影响发动机充气效率的因素及提高方案

樊 伟

（许昌电气职业学院，河南 许昌 461000）

前言

将缸内废气完全排出，并将新鲜气体充入缸内是内燃机换气工作的基本要求[1]。然而在实际操作中，因为气门开启过程中节流损失比较大，同时在进行排气时无法控制流动损失，另外，因为内燃机结构因素使得废气无法得到充分排除，因此新鲜气体无法充满缸内容积。所以为了保证气缸容积得到充分利用，需要对换气环节中流动损失进行有效控制，确保气缸中可以流进更多气体，为发动机经济性与动力性提供保障。

1 发动机换气原理

对于发动机换气过程主要涵盖排气、强制排气以及进气、气门重叠四个环节[2]。主要任务就是将气缸内废气充分排出，并尽量将新鲜空气冲入气缸内。只有保证进入气缸内空气数量，才能够充分燃烧并充分放热，进而促使发动机扭矩与功率得到有效提升，这也是确保发动机性能充分发挥的基础。其中，在换气环节中也会出现排气损失与进气损失，其中排气损失在发动机充气效率方面有着较大影响。

2 发动机的充气效率影响因素

2.1 进气终了压力影响

进气终了条件，活塞在下止点位置情况下，与大气压相比，缸内压力较小，主要由于新鲜气体进入气缸时需要克服气流惯性与流动阻力。若是进气体系阻力增加，那么新进混合气体会随之减少，就会对冲效率产生一定影响。

进气体系阻力主要受到其自身结构所影响。例如，气流通过各种形式空气滤清器过程中，会受到相应进气阻力[3]。在进气系统中，进气门口的流通截面积是最小的，其进气阻力也相对最大。

而进气阻力还会受到发动机转速影响，不断提高转速过程中，新空气流速变大，而相应流动损失也会随之增加，进气的终了压力会快速降低。

发动机的负荷出现变化之后，汽油机主要通过对气节门开度进行转变，对气缸中混合气量进行调节，进而实现负荷调整，在汽车匀速行驶行在阻力减小的公路过程中，通过将气节门开度关闭保证转速始终保持不变，使得终了气体的压力受到影响。

2.2 终了温度影响

因为高温废气以及缸壁高温机件会对新进气体产生加热效应，导致终了活塞位于下止点情况下的气缸气体温度超出了大气温度，使得缸内气体密度降低，导致充气系数减小。在转速加大，负荷不变情况下，新鲜气体和高温机件仅存在短暂接触，并不会快速升温。在负荷增加，而转速不变情况下，因为缸壁温度增加，导致气体温度也随之增加。

2.3 温度和残留废气压力影响

在排气终了之后，气缸中存在残留废气，因为排气系统阻力原因，导致废气气压比大气压高，其中排气阀位置的阻力最大，随着转速增加，流动阻力也会随之增加，而废气压力也随之增加。在废气压力增加过程中，其密度会增加，会残留更多废气，因此新鲜空气气量会随之减少，使得充气效率受到影响。同时，如果废气较多，那么会导致充气减少，同时对混合气质量产生一定影响，对正常燃烧造成破坏。

3 提高充气效率的策略

3.1 控制进气体系流动损失

3.1.1 控制进气门位置流动损失

首先，调整进气门的直径，同时保证排气门大小合适。其次，调整进气门的数量。选择2排2进结构，相比于2气门/气缸，4气门/气缸发动机，基于气门直径一致条件，能够增加30%进气门面积、40%排气门面积，可以保证换气工作顺利开展。再次，提高气门行程。对气门行程进行科学调整，对凸轮轮廓进行优化，基于惯性力允许条件，提高气门闭合、开启速度。进而强化气门位置通过水平，控制进气阻力。最后，调整气门锥角。通常锥角设计为45°，基于气门升程一致条件，通过降低锥角能够使通过断面增加。

3.1.2 控制进气管与进气道阻力

首先，控制空气滤清器阻力，对于滤清器，在保证滤清质量基础上，对其阻力进行控制。其次，保证通道面积，气缸盖与进气管的进气道，应该确保其通道面积充足，进而降低进气阻力。再次，控制界面突变与弯道。要想保证进气阻力得到有效控制，进气管道应该控制流通截面突变、急转弯等问题。最后，保证管道内壁光滑。若是气道内壁粗糙，则会影响气流实际流动损失。

3.2 控制新空气热传导

保证冷却系统始终保持良好运行状态，避免发动机温度过度升高。控制在新空气方面的热传导问题。能够对进气的终了温度进行有效控制，促使新空气密度增加，进而实现充气效率提升的目标。

3.3 控制排气系统的气流阻力

（1）控制排气管道阻力，防止出现排气管道内出现凸台、急转弯以及截面凸起等不良现象，进而实现排气阻力控制。

（2）控制排气门位置阻力。对于排气系统，排气门位置流通的截面积最小，需要制定合理方法对排气阻力进行控制。可以选择四气门结构或是增加气门升程，均可以保证充气效率。

3.4 科学确定配气正时

（1）对于进气门延迟闭合，主要是为了通过高速气流惯性，提高每个循环中的气量。因为在发动机转速存在差异的条件下，气流惯性也存在差异，所以需要根据转速设计进气迟闭角。传统发动机，由于在曲轴/配气系统限制下，发动机工作过程中，配气正时不会出现变化，因此充气效率仅会在某个转速下达到最大值。若是发动机超出该转速工作，那么气流惯性升高，但是迟闭角并不发生变化，导致气流惯性无法得到充分利用。另外，转速升高过程中，流动阻力也会升高，对充气效率造成影响。若是发动机低于该转速工作，则气流惯性会降低，使得迟闭角与气流情况不相符，造成新空气倒流现象，因此会降低冲洗效率，见下图。

图1 进气门滞后角变化对发动机功率与充气效率产生的影响

上图中ηv曲线代表基于相关配气正时条件，转速变化和充气效率之间的关系，例如，在滞后角是40°条件下，在1800r/min转速条件下，充气效率达到最值，表明基于此转速让发动机工作，可以保证惯性得到充分利用。若是转速超出高标准，气流惯性升高，导致一些能够借助惯性流进气缸的气体无法进入气缸中，同时由于转速升高，使得流动阻力加大，因此充气效率受到影响。

图2 不同工况的最优配气正时

在图1中，通过各个中期效率曲线，能够发现基于不同配气正时条件，转速变化和充气效率之间的关系。进气滞后角不同，相应充气效率的转速最大值也会存在差异，通常在滞后角增加过程中，充气效率最大值的转速也会升高，40°滞后角曲线相比于60°滞后角曲线，相应转速为1800r/min、2200r/min。因为转速增加，使得气流流速提升，若是滞后角足够大则能够对高速气流进行充分利用，使得充气量增加。

（2）保证气门叠开角合理性。通过提高叠开角的合理性，可以促使充气系数进一步提升，同时还应该对高温机件热负荷进行有效控制。见图2。

为了保证中小负荷具有良好经济性，应该尽量调小叠开角。

4 结语

综上所述，通过研究发动机的充气效率，可以充分提高燃料燃烧效率、发动机工作性能、能源消耗以及发动机运行效率等情况。现阶段，汽车行业的竞争非常激烈，因此发动机实际充气效率将会影响客户对汽车性能的印象，相关人员应该对该工作加以重视，进而为汽车生产以及行业发展提供借鉴。