进气和排气系统的动态增压技术

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：图7-17 气缸和进气系统模型按照对图7-17所示的进气系统长度为L、气缸容积为V的进气系统和发动机模型进行分析。进气系统内气体的容积如同弹簧来回发生改变。图7-19 进气系统长度和发动机转速的关系3.脉动效应惯性效应是利用在进气行程中返回气门附近的最初压力波产生的。因此可以有效地利用进气系统的长度。

在提高容积效率方面，如同气门打开/关闭时刻等静态改善，在设计层面上具有局限性，现在正在使用的技术是利用进气、排气系统内压力波的动态增压。动态增压是，把进气门、排气门间歇打开和关闭时产生的压力振动（压力波相位），与进气门、排气门的打开时刻相对应，以获得增压效果的方式。

动态增压效果方面有，在发生压力振动（压力波）的循环中直接影响进气过程的惯性效应，在其后的循环中影响进气过程的脉动效应。实际发动机配备有为了获得动态增压效果的最佳进气系统，即根据低速或高速条件改变进气系统长度的可变进气系统。动态增压效果不但在四冲程发动机上应用，在二冲程发动机上同样也可以应用，是提高容积效率（或输出功率）的重要因素。

图7-16 进气系统长度与容积效率

1.基本原理

用起动机起动发动机，把进气系统的长度在L_s=0～3.5m范围内改变测量的容积效率如图7-16所示。可以看出，容积效率与无进气系统（进气系统长度为0的状态）相比，有进气系统时更高，并随着进气系统长度（或转速）的变化，存在达到最大容积效率的转速（或进气系统长度）。尤其是在进气系统的长度较长的2.5m、3.5m上，随着转速的变化，容积效率的变化很大。这样的现象可以用进气系统内气柱的振动和气门正时周期之间的关系进行说明。

图7-17 气缸和进气系统模型

按照对图7-17所示的进气系统长度为L、气缸容积为V的进气系统和发动机模型进行分析。进气系统内气体的容积如同弹簧来回发生改变。加入气体时被压缩，压力上升时要放出气体。

假设把进气系统内的气柱推入到气缸内移动了Δx。气缸内增加的质量Δm可以表示为

Δm=ρAΔx（ R1）

气缸内密度变化Δρ表示为

气体的音速a以等熵变化可以用采用下式。

式中，下标s表示等熵变化。

根据压力的增加产生的力ΔF利用式（7.20）的Δp，以及式（R1）和式（R2），可以得出

式中，把κ（=a²A²ρ/V）当成弹簧常数，可以按照进气系统内气体质量m（=ρAL）的自由振动来进行分析，其运动方程为

上述方程为单纯自由度无阻尼线性振动，方程的解为

Δx∝cosωt

式中，ω为角速度。进气系统内压力波的频率f_s以下式进行计算：

式中，a为音速；A为进气系统通道端面积；L为进气系统长度；V为气缸（共鸣器）容积。最大惯性效应的条件是，进气时间t_s与压力波频率f_s相同时，即t_s=1/f_s。

2.惯性效应

现在分析空气进入到气缸内的过程。进气门打开时，此处产生负压和压力波，大气中的空气进入，如图7-18所示。在进气初期，如图7-18a所示，产生密度较小的压力波（小波、疏波），到达进气系统进口后与新气汇合，成为密度较大的压力波（密波），如图b所示。此密波被反射在气门关闭前，如图c所示，到达进气门，高密度新气进入气缸，以此容积效率η_v会提高。这称为惯性效应。

图7-18 进气惯性效应的模型

对于惯性效应来说，进气系统的长度要短，压力波从进气门到进气系统入口并返回的时间t内，进气门（打开时间t_s）应处于打开状态。即，在t<t_s的条件下，可以获得惯性效应。如果进气系统长度过长，使压力波到入口并返回的时间t比进气门开启时间t_s长，压力波会影响到下一循环，这称为脉动效应。

惯性效应在压力波（压力振动）从气门到达进气系统入口并返回的时间t等于进气门完全开启的时间t_s/2时达到最大，即在下式成立时为最大：

式中，t_s为进气时间；t为压力波以音速a往返等价管长度L_s的时间，为

利用式（7.24）和式（7.25）转换为等价管长度式，推导出

式中，a为音速，约为340m/s；n为发动机转速（r/min）；θ_s为进气门有效开启角度（=气门开启角度-无效角度），最近的发动机上设定为240℃A；L_s也有与实际进气系统长度L相同的情况，在理论上为包括气缸容积的等价管长度。

在进气时间t_s与共鸣频率f_s之间的关系式t_s=1/f_s中，如果以式（7.22）～式（7.25）进行分析，可以推导出下述等价管长度L_s式为

式中，V为工作容积（m³）；L和A分别为实际进气系统的长度（m）和端面积（m²）。

可以获得惯性效应的发动机转速与进气系统长度之间的关系如图7-19所示。在图中可以看出，进气系统长度在高速时要短，在低速时要长，才能获得惯性效应。

图7-19 进气系统长度和发动机转速的关系

3.脉动效应

惯性效应是利用在进气行程中返回气门附近的最初压力波产生的。如果进气系统的长度过长，使正压力波返回的时间t过长（t>t_s），或因发动机转速过高，使进气时间t_s过短，压力波会衰减剩下，并影响下一循环的进气/排气过程。即，如果正（+）压力波（密波）与下一进气门打开时间同步，容积效率会增加；如果与负压力波（疏波）同步，容积效率会降低。这称为脉动效应。

正、负压力波的重叠，用进气系统内压力波频率（进气系统内振动频率）f_s与每秒钟进气次数n_s（四冲程发动机为n/120）的比值表达，如果把这定义为同步次数（或脉动次数）m，则同步次数为

如果以动态增压效果条件把t_s/2与t的比值称为q，则q为

在式（7.29）中代入式（7.28），并去掉两边的同项L_s，可以得到

因惯性效应在q=1时最大，改变进气门的有效开启角度θ_s（=气门开启角-无效角）：在式（7.24）中假设θ_s（=6nt_s）为180°，得出m=4；假设θ_s=240°，得出m=3。

通过试验获得的同步次数m分别为1～5的进气系统长度和容积效率相关数据曲线如图7-20所示。在图中可以看出，容积效率较高时，因同步次数与惯性效应相当，在脉动效应m=1.5、2.5附近与正压相位一致，表现为正效果，进气量增加；容积效率显示为山峰的凸出部分，在m=1、2附近与负压相位一致，表现为负效果，容积效率显示为山谷的凹进部分。因此可以有效地利用进气系统的长度。

图7-20 同步次数与容积效率之间的关系

4.排气系统的动态效果

当打开排气门时，在排气门附近也产生正压力波，并在排气系统内成负压力波且被反射形成压力波，即产生压力振动。在进气系统中，可以在排气行程中利用此压力波。在排气行程后期（排气门关闭前）排气门附近产生负压（负压力波），气缸内的残留废气会被吸出，因而可以获得良好的扫气效果。

排气系统内随压力波的动态效果与进气系统几乎类似，但在如下方面有所不同：

①如图7-21所示，在排气门开启后，会形成正压力波。此压力波的强度远大于进气门开启的时期，如果能充分利用这一点，则有可能大大增加输出功率（与进气系统相比）。

图7-21 排气系统的动态效果

②在排气行程后期，如图7-21b所示，在排气门附近形成负压，有助于燃烧气体的排放，并增加气缸内新气的进气量，大有可能进一步增加容积效率。

③因高温条件的影响，排气的音速a_e比进气的音速a_s大。

获得最大效果的条件与进气系统的惯性效应相同，是在排气时间与振动频率几乎同步时，如果排气门的有效开启角度为θ_e，则可以得到

5.多气缸发动机的进气、排气的干涉

多气缸发动机运转时，当一个气缸的进气行程（或排气行程）还没有结束前，另一个气缸开始进气（或排气），如果此时与负压力波（或正压力波）同步，因入口压力降低（或升高），进气量（或排气量）减少，因而容积效率会降低。把这种现象称为进气干涉（或排气干涉）。根据运行条件适当调节进气、排气系统的长度，可以减少干涉效果，获得良好的动态增压效果。目前，在电控喷射系统发动机上配置有可变进气系统，不仅可以获得动态增压效果，还能减少进气干涉，以实现高性能。图7-22所示为4气缸发动机进气/排气系统的干涉状态。

如图7-22所示，4气缸发动机（点火顺序1—3—4—2）以第1缸、第3缸的顺序进气，但在第1缸进气末期附近第3缸开始进气时，第3缸的负压力波会阻碍第1缸的进气，会出现微量进气干涉。对此所采取的对策是，虽然加大进气系统的长度会较好地解决此问题，但会受到发动机室容积的制约，因此目前谋求采用随发动机运行条件改变进气缓冲器容积和进气系统长度的可变进气系统，以避免进气干涉，并提高容积效率（或进气效率）。

图7-22 4气缸发动机的进气、排气干涉

如图7-22b所示，加大排气系统的长度，并分成两个，使第3缸的排气压力波到达第1缸需要L₂/a的时间，因此第1缸的排气不会阻碍能顺利排气。

图7-23所示为利用惯性效应和脉动效应的可变进气系统长度系统。在低速时，关闭阀门A，进气系统较长，在此利用惯性效应，在中速领域打开阀门A，把进气缓冲器看成大气，进气系统较短，即可利用惯性效应。在高速时，重新关闭阀门A，进气系统重又变长，此时通过脉动效应，可以改善容积效率。

6.其他提高发动机输出功率的技术

汽油机提高输出功率的最具代表性的技术就是提高容积效率的技术。提高容积效率的方法上有动态增压、机械增压和涡轮增压。已在前面叙述了动态增压相关内容，机械增压和涡轮增压相关内容将在7.3节进行专门说明。

对于提高发动机输出功率的技术，除了提高容积效率之外，还有发动机的高转速化。在发动机高转速化技术上有两个方面：一个是降低进气、排气速度；另一个是提高允许界限转速。进气、排气速度，即工质气体流量率与气门通道端面积之间的比值，进气门、排气门的空气流速随发动机转速的增加而增加，气门的空气阻力也随之增加，因此容积效率会随之降低。其结果是，发动机转速增加，输出功率会反而降低。即，如要通过高转速化提高输出功率，必须降低高转速下的表面进气、排气速度，以使容积效率不会降低。图7-24所示为提高最大输出功率的具体技术。

图7-23 利用惯性效应和脉动效应两者的进气系统与转矩的特性

（1）多气缸化总工作容积相同时，如果增加气缸数量，气缸直径和进气门直径会减小。对等径程发动机（内径=行程）气缸数Z与进气速度u_in之间的关系进行分析，有

式中，V_st为总工作容积；Z为气缸数；V_h为工作容积；B为气缸内径。可以看出，进气速度u_in与气缸数Z的3次根式成反比，因此发动机的多气缸化在相同的转速条件下会降低进气速度。例如：4气缸发动机的进气速度为100时，通过式（7.40）计算得出不同气缸数的空气速度为：6气缸为87，8气缸为79。由此可知，多气缸发动机以进气速度降低量的相同量可以提高发动机转速，因此在相同的工作容积下可以获得更高的输出功率。

（2）短行程化进气门直径与气缸内径成正比。相同的工作容积条件下，短行程化可以增大气缸内径B，进气门直径也可以随之加大。另外，短行程化可以在高速领域减少摩擦损失，因此高转速化在增大气门直径的同时不可避免地要短行程化。即，短行程化可以提高最大转速。目前大部分发动机的行程/内径（S/B）为0.9～1.1，赛车用发动机的行程/内径（S/B）达到0.5左右。

图7-24 提高最大输出功率的方法

（3）多气门化增大气门的空气流通面积，可以提高容积效率。下面说一下加大气门升程和加大气门开启面积的方法。在加大气门升程和气门开启面积的方法上，相对于气缸内径增加气门数量的方法很有效。因此，目前进气门、排气门的数量从基本的2气门发展为3、4、5、8气门的多气门化。多气门虽然在设计和控制上较复杂，气门高温的可能性也加大，但通过气门的小型化，可以减小弹簧力，以降低气门与气门座之间的冲击噪声，增加气门空气流通有效面积。

通常，气缸内径B确定了，进气门的大小也与此成比例确定。2气门发动机为0.5B，4气门发动机在0.4B左右为进气门的最大直径。2气门类型和4气门类型的进气门面积比为

从式（7.34）中可以看出，4气门类型比2气门类型进气门的面积约增加28%。其结果是在相同的进气速度条件下，4气门类型可以增加最大转速，以获得更高的输出功率。

进气门的开启面积（或有效面积）虽然随气门数量的增加也增加，但5气门以上效果不大，因此主要采用进气、排气各为2个气门，总4个气门的发动机。

（4）增大进气门开启角和升程增大进气门的开启的时间（开启角）和升程，可以降低进气门的空气流速，增大了高速化的可能性。进气门的开启角通常为曲轴转角240℃A左右，F-1赛车用发动机采用280°～320℃A的大开启角。

（5）提高允许界限转速要想实现发动机高转速化，因运动部件的惯性力增大，所以必须提高动态气门系统或主运动系统部件的强度。如，为了防止气门喘振，需要加强气门弹簧力；为了能经得住活塞的惯性力，需要提高连杆的强度，增大曲轴直径等。但是，这些措施会增大机械损失，恶化燃油经济性。因此，发动机的高转速化必须做到运动部件的轻量化。

进气和排气系统的动态增压技术

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