提高發(fā)動機(jī)充氣效率的措施

韓萌

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

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī);充氣效率;提高措施

中圖分類號：U464? 文獻(xiàn)標(biāo)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(nèi)燃機(jī)換氣過程的基本任務(wù)，就是盡可能排凈缸內(nèi)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(jié)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(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)的原因?qū)е職堄鄰U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(shù)?r表示換氣過程的完善程度。另外，由于進(jìn)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(huán)實際進(jìn)入氣缸的新鮮充量小于進(jìn)氣狀態(tài)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(jìn)氣過程的完善程度。為了更有效地利用氣缸工作容積，應(yīng)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(nèi)燃機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性的前提。

2 充氣效率

內(nèi)燃機(jī)的充氣效率?c定義為，每循環(huán)實際進(jìn)入氣缸的新鮮充量m1與進(jìn)氣狀態(tài)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(nèi)燃機(jī)而言，進(jìn)氣狀態(tài)是指大氣狀態(tài)，而對增壓內(nèi)燃機(jī)來說是指壓氣機(jī)的出口狀態(tài)[1]。

殘余廢氣系數(shù)?r是指氣缸內(nèi)殘留的前一循環(huán)廢氣量mr和進(jìn)入氣缸的新鮮充量m1之比，即 。氣缸內(nèi)氣體總質(zhì)量等于充入氣缸的新鮮充量m1和前一循環(huán)殘留的殘余廢氣量mr之和，即ma= m1+mr。則充氣效率的表達(dá)式，可改寫為：

（1）

式中，ρa(bǔ)、Va為進(jìn)氣終了狀態(tài)下氣缸內(nèi)的氣體密度和氣體容積;Va'為進(jìn)氣門關(guān)閉時氣缸容積，ξ為有效進(jìn)氣系數(shù)，? ;ρs、Vs為進(jìn)氣狀態(tài)下氣體密度和氣缸工作容積;由理想氣體狀態(tài)方程PV=mRT得， ，根據(jù)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(dá)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(jìn)氣終了的狀態(tài)，殘余廢氣系數(shù)等有關(guān)。

3.1 進(jìn)氣終了狀態(tài)的密度ρa(bǔ)

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

3.2 殘余廢氣系數(shù)?r和壓縮比

殘余廢氣占有一定的氣缸容積，阻礙進(jìn)氣，另外，殘余廢氣對進(jìn)入氣缸的新鮮氣體具有加熱作用，使進(jìn)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(nèi)燃機(jī)的殘余廢氣系數(shù)。

一般殘余廢氣系數(shù)?r主要與氣缸壓縮容積有關(guān)，當(dāng)確定內(nèi)燃機(jī)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(shù)，有利于提高充氣效率[2]。

3.3 配氣定時

對于一定轉(zhuǎn)速，不同的氣流速度所對應(yīng)的氣流慣性和動態(tài)效應(yīng)的最佳進(jìn)氣遲閉角也不一樣。為了利用慣性和波動效應(yīng)多進(jìn)氣，需要合理選擇配氣相位。

3.4 進(jìn)氣狀態(tài)

進(jìn)氣狀態(tài)對于自然吸氣式內(nèi)燃機(jī)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(qū)，空氣稀薄，因此需要采用增壓等相應(yīng)的技術(shù)措施來保證高原地區(qū)內(nèi)燃機(jī)的動力性。

4 提高充氣效率的措施

4.1 降低進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力損失，提高氣缸內(nèi)進(jìn)氣終了時的壓力

降低進(jìn)氣門阻力損失的措施有：增加進(jìn)氣門直徑、增加

進(jìn)氣門數(shù)目、合理設(shè)計進(jìn)氣道及氣門的結(jié)構(gòu)等。另外，合理設(shè)計進(jìn)氣道，使其形狀漸縮，內(nèi)壁表面光滑，過度平穩(wěn)，避免氣流急轉(zhuǎn)彎現(xiàn)象，對減小進(jìn)氣系統(tǒng)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(jìn)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(jìn)氣系統(tǒng)技術(shù)，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(xiàn)缸內(nèi)新鮮充量向進(jìn)氣系統(tǒng)的倒流，以便增加轉(zhuǎn)矩，提高燃油經(jīng)濟(jì)性;

（2）高速時，應(yīng)具有最大的氣門升程和進(jìn)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(jìn)氣門從開啟到關(guān)閉的持續(xù)期（又稱作用角）進(jìn)行調(diào)整，以實現(xiàn)最佳的進(jìn)氣定時。

4.3 有效利用進(jìn)氣管的動態(tài)效應(yīng)

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

4.4 其它措施

（1）降低排氣系統(tǒng)的阻力損失，以減小缸內(nèi)的殘余廢氣系數(shù);

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

（3）采用進(jìn)氣增壓及增壓中冷技術(shù)，提高進(jìn)氣密度。

5 結(jié)論

對于內(nèi)燃機(jī)，盡可能提高充氣效率是改善其性能的重要環(huán)節(jié)。本文根據(jù)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(jìn)氣系統(tǒng)的阻力，合理選擇配氣定時，有效利用進(jìn)氣管的動態(tài)效應(yīng)等。

參考文獻(xiàn)

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[3] 章玲莉，田帥，郭建東.進(jìn)氣波動效應(yīng)研究與應(yīng)用[J].小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù)，2016（03）.