进气迟闭角和气门角面值对压缩比的影响分析

郭才冬 邓真

摘 要：【目的】通过对发动机配气机构的进气迟闭角在低转速时与发动机压缩比的关系进行研究，建立进气迟闭角与发动机压缩比的关系式，为发动机启动缸压设计开发提供理论支持。【方法】本研究对发动机有效压缩比与曲轴转角及气门角面值的关系式进行推导，采用平均角面值占比结合曲轴转角来计算发动机低转速有效压缩比的方法，并通过试验来验证该公式的正确性。【结果】本研究建立的迟闭角与发动机压缩比关系式，为发动机研究人员提供启动缸压设计的基本计算方法。【结论】通过计算并结合试验得出，发动机在低转速时，用进气平均流通面积和进气迟闭角联立来求解发动机的有效压缩比，所得的结果与实际压缩比相符。

关键词：进气迟闭角；气门角面值；压缩比

中图分类号：TK417                  文献标志码：B                 文章编号：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

发动机的运动多是通过曲轴的连杆机构将活塞的直线运动转变为旋转运动。活塞在进行往复运动时，其工作行程是有范围的［1］。就发动机单个气缸而言，当活塞的行程到最低点（该位置被称为下止点）时，整个气缸包括燃烧室所形成的容积为整个活塞运动最大行程容积。当活塞反向运动到最高点（该位置点被称为上止点）时，整个气缸包括燃烧室所形成的容积为整个活塞运动最小行程容积。而要计算的压缩比就是最大行程气体容积与最小行程气体容积的比值。

1 发动机压缩比分析

发动机压缩比即发动机混合气体被压缩的程度，其可用压缩前的气缸气体总容积与压缩后的气缸气体容积的比来表示。发动机压缩比的计算见式（1）。

式中：[V室]为燃烧室的工作容积；[V工]为进入气缸的混合氣体总容积。

燃燒室容积[V室]包含缸头燃烧室的容积V1、活塞一环火力岸与缸体之间的间隙V2、活塞顶与缸盖面之间的容积V3，见式（2）。

在发动机实际运行中[V工]是变化的，这是因为发动机在运转时，活塞行程所经历的时间很短，且进（排）气系统又存在气流阻力［2］，同时气门的开闭过程也不是瞬间完成的，气门由开始开启到全部开启、由开始关闭到完全关闭都需要一定时间，如果气门在活塞的上（下）止点位置开（闭），便无法满足发动机对进气、排气的要求，为了保证发动机的性能，现代发动机大都设有提前开启角和延后关闭角，如图1所示。理论上，发动机一个循环进气、压缩、做功、排气各占180°，也就是说进（排）气门都是在上（下）止点开闭的。

为了保证尽可能多地进排气，进排气门要设有提前开启和延迟关闭［3］，但在低转速时，气体在压缩时因进气迟闭角的关系，气体会从该角度排出，导致发动机的有效压缩比要低于理想压缩比。通过将排出的气体等效成一个容积，即将迟闭角形成的容积[V迟]计算进去，用工作容积减去[V迟]，即得到有效容积[V有]，燃烧室压缩比的计算见式（3）、式（4）。

将公式（1）（3）（4）进行联立求解，结果见式（5）。

根据曲柄连杆的动力学来计算活塞行程，见式（6）。

式中：X为活塞行程；α为曲轴转角；λ为连杆比；R为曲轴旋转半径。

活塞半径r已知，将公式（5）（6）联立求解，结果见式（7）。

式中：[α1]为进气迟闭角。

有学者认为[ε燃]是发动机的有效压缩比，同时有个别资料提出用公式[ε有]=［180°-（θ-540°）］×（ε-1）/180°+1来计算发动机的有效压缩比（式中θ为进气门关闭时刻的曲轴转角）。但这是认识上的偏差，因为在同样的发动机配气相位时，由于凸轮轴在迟闭角段的凸轮型线会导致气门的升程不同，在进气迟闭角这一时间段排出的气体流量是不同的，故[ε燃]不能认为是发动机的有效压缩比，要综合考虑气门升程与曲轴转角的流通面积对压缩比的影响。

2 发动机流通面积计算分析

发动机进排气量的多少决定着在上止点时最终气体压缩量的大小，从而影响发动机缸压的大小，气体由气道经气门进入气缸的过程是一个复杂的流动过程［4］，进气量的大小主要与进气阻力、气门开度、配气相位、进气温度等因素有关。上述因素中的任何一个发生变化，都有可能导致进气阻力增大。由于在一个循环工况内进入发动机的气体是一定的，可用角面值来定义进入气体的数量，通过计算流通面积，从而间接算出进出发动机的流量比，发动机进气门处流通面积结构如图2所示。

气门处流通面积的计算见式（8）。

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

气门处流通面积的计算公式可转换为公式（9）。

根据凸轮型线和配气相位角及公式（9），可求解出在发动机一个循环（720°）中每个曲轴转角气门开启的面积，即发动机的角面值。

本研究以一款250 ml的发动机为例（该发动机设计的压缩比为11.14∶1），用于论证以上推导。通过制作不同的凸轮轴进行试验验证，根据四种凸轮型线和配气相位角，可计算出以上四种不同的平均角面值，即上止点前平均角面值[S前]、上下止点平均角面值[S间]、下止点后平均角面值[S迟]，后续表格中的1#、2#、3#、4#都是指凸轮轴状态，结果见表1。

根据平均角面值的变化来对发动机气门升程角面值的面积比进行计算，见式（10）。

根据公式（10）对四种凸轮轴的角面值进行计算，得到比值系数K。K值[与S间]角度的乘积可等效看作迟闭角通过角度的气缸容积[V迟]。由于[S间]的角度为180°，假设K值为10%，即其迟闭角通过的有效角度可等效为180°×10%=18°，有效压缩比即为按照迟闭角18°计算。

根据以上推论，用公式（10）计算得到250发动机的等效迟闭角，见式（11）

式中：α前为S前的等效角度；α迟为S迟的等效角度。

根据上述的公式推导，可计算出发动机的有效压缩比[ε有]，具体数据见表2。

为了进一步推导和验证，对发动机安排多轮次的台架试验，发动机台架反拖如图3所示。按照摩托车发动机冷启动的最低转速来进行模拟测试，用测功机反拖发动机，使发动机的转速稳定在250 rpm/min，环境温度为28 ℃，使用AVL火花塞压力传感器。本研究只对配气机构的影响进行研究，故不带进排气系统。此时，发动机转速较低，气体的流动惯性力较小，近似计算时可将气体惯性力忽略。实测缸压见表3。

为了尽可能避免由发动机转速波动带来的影响，表3中的数据为十个发动机循环峰值的平均值。根据推导的角面值与有效压缩比的计算方法，结合实际测试的缸压数据，初步得到小型汽油机缸压与压缩比的关系式为P=[0.975×ε有]。通过对进气压力进行监控，四种状态的进气压力测试数据如图4所示。

从进气压力数据可以看出，缸压与压缩比的关系见式（12）。

式中：P为缸内压力；[P0]为进气压力；[T压]为压缩上止点缸内绝对温度；[T进]为吸气终了缸内绝对温度。

发动机在启动时因为其转速较低，缸内压缩温度可近似看成吸气终了温度，即在发动机启动时的缸内压力可近似认为P=[0.975×ε有]。

通过对实际缸压测试与叠加角面值计算的有效压缩比进行对比，发现二者存在少许误差，主要是受零部件变形、测量误差、活塞环及活塞配合间隙漏气、进气温度等的影响。通过以上测试数据可以看出，误差相对较少，即可认为以上计算方法能准确计算出有效压缩比。而在个别资料中提出P=1.42[×ε有]，这个结论是基于气门迟闭角打开过程就是排气过程，整个过程排气相同时计算出的，而实际上迟闭角在关闭过程中气门开启的高度是不同的，在接近完全关闭时受阻力的影响，排气几乎可以忽略，假如这一段曲轴转角与气门开启高度较大时的曲轴转角的计算是不精确的，是不能用整个迟闭角来计算发动机有效压缩比，而应该用平均角面值占比，算出迟闭角对应的曲轴转角，从而计算出曲轴转角对应的有效压缩比，这样更加接近发动机实际压缩比。

3 结论

①在发动机低转速时，进气迟闭角对发动机有效压缩比产生较大影响，即使同一台发动机，受气门间隙和零部件公差的影响，其迟闭角会发生变化，有效压缩比也会随之发生变化。

②不同的配气凸轮轴会带来气门升程的变化，导致发动机压缩比发生变化。根据发动机进气平均流通面积和进气迟闭角联立得到近似计算发动机的压缩比，所得的有效压缩比比较符合实际压缩比。

参考文献：

［1］李志春，苏建辉.气缸压缩压力的检测与应用［J］.农机使用与维修，2007（3）：92.

［2］张建凯，唐旭，马瑞瑄，等.汽油发动机气缸压缩压力分析［J］.内燃机，2015（4）：58-62.

［3］陈强明.进气迟后角对四冲程发动机性能影响的分析［J］.汽车零部件，2010（5）：77-78.

［4］刘峥，王建昕.汽车发动机原理教程［M］.北京：清华大学出版社，2001.