托車發動機標定的轉速應該在規定范圍內，其中管內的空氣會由于溫度的變化而變化，所以可以從改變進氣管道的長度完善此項內容。在改進工作之中，綜合考慮了進氣管道長度問題后，發現進氣管道分為進氣道、進氣管、化油器等部分，各類部件的結合，使其進氣管的長度較長，如果想要改變進氣管的長度，需要結合充氣效率合理改進。充氣效率要結合摩托車發動機不同運動狀態下所形成數據，將其整合成為曲線圖，通過曲線圖實際情況，分辨出數值。

與傳統的進氣管設計方案相比較，如果進氣管的長度加長，那么摩托車發動機中的充氣效率就會發生改善，整體充氣效率有所提升，此時如果轉速超過規定轉速后，充氣效率則會開始下降，并且以最快的速度下降，此時進氣管中的充氣效率有明顯下降趨勢，并且效率波動很難被發現，甚至還會降低到最低點。總而言之，無論任何方案進行發動機的改變工作，都需結合進氣管長度進行改善，其中充氣效率狀態在不斷改變下，摩托車發動機轉速就會提升，因此進氣管是當前摩托車發動機設計改善的根本，需要得到相關設計人員的重視。

在進氣通路設計時，通常比較重視氣缸頭進氣道的設計，而忽略了進氣管的設計，實際上在進氣通路設計時，應考慮整個進氣系統，包含自喉口至氣門的整個通路，要保證整個通路的走勢順暢，且截面過渡順滑，各關鍵部位的截面積比例分布均勻，各部件連接處應保證不能存在逆向臺階的基本要求，設計時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，在確定完進氣通路整體布局、走勢、截面積比例關系后，要對氣道各截面的流速進行計算，確保氣道具有較高的進氣流速，從而保證發動機燃燒室內能獲得相對較高的氣流速度，形成較高的湍動能，以提高發動機低速時的性能，以及部分負荷時的過渡性，并且可以提高燃燒效率，獲得較好的燃油經濟性。下圖三是基于上述設計原則對進氣管及整個進氣通路進行優化后的性能對比圖;新方案是包含進氣凸輪優化設計以及進氣管和整個進氣通路的優化設計的綜合方案，新的進氣管改變了傳統進氣管的設計，采用了倒錐形的氣道，并且進行了加長，其中錐體大端與化油器相連，經過計算及氣道的優化設計，消除常用轉速工況下的諧振效應;新方案在各轉速下，充氣效率及進氣流速均得到了較大的提高，整體效果較為明顯，經過優化，發動機整機性能得到了明顯的提升。綜合以上改進措施，提高發動機性能的核心是改善其進氣，應對整個進氣系統進行綜合考慮，整體優化設計，而不應執著與某一個孤立的部件或參數。

結論：在凸輪設計中，應用了七項式高次方函數為后續氣門理論升程函數提供了理論依據，從而實現氣門開啟時的面值需求，改變了摩托車發動機的進氣功能。高轉速的摩托車發動機，一直有明顯的諧振情況，為了規避此類現象，相關設計人員改變了進氣管的長度，在改善之后，實驗表明了以上兩個構件的改善提高了發動機整體性能，并且也讓各項問題得到了解決。

參考文獻：

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