郭才冬 鄧真

摘 要：【目的】通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的進(jìn)氣遲閉角在低轉(zhuǎn)速時(shí)與發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比的關(guān)系進(jìn)行研究，建立進(jìn)氣遲閉角與發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比的關(guān)系式，為發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)缸壓設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供理論支持?！痉椒ā勘狙芯繉?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有效壓縮比與曲軸轉(zhuǎn)角及氣門(mén)角面值的關(guān)系式進(jìn)行推導(dǎo)，采用平均角面值占比結(jié)合曲軸轉(zhuǎn)角來(lái)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速有效壓縮比的方法，并通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證該公式的正確性。【結(jié)果】本研究建立的遲閉角與發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比關(guān)系式，為發(fā)動(dòng)機(jī)研究人員提供啟動(dòng)缸壓設(shè)計(jì)的基本計(jì)算方法?！窘Y(jié)論】通過(guò)計(jì)算并結(jié)合試驗(yàn)得出，發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)，用進(jìn)氣平均流通面積和進(jìn)氣遲閉角聯(lián)立來(lái)求解發(fā)動(dòng)機(jī)的有效壓縮比，所得的結(jié)果與實(shí)際壓縮比相符。

關(guān)鍵詞：進(jìn)氣遲閉角；氣門(mén)角面值；壓縮比

中圖分類(lèi)號(hào)：TK417? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)多是通過(guò)曲軸的連桿機(jī)構(gòu)將活塞的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?；钊谶M(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其工作行程是有范圍的［1］。就發(fā)動(dòng)機(jī)單個(gè)氣缸而言，當(dāng)活塞的行程到最低點(diǎn)（該位置被稱(chēng)為下止點(diǎn)）時(shí)，整個(gè)氣缸包括燃燒室所形成的容積為整個(gè)活塞運(yùn)動(dòng)最大行程容積。當(dāng)活塞反向運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)（該位置點(diǎn)被稱(chēng)為上止點(diǎn)）時(shí)，整個(gè)氣缸包括燃燒室所形成的容積為整個(gè)活塞運(yùn)動(dòng)最小行程容積。而要計(jì)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(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比分析

發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比即發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣體被壓縮的程度，其可用壓縮前的氣缸氣體總?cè)莘e與壓縮后的氣缸氣體容積的比來(lái)表示。發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比的計(jì)算見(jiàn)式（1）。

式中：[V室]為燃燒室的工作容積；[V工]為進(jìn)入氣缸的混合氣體總?cè)莘e。

燃燒室容積[V室]包含缸頭燃燒室的容積V1、活塞一環(huán)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(jiàn)式（2）。

在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中[V工]是變化的，這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，活塞行程所經(jīng)歷的時(shí)間很短，且進(jìn)（排）氣系統(tǒng)又存在氣流阻力［2］，同時(shí)氣門(mén)的開(kāi)閉過(guò)程也不是瞬間完成的，氣門(mén)由開(kāi)始開(kāi)啟到全部開(kāi)啟、由開(kāi)始關(guān)閉到完全關(guān)閉都需要一定時(shí)間，如果氣門(mén)在活塞的上（下）止點(diǎn)位置開(kāi)（閉），便無(wú)法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)進(jìn)氣、排氣的要求，為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)大都設(shè)有提前開(kāi)啟角和延后關(guān)閉角，如圖1所示。理論上，發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)循環(huán)進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣各占180°，也就是說(shuō)進(jìn)（排）氣門(mén)都是在上（下）止點(diǎn)開(kāi)閉的。

為了保證盡可能多地進(jìn)排氣，進(jìn)排氣門(mén)要設(shè)有提前開(kāi)啟和延遲關(guān)閉［3］，但在低轉(zhuǎn)速時(shí)，氣體在壓縮時(shí)因進(jìn)氣遲閉角的關(guān)系，氣體會(huì)從該角度排出，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的有效壓縮比要低于理想壓縮比。通過(guò)將排出的氣體等效成一個(gè)容積，即將遲閉角形成的容積[V遲]計(jì)算進(jìn)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(jì)算見(jiàn)式（3）、式（4）。

將公式（1）（3）（4）進(jìn)行聯(lián)立求解，結(jié)果見(jiàn)式（5）。

根據(jù)曲柄連桿的動(dòng)力學(xué)來(lái)計(jì)算活塞行程，見(jiàn)式（6）。

式中：X為活塞行程；α為曲軸轉(zhuǎn)角；λ為連桿比；R為曲軸旋轉(zhuǎn)半徑。

活塞半徑r已知，將公式（5）（6）聯(lián)立求解，結(jié)果見(jiàn)式（7）。

式中：[α1]為進(jìn)氣遲閉角。

有學(xué)者認(rèn)為[ε燃]是發(fā)動(dòng)機(jī)的有效壓縮比，同時(shí)有個(gè)別資料提出用公式[ε有]=［180°-（θ-540°）］×（ε-1）/180°+1來(lái)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的有效壓縮比（式中θ為進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻的曲軸轉(zhuǎn)角）。但這是認(rèn)識(shí)上的偏差，因?yàn)樵谕瑯拥陌l(fā)動(dòng)機(jī)配氣相位時(shí)，由于凸輪軸在遲閉角段的凸輪型線會(huì)導(dǎo)致氣門(mén)的升程不同，在進(jìn)氣遲閉角這一時(shí)間段排出的氣體流量是不同的，故[ε燃]不能認(rèn)為是發(fā)動(dòng)機(jī)的有效壓縮比，要綜合考慮氣門(mén)升程與曲軸轉(zhuǎn)角的流通面積對(duì)壓縮比的影響。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)流通面積計(jì)算分析

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣量的多少?zèng)Q定著在上止點(diǎn)時(shí)最終氣體壓縮量的大小，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)缸壓的大小，氣體由氣道經(jīng)氣門(mén)進(jìn)入氣缸的過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的流動(dòng)過(guò)程［4］，進(jìn)氣量的大小主要與進(jìn)氣阻力、氣門(mén)開(kāi)度、配氣相位、進(jìn)氣溫度等因素有關(guān)。上述因素中的任何一個(gè)發(fā)生變化，都有可能導(dǎo)致進(jìn)氣阻力增大。由于在一個(gè)循環(huán)工況內(nèi)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體是一定的，可用角面值來(lái)定義進(jìn)入氣體的數(shù)量，通過(guò)計(jì)算流通面積，從而間接算出進(jìn)出發(fā)動(dòng)機(jī)的流量比，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門(mén)處流通面積結(jié)構(gòu)如圖2所示。

氣門(mén)處流通面積的計(jì)算見(jiàn)式（8）。

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

氣門(mén)處流通面積的計(jì)算公式可轉(zhuǎn)換為公式（9）。

根據(jù)凸輪型線和配氣相位角及公式（9），可求解出在發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)循環(huán)（720°）中每個(gè)曲軸轉(zhuǎn)角氣門(mén)開(kāi)啟的面積，即發(fā)動(dòng)機(jī)的角面值。

本研究以一款250 ml的發(fā)動(dòng)機(jī)為例（該發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的壓縮比為11.14∶1），用于論證以上推導(dǎo)。通過(guò)制作不同的凸輪軸進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，根據(jù)四種凸輪型線和配氣相位角，可計(jì)算出以上四種不同的平均角面值，即上止點(diǎn)前平均角面值[S前]、上下止點(diǎn)平均角面值[S間]、下止點(diǎn)后平均角面值[S遲]，后續(xù)表格中的1#、2#、3#、4#都是指凸輪軸狀態(tài)，結(jié)果見(jiàn)表1。

根據(jù)平均角面值的變化來(lái)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)升程角面值的面積比進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)式（10）。

根據(jù)公式（10）對(duì)四種凸輪軸的角面值進(jìn)行計(jì)算，得到比值系數(shù)K。K值[與S間]角度的乘積可等效看作遲閉角通過(guò)角度的氣缸容積[V遲]。由于[S間]的角度為180°，假設(shè)K值為10%，即其遲閉角通過(guò)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(jì)算。

根據(jù)以上推論，用公式（10）計(jì)算得到250發(fā)動(dòng)機(jī)的等效遲閉角，見(jiàn)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(jù)上述的公式推導(dǎo)，可計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的有效壓縮比[ε有]，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

為了進(jìn)一步推導(dǎo)和驗(yàn)證，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)安排多輪次的臺(tái)架試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架反拖如圖3所示。按照摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)的最低轉(zhuǎn)速來(lái)進(jìn)行模擬測(cè)試，用測(cè)功機(jī)反拖發(fā)動(dòng)機(jī)，使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在250 rpm/min，環(huán)境溫度為28 ℃，使用AVL火花塞壓力傳感器。本研究只對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的影響進(jìn)行研究，故不帶進(jìn)排氣系統(tǒng)。此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低，氣體的流動(dòng)慣性力較小，近似計(jì)算時(shí)可將氣體慣性力忽略。實(shí)測(cè)缸壓見(jiàn)表3。

為了盡可能避免由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)帶來(lái)的影響，表3中的數(shù)據(jù)為十個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)峰值的平均值。根據(jù)推導(dǎo)的角面值與有效壓縮比的計(jì)算方法，結(jié)合實(shí)際測(cè)試的缸壓數(shù)據(jù)，初步得到小型汽油機(jī)缸壓與壓縮比的關(guān)系式為P=[0.975×ε有]。通過(guò)對(duì)進(jìn)氣壓力進(jìn)行監(jiān)控，四種狀態(tài)的進(jìn)氣壓力測(cè)試數(shù)據(jù)如圖4所示。

從進(jìn)氣壓力數(shù)據(jù)可以看出，缸壓與壓縮比的關(guān)系見(jiàn)式（12）。

式中：P為缸內(nèi)壓力；[P0]為進(jìn)氣壓力；[T壓]為壓縮上止點(diǎn)缸內(nèi)絕對(duì)溫度；[T進(jìn)]為吸氣終了缸內(nèi)絕對(duì)溫度。

發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)因?yàn)槠滢D(zhuǎn)速較低，缸內(nèi)壓縮溫度可近似看成吸氣終了溫度，即在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的缸內(nèi)壓力可近似認(rèn)為P=[0.975×ε有]。

通過(guò)對(duì)實(shí)際缸壓測(cè)試與疊加角面值計(jì)算的有效壓縮比進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者存在少許誤差，主要是受零部件變形、測(cè)量誤差、活塞環(huán)及活塞配合間隙漏氣、進(jìn)氣溫度等的影響。通過(guò)以上測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，誤差相對(duì)較少，即可認(rèn)為以上計(jì)算方法能準(zhǔn)確計(jì)算出有效壓縮比。而在個(gè)別資料中提出P=1.42[×ε有]，這個(gè)結(jié)論是基于氣門(mén)遲閉角打開(kāi)過(guò)程就是排氣過(guò)程，整個(gè)過(guò)程排氣相同時(shí)計(jì)算出的，而實(shí)際上遲閉角在關(guān)閉過(guò)程中氣門(mén)開(kāi)啟的高度是不同的，在接近完全關(guān)閉時(shí)受阻力的影響，排氣幾乎可以忽略，假如這一段曲軸轉(zhuǎn)角與氣門(mén)開(kāi)啟高度較大時(shí)的曲軸轉(zhuǎn)角的計(jì)算是不精確的，是不能用整個(gè)遲閉角來(lái)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)有效壓縮比，而應(yīng)該用平均角面值占比，算出遲閉角對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，從而計(jì)算出曲軸轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的有效壓縮比，這樣更加接近發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際壓縮比。

3 結(jié)論

①在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)，進(jìn)氣遲閉角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有效壓縮比產(chǎn)生較大影響，即使同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，受氣門(mén)間隙和零部件公差的影響，其遲閉角會(huì)發(fā)生變化，有效壓縮比也會(huì)隨之發(fā)生變化。

②不同的配氣凸輪軸會(huì)帶來(lái)氣門(mén)升程的變化，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比發(fā)生變化。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣平均流通面積和進(jìn)氣遲閉角聯(lián)立得到近似計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，所得的有效壓縮比比較符合實(shí)際壓縮比。

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