發(fā)動機排氣節(jié)氣門的研究

摘要：通過對發(fā)動機的進、排氣系統(tǒng)的理論研究和探索，論證排氣通道可調截面積理論較好解決發(fā)動機各轉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)氣門技術來實現(xiàn)，排氣節(jié)氣門可使發(fā)動機實現(xiàn)自動調節(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。

關鍵詞：內燃機;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)動機的排氣通道的截面積都是固定不變的，在排氣系統(tǒng)設計時，排氣通道固定截面積只能在某一轉速所對應的排氣損失降至最小。而在車輛運行時，車輛對動力的需求是隨著路況的變化而變化的;發(fā)動機的廢氣排放量也是隨著發(fā)動機轉速的增加面增大的。那么，在排氣通道截而積不變的情況下：其結果是：1、排氣阻力（背壓）隨著發(fā)動機轉速升高而增大;2、自由排氣量的比例隨著發(fā)動機轉速升高而減少;3、強制排氣量比例隨著發(fā)動機轉速升高而增大;4、強制排氣損失隨著發(fā)動機轉速升高而大幅增加[1]。該技術優(yōu)于在排氣管道中設置泄壓閥，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)動機每個轉速都可使氣缸內的換氣工作狀態(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閉時，廢氣剛好全部排出缸外，新鮮空氣流剛好到達排氣門，此時，新鮮空氣量最大，換氣效率最高。

1.在現(xiàn)有車用發(fā)動機固定排氣通道截面積的排氣系統(tǒng)（簡稱原系統(tǒng)）。怠速時，由于排氣量最小，排氣阻力最小，排氣絕對時間最長，氣缸內的換氣工作狀態(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應的轉速時，排氣絕對時間不斷減少、排氣阻力不斷增大，慣性排氣時間縮短;缸內殘留廢氣不斷接近最大值，氣缸內的換氣工作狀態(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，由于不安裝消聲器，排氣阻力大幅減少，廢氣排出以高速運行，在排氣門關閉時部分新空氣己被帶出氣缸外。結果使氣缸內實際壓比下降，改裝后要重新設定轉速要高于改裝前的怠速。

這種簡單地采用減小排氣阻力的改裝，是達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)前的轉速區(qū)域中，各轉速所對應的扭矩偏低，實踐反映，改裝后的車輛起步加速需要有較改裝前更高的轉速，中速之后的加速反應比改裝前的更快。

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

電控排氣通道開通的轉速至改裝前的最大功率的轉速區(qū)間，由于排氣通道截面積增大了，使得改裝后的排氣阻力、強制排氣損失均小于改裝前;氣缸在該轉速區(qū)間的各轉速，其換氣工作狀態(tài)比改裝前更接近理想工作狀態(tài)，導致燃燒狀況優(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速所對應的輸出扭矩大于改裝前。

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

可調排氣通道截面積理論是：排氣系統(tǒng)可根據(jù)發(fā)動機的轉速自動調整排氣通道截面積，令各個轉速都有最佳排氣通道截面積，使發(fā)動機在各個轉速時的氣缸內換氣工作狀態(tài)都更接近理想的換氣工作狀態(tài)[3]。

1.現(xiàn)有最接近實現(xiàn)可調排氣通道截面積理論的可變排氣系統(tǒng)，其設計方案是在排氣系統(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)動機各轉速的排氣需求，通過調整節(jié)氣門開度，使各個轉速對應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調整。

2.與原系統(tǒng)相比，可變排氣系統(tǒng)具有的性能是，可在原最大功率對應的轉速時，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)動機可在高轉速、大負荷時產生更多的自由排氣量、更少的強制排氣損失、保持慣性排氣時間不變，在各個轉速下，都可使氣缸內的換氣工作狀態(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，排氣節(jié)氣門關閉，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，排氣絕對時間最長，氣缸內的換氣工作狀態(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制排氣損失組成”[1]。“最佳的排氣損失是提前排氣損失與強制排氣損失之和為最小” [1]。最佳的排氣提前角“應隨轉速提高適當增大排氣提前角。”[1]如排氣提前角不隨轉速的增加而增大的話，將大大增加強制排氣損失。

2.當發(fā)動機的排氣提前角固定時，則只有一個最佳轉速可滿足“排氣損失是提前排氣損失與強制排氣損失之和為最小”的理論。

四、結論

經過分析和研究，論證可變排氣系統(tǒng)與原系統(tǒng)對發(fā)動機的動力性和經濟性的差別，以及其可變排氣系統(tǒng)比原系統(tǒng)更先進的理論依據(jù)。結論如下：

1.在動力性方面：由于原系統(tǒng)的排氣阻力隨發(fā)動機轉升高而增大的，會妨礙發(fā)動機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)動機轉速升高而增大排氣通道截面積，致使排氣阻力隨發(fā)動機轉升高而增大的絕對值小于原系統(tǒng)，使排氣損失小于原系統(tǒng)。

2.可變排氣系統(tǒng)具有可調排氣通道截面積的功能，既保障了發(fā)動機在低轉速時的輸出扭矩不下降，又可以減緩排氣阻力隨發(fā)動機轉速的增加而增大的效應。

參考文獻：

[1]閆大建.汽車發(fā)動機原理與汽車理論[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010.

[2]趙思遠.莫嘉林.發(fā)動機排氣背壓電動調節(jié)系統(tǒng)：中國，201720157631.3[P].2018-01-16.

[3]羅敏賢.莫嘉林.發(fā)動機排氣節(jié)氣門系統(tǒng)：中國，ZL201820272387.X[P].2018-09-25.

[4]陳惠娜.莫嘉林.發(fā)動機可調排氣管通道截面積系統(tǒng)：中國，ZL201820264214.3[P].2018-09-25.