進氣遲閉角和氣門角面值對壓縮比的影響分析

郭才冬 鄧真

摘 要：【目的】通過對發動機配氣機構的進氣遲閉角在低轉速時與發動機壓縮比的關系進行研究，建立進氣遲閉角與發動機壓縮比的關系式，為發動機啟動缸壓設計開發提供理論支持。【方法】本研究對發動機有效壓縮比與曲軸轉角及氣門角面值的關系式進行推導，采用平均角面值占比結合曲軸轉角來計算發動機低轉速有效壓縮比的方法，并通過試驗來驗證該公式的正確性。【結果】本研究建立的遲閉角與發動機壓縮比關系式，為發動機研究人員提供啟動缸壓設計的基本計算方法。【結論】通過計算并結合試驗得出，發動機在低轉速時，用進氣平均流通面積和進氣遲閉角聯立來求解發動機的有效壓縮比，所得的結果與實際壓縮比相符。

關鍵詞：進氣遲閉角；氣門角面值；壓縮比

中圖分類號：TK417? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：B? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1003-5168（2023）06-0045-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.06.008

Analysis of the Impact of Intake Lag Angle and Angle-Area Valve on

Compression Ratio

GUO Caidong DENG Zhen

（ChongQing zongshen engine manufacture Co.， Ltd.， Chongqing 400054， China）

Abstract： [Purposes] By studying the relationship between the intake lag angle of the engine valve train and the engine compression ratio at low speed， the relationship between the intake lag angle and the engine compression ratio is established to provide theoretical support for the design and development of engine starting cylinder pressure. [Methods] In this study， the relationship between the effective compression ratio of the engine and the crankshaft angle and the valve angle surface value was derived. The method of calculating the effective compression ratio of the engine at low speed was calculated by using the average angle surface value ratio combined with the crankshaft angle， and the correctness of the formula was verified by experiments. [Findings] The relationship between the lag angle and the engine compression ratio established in this study provides engine researchers with a basic calculation method for starting cylinder pressure design. [Conclusions] Through calculation and experiment， it is concluded that when the engine is at low speed， the effective compression ratio of the engine is solved by combining the average flow area of the intake air and the delayed closure angle of the intake air. The results are consistent with the actual compression ratio.

Keywords： intake lag angle; angle-area value; compression ratio

0 引言

發動機的運動多是通過曲軸的連桿機構將活塞的直線運動轉變為旋轉運動。活塞在進行往復運動時，其工作行程是有范圍的［1］。就發動機單個氣缸而言，當活塞的行程到最低點（該位置被稱為下止點）時，整個氣缸包括燃燒室所形成的容積為整個活塞運動最大行程容積。當活塞反向運動到最高點（該位置點被稱為上止點）時，整個氣缸包括燃燒室所形成的容積為整個活塞運動最小行程容積。而要計算的壓縮比就是最大行程氣體容積與最小行程氣體容積的比值。

1 發動機壓縮比分析

發動機壓縮比即發動機混合氣體被壓縮的程度，其可用壓縮前的氣缸氣體總容積與壓縮后的氣缸氣體容積的比來表示。發動機壓縮比的計算見式（1）。

式中：[V室]為燃燒室的工作容積；[V工]為進入氣缸的混合氣體總容積。

燃燒室容積[V室]包含缸頭燃燒室的容積V1、活塞一環火力岸與缸體之間的間隙V2、活塞頂與缸蓋面之間的容積V3，見式（2）。

在發動機實際運行中[V工]是變化的，這是因為發動機在運轉時，活塞行程所經歷的時間很短，且進（排）氣系統又存在氣流阻力［2］，同時氣門的開閉過程也不是瞬間完成的，氣門由開始開啟到全部開啟、由開始關閉到完全關閉都需要一定時間，如果氣門在活塞的上（下）止點位置開（閉），便無法滿足發動機對進氣、排氣的要求，為了保證發動機的性能，現代發動機大都設有提前開啟角和延后關閉角，如圖1所示。理論上，發動機一個循環進氣、壓縮、做功、排氣各占180°，也就是說進（排）氣門都是在上（下）止點開閉的。

為了保證盡可能多地進排氣，進排氣門要設有提前開啟和延遲關閉［3］，但在低轉速時，氣體在壓縮時因進氣遲閉角的關系，氣體會從該角度排出，導致發動機的有效壓縮比要低于理想壓縮比。通過將排出的氣體等效成一個容積，即將遲閉角形成的容積[V遲]計算進去，用工作容積減去[V遲]，即得到有效容積[V有]，燃燒室壓縮比的計算見式（3）、式（4）。

將公式（1）（3）（4）進行聯立求解，結果見式（5）。

根據曲柄連桿的動力學來計算活塞行程，見式（6）。

式中：X為活塞行程；α為曲軸轉角；λ為連桿比；R為曲軸旋轉半徑。

活塞半徑r已知，將公式（5）（6）聯立求解，結果見式（7）。

式中：[α1]為進氣遲閉角。

有學者認為[ε燃]是發動機的有效壓縮比，同時有個別資料提出用公式[ε有]=［180°-（θ-540°）］×（ε-1）/180°+1來計算發動機的有效壓縮比（式中θ為進氣門關閉時刻的曲軸轉角）。但這是認識上的偏差，因為在同樣的發動機配氣相位時，由于凸輪軸在遲閉角段的凸輪型線會導致氣門的升程不同，在進氣遲閉角這一時間段排出的氣體流量是不同的，故[ε燃]不能認為是發動機的有效壓縮比，要綜合考慮氣門升程與曲軸轉角的流通面積對壓縮比的影響。

2 發動機流通面積計算分析

發動機進排氣量的多少決定著在上止點時最終氣體壓縮量的大小，從而影響發動機缸壓的大小，氣體由氣道經氣門進入氣缸的過程是一個復雜的流動過程［4］，進氣量的大小主要與進氣阻力、氣門開度、配氣相位、進氣溫度等因素有關。上述因素中的任何一個發生變化，都有可能導致進氣阻力增大。由于在一個循環工況內進入發動機的氣體是一定的，可用角面值來定義進入氣體的數量，通過計算流通面積，從而間接算出進出發動機的流量比，發動機進氣門處流通面積結構如圖2所示。

氣門處流通面積的計算見式（8）。

其中，l=L×cosθ，R=[D2]+L×cosθ×sinθ，r=[D2]。

氣門處流通面積的計算公式可轉換為公式（9）。

根據凸輪型線和配氣相位角及公式（9），可求解出在發動機一個循環（720°）中每個曲軸轉角氣門開啟的面積，即發動機的角面值。

本研究以一款250 ml的發動機為例（該發動機設計的壓縮比為11.14∶1），用于論證以上推導。通過制作不同的凸輪軸進行試驗驗證，根據四種凸輪型線和配氣相位角，可計算出以上四種不同的平均角面值，即上止點前平均角面值[S前]、上下止點平均角面值[S間]、下止點后平均角面值[S遲]，后續表格中的1#、2#、3#、4#都是指凸輪軸狀態，結果見表1。

根據平均角面值的變化來對發動機氣門升程角面值的面積比進行計算，見式（10）。

根據公式（10）對四種凸輪軸的角面值進行計算，得到比值系數K。K值[與S間]角度的乘積可等效看作遲閉角通過角度的氣缸容積[V遲]。由于[S間]的角度為180°，假設K值為10%，即其遲閉角通過的有效角度可等效為180°×10%=18°，有效壓縮比即為按照遲閉角18°計算。

根據以上推論，用公式（10）計算得到250發動機的等效遲閉角，見式（11）

式中：α前為S前的等效角度；α遲為S遲的等效角度。

根據上述的公式推導，可計算出發動機的有效壓縮比[ε有]，具體數據見表2。

為了進一步推導和驗證，對發動機安排多輪次的臺架試驗，發動機臺架反拖如圖3所示。按照摩托車發動機冷啟動的最低轉速來進行模擬測試，用測功機反拖發動機，使發動機的轉速穩定在250 rpm/min，環境溫度為28 ℃，使用AVL火花塞壓力傳感器。本研究只對配氣機構的影響進行研究，故不帶進排氣系統。此時，發動機轉速較低，氣體的流動慣性力較小，近似計算時可將氣體慣性力忽略。實測缸壓見表3。

為了盡可能避免由發動機轉速波動帶來的影響，表3中的數據為十個發動機循環峰值的平均值。根據推導的角面值與有效壓縮比的計算方法，結合實際測試的缸壓數據，初步得到小型汽油機缸壓與壓縮比的關系式為P=[0.975×ε有]。通過對進氣壓力進行監控，四種狀態的進氣壓力測試數據如圖4所示。

從進氣壓力數據可以看出，缸壓與壓縮比的關系見式（12）。

式中：P為缸內壓力；[P0]為進氣壓力；[T壓]為壓縮上止點缸內絕對溫度；[T進]為吸氣終了缸內絕對溫度。

發動機在啟動時因為其轉速較低，缸內壓縮溫度可近似看成吸氣終了溫度，即在發動機啟動時的缸內壓力可近似認為P=[0.975×ε有]。

通過對實際缸壓測試與疊加角面值計算的有效壓縮比進行對比，發現二者存在少許誤差，主要是受零部件變形、測量誤差、活塞環及活塞配合間隙漏氣、進氣溫度等的影響。通過以上測試數據可以看出，誤差相對較少，即可認為以上計算方法能準確計算出有效壓縮比。而在個別資料中提出P=1.42[×ε有]，這個結論是基于氣門遲閉角打開過程就是排氣過程，整個過程排氣相同時計算出的，而實際上遲閉角在關閉過程中氣門開啟的高度是不同的，在接近完全關閉時受阻力的影響，排氣幾乎可以忽略，假如這一段曲軸轉角與氣門開啟高度較大時的曲軸轉角的計算是不精確的，是不能用整個遲閉角來計算發動機有效壓縮比，而應該用平均角面值占比，算出遲閉角對應的曲軸轉角，從而計算出曲軸轉角對應的有效壓縮比，這樣更加接近發動機實際壓縮比。

3 結論

①在發動機低轉速時，進氣遲閉角對發動機有效壓縮比產生較大影響，即使同一臺發動機，受氣門間隙和零部件公差的影響，其遲閉角會發生變化，有效壓縮比也會隨之發生變化。

②不同的配氣凸輪軸會帶來氣門升程的變化，導致發動機壓縮比發生變化。根據發動機進氣平均流通面積和進氣遲閉角聯立得到近似計算發動機的壓縮比，所得的有效壓縮比比較符合實際壓縮比。

參考文獻：

［1］李志春，蘇建輝.氣缸壓縮壓力的檢測與應用［J］.農機使用與維修，2007（3）：92.

［2］張建凱，唐旭，馬瑞瑄，等.汽油發動機氣缸壓縮壓力分析［J］.內燃機，2015（4）：58-62.

［3］陳強明.進氣遲后角對四沖程發動機性能影響的分析［J］.汽車零部件，2010（5）：77-78.

［4］劉崢，王建昕.汽車發動機原理教程［M］.北京：清華大學出版社，2001.