提高发动机充气效率的措施

韩萌

摘 要：充气效率是用来评价每循环新鲜充量吸入气缸的能力，其大小直接影响内燃机的动力性。文章通过对充气效率的公式进行推导，分析影响充气效率的因素，最后提出提高内燃机充气效率的措施。

关键词：内燃机;充气效率;提高措施

中图分类号：U464  文献标识码：A  文章编号：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

内燃机换气过程的基本任务，就是尽可能排净缸内废气，充入更多的新鲜气体。但是在实际过程中，由于气门开启初期的节流损失大;且在整个排气过程存在不可避免的流动损失;同时由于内燃机结构的原因导致残余废气不可能排净，所以充入气缸的新鲜气体不可能充满气缸工作容积。通常用残余废气系数?r表示换气过程的完善程度。另外，由于进气终了时气体压力小于大气压力，气体温度高于大气温度，所以每循环实际进入气缸的新鲜充量小于进气状态下充满气缸工作容积的理论充量，通常用充气效率?c来评价进气过程的完善程度。为了更有效地利用气缸工作容积，应尽可能减小换气过程中的流动损失，保证更多的新鲜气体充入气缸，这是保证内燃机动力性和经济性的前提。

2 充气效率

内燃机的充气效率?c定义为，每循环实际进入气缸的新鲜充量m1与进气状态下充满气缸工作容积的理论充量msh之比，即 。这里，对于自然吸气内燃机而言，进气状态是指大气状态，而对增压内燃机来说是指压气机的出口状态[1]。

残余废气系数?r是指气缸内残留的前一循环废气量mr和进入气缸的新鲜充量m1之比，即 。气缸内气体总质量等于充入气缸的新鲜充量m1和前一循环残留的残余废气量mr之和，即ma= m1+mr。则充气效率的表达式，可改写为：

（1）

式中，ρa、Va为进气终了状态下气缸内的气体密度和气体容积;Va'为进气门关闭时气缸容积，ξ为有效进气系数，  ;ρs、Vs为进气状态下气体密度和气缸工作容积;由理想气体状态方程PV=mRT得， ，根据压缩比的定义ε=Va/Vc，其中，Vc指燃烧室容积，Vc=Va-Vs。则充气效率的表达式可整理为：

（2）

3 影响充气效率的因素

从上式可得，充气效率主要与压缩比，配气相位，进气终了的状态，残余废气系数等有关。

3.1 进气终了状态的密度ρa

充气效率与ρa成正比，而ρa与进气压力和温度之比成正比。采用增压中冷技术，可直接提高ρa，有利于提高内燃机的充气效率。进气终了的压力等于大气压力与进气流动损失压力之差，即Pa=Ps-?Pa，其中 。式中，ζ为进气阻力系数，进气管长度越长、转弯半径越小、管道内表面越粗糙，ζ越大;v为进气管内气体的平均流速（m/s），内燃机高速运行时，v增加，?Pa也明显增加。

3.2 残余废气系数?r和压缩比

残余废气占有一定的气缸容积，阻碍进气，另外，残余废气对进入气缸的新鲜气体具有加热作用，使进气密度降低。因此，?r越大，充气效率就越低。表1是不同类型的内燃机的残余废气系数。

一般残余废气系数?r主要与气缸压缩容积有关，当确定内燃机的压缩比，则压缩容积也就确定了。因此提高压缩比可以降低残余废气系数，有利于提高充气效率[2]。

3.3 配气定时

对于一定转速，不同的气流速度所对应的气流惯性和动态效应的最佳进气迟闭角也不一样。为了利用惯性和波动效应多进气，需要合理选择配气相位。

3.4 进气状态

进气状态对于自然吸气式内燃机就是指大气温度和压力。夏季与冬季相比，温度高，充气效率有所提高，但是气体密度减小，充气量有所降低，动力性下降。特别是在高原地区，空气稀薄，因此需要采用增压等相应的技术措施来保证高原地区内燃机的动力性。

4 提高充气效率的措施

4.1 降低进气系统的阻力损失，提高气缸内进气终了时的压力

降低进气门阻力损失的措施有：增加进气门直径、增加

进气门数目、合理设计进气道及气门的结构等。另外，合理设计进气道，使其形状渐缩，内壁表面光滑，过度平稳，避免气流急转弯现象，对减小进气系统阻力具有很重要的影响。对于空气滤清器，在保证滤清效果、降低进气噪声的前提下尽可能减少空气滤清器对空气流动的阻力[2]。

4.2 采用可变进气系统技术，获得最大的充气效率

获得最大充气效率要满足的要求：

（1）低速时，采用较小的气门叠开角以及较小的气门升程，防止出现缸内新鲜充量向进气系统的倒流，以便增加转矩，提高燃油经济性;

（2）高速时，应具有最大的气门升程和进气门迟闭角，以最大限度地减小流动阻力，充分利用过后充气，提高充气效率，以满足动力性要求。

配合以上控制措施，对进气门从开启到关闭的持续期（又称作用角）进行调整，以实现最佳的进气定时。

4.3 有效利用进气管的动态效应

进气管的波动效应是指利用进气门关闭之后在进气管道内产生的压力波动，来提高气缸进气量的方法，主要是靠进气管长度来调整[3]。在不同的转速下，为了充分利用进气管道内气流的波动效应来提高充气效率，要求合理设计进气管长度，因此采用可变长度进气管。高速时，尽可能采用较短且大直径的进气管，以减小高速流动损失;低速时，采用较长且小直径的进气管，这有利于利用进气压力动态波动效应来提高充气效率。

4.4 其它措施

（1）降低排气系统的阻力损失，以减小缸内的残余废气系数;

（2）减少高温零件在进气系统中对新鲜充量的加热量，以降低进气终了时气体的温度;

（3）采用进气增压及增压中冷技术，提高进气密度。

5 结论

对于内燃机，尽可能提高充气效率是改善其性能的重要环节。本文根据充气效率的定义及其影响因素的分析，提出提高充气效率的措施，有以下几个方面：减小进气系统的阻力，合理选择配气定时，有效利用进气管的动态效应等。

参考文献

[1] 林学东.发动机原理（第6版）[M].北京：机械工业出版社，2018.

[2] 李强，俞小莉.发动机进气系统结构参数优化设计与试验[J].中国机械工程，2017（10）.

[3] 章玲莉，田帥，郭建东.进气波动效应研究与应用[J].小型内燃机与车辆技术，2016（03）.