（动力机械及工程专业论文）摩托车汽油机进气脉动对发动机性能的影响.pdf

摘要 提高发动机的动力性是内燃机研究者们一宜追求的目标之一， 而增加进气量、改善气缸内空气运动和燃烧是提高发动机动力性的 主要途径。进气管内的进气流动对缸内混合气运动和燃烧有直接的 影响，进气道的结构对气缸内混合气的运动具有决定性的影响，因 此掌握进气管和进气道内的气体流动特性，利用这种特性对提高发 动机的动力性能具有很重要的意义。 本文通过分析进气管道内的气体流动特性，发现迸气过程中由 于进气门的开启和关闭，产生脉冲和谐振，利用脉冲和谐振可以有 效增加进气充量，提高美动机的动力性。针对进气系统的这一特点， 本文在单缸摩托车汽油机上进行了大量试验研究，实验结果表明， 利用进气脉冲和谐振可以大幅度提高发动机在低速时的功率和扭 矩，而且提高的情况与进气管的长度有关。 另外，本文还对加装谐振器进行了尝试性研究，发现增加谐振 器对提高发动机的动力性帮助不大。 将进气脉冲的实验结果与模拟计算的结果比较，两者基本一致。 从实验过程来看，利用进气管道的结构和气流特性提高发动机 的动力性还有很多工作要做，同时进气脉冲和谐振对排放特性也会 有影响。 关键词：摩托车气油机可变进气 充气效率动力性 脉冲 谐振 a b s t r a c t i m p r o v i n ge n g i n ed y n a m i cp e r f o r m a n c ei s o n eo ft h et a r g e t so ft h e i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n er e s e a r c h e r s t h ew a y st o i m p r o v i n ge n g i n e d y n a m i cp e r f o r m a n c ea r e t oa d dg a si n t a k ea n dt oa m e l i o r a t et h ea i r f l o wm o t i o na n dc o m b u s t i o ni n c y l i n d e r f l o w i ni n l e tp i p ed i r e c t l y i n f l u e n c e st h e g a s m o t i o na n db u r n i n gi n c y l i n d e r c o n f i g u r a t i o n o f i n l e tp o r th a sad e c i s i v ei n f l u e n c eo nt h eg a sm o t i o ni nc y l i n d e r i ti s es s e n t i a lf o ri m p r o v i n gd y n a m i cp e r f o r m a n c eo fe n g i n et om a s t e ra n d u t i l i z et h ec h a r a c t e ro ff l o wi ni n l e tp i p e b ya n a l y z i n gt h ep e r f o r m a n c ei ni n l e tp i p e ，w ec a nf i n dt h a tp u l s e a n dr e s o n a n c ea r ep r o d u c e di nr e s u l to fi n l e tv a l v e so p e na n dc l o s ea n d g a s i n t a k ea n dd y n a m i c p e r f o r m a n c e c a nb c i m p r o v e d i f p u l s ea n d r e s o n a n c ea r ee f f i c i e n t l yu t i l i z e d b e c a u s eo ft h ef i n d ，at o to ft e s t sa r e m a d ei n s i n g l e c y l i n d e rm o t o r c y c l eg a s o l i n ee n g i n e t h et e s t r e s u l t s h o w st h a ti fp u l s ea n dr e s o n a n c ea r e e f f i c i e n t l yu s e d ，e n g i n ep o w e r a n dt o r q u ec a nb eg r e a t l yi m p r o v e da n dt h e ya r ed i f f e r e n ti nd i f f e r e n t l e n g t ho f i n t a k ep i p e ， i n a d d i t i o n ，b ye q u i p p i n g ar e s o n a t o rn e a rt h e c y l i n d e rt o p i n i n t a k e p o r t ，w ec a n f i n dt h a tr e s o n a t o r h e l p s t o i m p r o v ep o w e ra n d t o r q u et os o m e e x t e n t c o m p a r e dt h ec o m p u t i n gr e s u l tw i t h t h e e x p e r i m e n t ，t h e y a r e c o n s i s t e n tt og r e a te x t e n t k e yw o r d s ：m o t o r c y c l eg a s o l i n ee n g i n e ，v a r i a b l ei n t a k e ， p u l s e ，d y n a m i cp e r f o r m a n c e i n t a k ee f f i c i e n c e ， r e s o n a n c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：詹f 司礤签字日期：旧乒年，月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨凄盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：孱f 碍嘏 翩繇徘乞 签字日期：”饵月，；日 签字同期： 驴争年月岁同 丕堡盔兰堡圭兰垡堡苎：壁堑至墨垫垫壅墨壁垫蔓丝! ! 垫型整堕墅堕 1 1 引言 第一章绪论 1 1 1 内燃机的地位和作用 经过近一百三十年的发展，内燃机已经发展成为一个比较完备的 机械体系，到今天为止已经达到一个较高的技术水平，其中有两个方 面的科技发展为此做出了巨大贡献，一是2 0 世纪5 0 年代初兴起的增 压技术在内燃机产品上的广泛应用，再就是2 0 世纪7 0 年代开始的电 子技术及计算机在内燃机研制中的应用。在这样一个发展历程中，内 燃机为世界的经济发展作出了巨大的贡献，对人类文明的发展起到了 极为重要的作用。从二十世纪四十年代开始，人类全面进入内燃机时 代，内燃机可以说是二十世纪的重大科技成就之一。交通是国民经济 的命脉，内燃机作为当今最主要的交通工具，消耗了世界上4 6 的 能源，发出的功率占世界所有动力装置的9 0 以上。二战后，美 国、日本、德国等发达国家都是从汽车工业的发展来带动经济复苏乃 至创造经济奇迹的。汽车是现代物质文明的重要标志，汽车工业是国 民经济的支柱产业，规模宏大，发展极快。目前，全世界汽车的年产 量超过5 0 0 0 万台，保有量已达9 亿辆，每年以3 的增长速度递增， 进入二十一世纪，保有量可望超过10 亿辆；我国目前汽车保有量已 超过1 0 0 0 万辆，到2 0 0 5 有望达到2 0 0 0 万辆”1 。此外，内燃机还广 泛应用于工业，农业，电力，国防等各个领域，是当今用量最大，用 途最广，无一与之匹敌的最重要的热能动力机械，在国民经济，国防 建设和人们生活中发挥着重要的作用。汽车产业还可以带动其他行业 的发展，是世界主要经济大国的支柱产业之一发展汽车产业是各国 工业发展的重点。在今后相当长时间内，内燃机作为主要交通工具的 主导地位仍然不会改变。因此，随着经济的发展，内燃机作为最主要 的动力工具，还会有很大的发展空间和前景。 摩托车方面，我国自1 9 9 3 年开始就成为世界第一大摩托车牛产 国，当年产量为3 3 5 1 万辆。l9 9 7 年突破10 0 0 万辆，约占全世界总 产量的4 3 ，6 2 0 0 0 年我国摩托车产销量和产品出口创汇达到历史最 高水平，产量1 l 53 万辆，销量115 0 万辆，出口1 9 8 8 8 万辆出口 天津大学硕士学位论文：摩托车汽油机进气脉动对敏动机性能的影响 创汇7 4 8 亿美元，达到历史最好水平。根据市场预测我国的摩托车 市场还有很大的增长潜力，如表1 所示1 。根据统计，预测的结果和 实际情况非常吻合。 表ll9 9 9 2 0 l0 年摩托车市场需求量预测 年份预期需求量年份预期需求量1 19 9 99 2 6 32 0 0 5l2 2 3 0j 2 0 0 09 6 5 32 0 0 612 7 8 0 2 0 0 11 0 1 1 o2 0 0 7l3 1 2 0| 2 0 0 21 0 7 8 o2 0 0 813 6 7 0 l 2 0 0 31 0 8 9 o2 0 0 913 8 5 0 2 0 0 41 1 6 7 o2 0 1 01 4 7 7 0 j 1 1 2 现代社会对内燃机各项性能的要求 自从上个世纪七十年代石油危机以来，世界对能源日益增长的需 求与能源短缺的矛盾日益突出：环境污染越来越严重，已经引起人们 的严重关注和不安，能源和环境已成为二十一世纪制约经济发展的重 要因素。人们对内燃机的排放极为关注，制定了严格的排放标准，由 于温室效应，甚至对c 0 。的排放也引起了注意。内燃机的排放和经济 性密切相关，内燃机的排放特性与经济性是矛盾的，为了追求较好的 排放性能，必然要牺牲某些经济性指标。为了解决这个矛盾，人们为 此作出了不懈的努力，取得了不少令人鼓舞的进展。经过研究发现， 只要燃料充分燃烧，排放就会得到改善，经济性也会得到提高。因此， 合理组织燃烧是提高内燃机性能的主要途径之一。 世界贸易的大幅度增长和竞争的激烈，使得人们对内燃机的动力 性能有了更高的要求。从陆上、海上、再到空中，为了降低成本提高 效率，大功率运输设备的运用越来越多，而且要求运输的速度也越来 越高a 高速公路和高速铁路的建设，也为高速内燃机车的发展创造了 良好的条件。军事科技的发展也对内燃机车的动力性提出了很高的要 求，而且军事方面的要求更是推动科技发展的巨大动力。随着激光、 陶瓷、微电子、高能电池等技术的发展，内燃机具有强大的生命力。 蒌坚盔兰堡主堂堡丝塞：壁堑兰塞垫塑堡冬壁塑堕垄塑塑竺垦竺堡堕一 表2欧洲最新车辆排放标准 g k i n 车型排放物 e u it ( 19 9 6 )e u i i i ( 20 0 0 ) e u i v ( 2 0 0 5 ) 汽油 c o2 2 2 31 0 发动h a + n 0 2 0 5无要求无要求 机汽h c无要求 0 2o 1 至 n o ：无要求 o 15o 0 8 非直喷 c o1 o 0 6 40 5 型柴 h c + n o 2 o 7o 5 6o 3 油机 n o 2无要求 o 5 0 02 5 汽车 p mo 0 8 0 0 50 0 2 5 直喷 c 01 00 6 4o 5 型柴h c + n 02 o 9o 5 6o 3 0 油机n o 2无要求 o 5 0o 2 5 汽车p mo 1o 5 0o 0 2 5 备注：括号里的数字表示该标准开始执行的年限 表3欧、美、日汽车排放标准限值 国别标准g ( k w h ) 。1 c oh en o ，微粒 汽油机( 1 9 9 5 1 9 9 9 ) 2 20 5 轻型e u r oi ( 1 9 9 3 ) 4 51 18 oo 6 1 欧洲车柴e u r oi i ( 1 9 9 5 )4 o1 17 00 15 油机 重型e u r oi ( 19 9 3 ) 4 51 18 o03 6 车柴e u r 0i i ( 1 9 9 5 )4 ，01 17 o015 油机 美国城市汽车( 19 9 8 ) 2 0 81 7 45 40 0 7 重型柴油车( 1 9 9 8 )2 0 81 7 45 40 13 日本重型柴油车( 1 9 9 4 )7 42 96 oo 7 重型柴油车( 2 0 0 0 ) 4 51 14 51 2 5 蒌堡查堂堡主兰竺丝茎! 壁堑羔塑苎塑垡墨壁塾翌丝垫垫竺丝些! ! ! l 表4国内外摩托车的一些参数 区气缸冲压鲔比 升功率活塞平均速度 平均有效压力 域 数程( k w l )( m s j ( m pa ) 内 单缸、26 2 7 36 0 5 10 l61 l7 0 17 lo 4 9 l 一0 7 0 f i 由 地双缸49 2 一l0 25 2 0 7 8 3 0l2 3 8 一l5 7 20 57 4 0 9 3 8 国 台 鱼 26 66 0 4 81 2 7 0 05 7 6 湾缸49 2 9 24 4 4 7 1 8 5l2 7 0 l8 3o 7 9 4 0 9 4 3 盘 单缸、2 母双缸 48 8 1 l5 6 8 9 4 8 01 2 3 0 1 7 2 3o 9 5 0 l19 3 曰 雅单缸、25 9 6 813 0 6 0150 0 一1 6 6 7o 5 0 9 0 8 4 6 马双缸49 8 1o5 9 7 014 6 4 一l5 0 0o 9 1 2 09 9 3 哈 盘 壹争单缸、 27 o 一7 47 1 5 13 0 612 6 0 一1 9 3 90 6 4 8 09 4 2 太 双缸 49 57 1 ，0 8 3 01 4 6 4 一1 6 2 70 ，9 9 3 】0 9 4 川单缸、27 6 一1 1 0l3 0 2 5 8 1l 6 0 0 2 2 ，7 50 6 4 3 一1 357 崎双缸 49 67 7 4 016 5 90 ，9 3 3 欧洲1 2 5 美国 在排放方面，由于大气污染越来越严重，世界各国对此极为关注， 要求也越来越高，提出了零排放的概念，从目前的进展来看，实现零 排放甚至超低排放是完全可以实现的。经过内燃机工作者将近二十年 的努力，新一代超清洁、超高效的内燃机即将全面占领市场。例如本 田公司推出的雅阁超超低排放车辆( s u l e v ) ，尼桑公司推出的达到 部分零排放( c e l 3 t r ac a ) ，它的排气甚至比大雾天吸入的空气还清 洁t 并于2 0 0 1 年2 月获得美国加州清洁汽车许可证”3 。因此，内燃 机排气达到零排放( z e v ) 完全是可能的，内燃机甚至可以成为空气净 化器。降低排放是内燃机工作者们研究的重点之一。各国对每种排放 气体作出了具体的规定，并且越来越严格。我国的排放标准是根据欧 垄堡查兰堡主兰些堡塞：壁堑! ! ! 塑塑塑堂皇壁垫盟垄塑! ! 生墼塑墅堕一 洲制定的标准来控制车辆的排放，如表2 所示。美国加i 1 从上个世纪 六十年代开始就制定了汽车的排放标准，到目前为止制定了世界上最 严格的排放标准，日本在这方面也制定了非常严格的标准，具体如表 3 所示“7 。 在动力性方面，内燃机研究者们从内燃机的结构设计上进行了大 量的研究，设计出了从单缸到多缸不同类型、不同工作容积、不同压 缩比和不同缸数的内燃机车。同国外内燃机车相比，我国的内燃机车 在动力性方面还有一定的差距，尤其在压缩比和功率以及扭矩上差距 比较明显，发动机的强化程度相对较低，而摩托车与国外差距相对较 小，表4 以排量为1 2 5 m l 为例，列举了国内外摩托车汽油机的各项参 数。 1 2 提高内燃机动力性能的途径 为了提高内燃机的动力性能，可以采取很多措施，丰要方法有以 下几种： ( 1 ) 采用垣压技术 在过量空气系数不变的情况下，增加吸进空气的密度可以使发动 机的功率按比例增长。目前在柴油机上广泛采用废气涡轮增压，可以 使柴油机的有效功率和升功率成倍增长。汽油机由于受爆燃限制，增 压压力不宜过高，增压后，功率提高在3 0 一4 0 之间。 ( 2 ) 合理组织燃烧过程，提高循环指示效率 从研究内燃机理论循环和实际循环入手，深入分析在整个热功转 换过程中，各种热力损失的大小及其分布，掌握各种因素对热力损失 的影响程度，可以提高指示效率，这样不仅可以提高内燃机的动力性 能，还可以改善其经济性。 ( 3 ) 改善换气过程，提高气缸的充气系数 气缸容积不变时，相同的进气状态下若能吸入更多的新鲜空气， 则可以容许喷入更多的燃料，在相同的燃烧条件下可获得更多的有用 功。改善换气过程不仅可以提高充量系数，而且可以减少换气损失。 因此，必须从改善配气机构，i n l 轮廓线以及符道流体动力性能等方面 进行研究。 犬津大学硕十学位论文：摩托车汽油机进气脉动对发动机性能的影响 ( 4 ) 提高发动机的转速 增加发动机的转速可以增加单位时间内每个气缸做功的次数从 而提高发动机的功率输出，同时，发动机的比质量也随之降低。小型 汽油机转速可高达8 0 0 0 一l0 0 0 0 r m in ，摩托车的转速可以超过12 0 0 0 r m i n 以上。考虑到安全性和材料的结构性能，内燃机的转速再提高 的空间不是很大。 ( 5 ) 提高内燃机的机械效率 提高机械效率可以提高内燃机的动力性能和经济性能，这方面丰 要靠合理选定各种热力学参数和结构参数，采取措施减少摩擦损失， 主要是活塞与气缸壁的摩擦以及驱动水泵，油泵等附属机构所消耗的 功率。 ( 6 ) 采用二冲程提高升功率 理论上，采用二冲程相对于四冲程可以提高功率一倍，但是，由于 二冲程在组织热力过程和结构设计上的问题，相同工作容积和转速下 平均有效压力通常达不到四冲程的水平，升功率只能提高5 0 一6 0 ” 与此同时还得采用较复杂的结构：而且燃油消耗率却显著上升。 1 3 国内外提高汽车动力性能的研究现状 提高发动机的动力性是世界各国追求的目标之一，各国的内燃机 工作者对此进行了大量的研究，在以上六个方面均取得了一定的进 展。内燃机增压国内外研究得比较多，并且取得了很好的进展。目前 增压技术在柴油机上应用比较多，汽油机上也逐渐得到推广，尤其是 在大功率汽油机上a 柴油机增压可以使功率提高6 0 一8 0 ，动力性 能提高很多，汽油机采用增压，功率一般提高3 0 一4 0 左右”。 对组织燃烧过程提高循环指示效率，各国研究得也很多，目前正 在研究稀薄燃烧一均质充量压缩燃烧h c c i ( h o m o g e n e o u s c h a r g e c o m p r e s s o i ni g n i t i o n ) ，已经取得了一定的进展，在中、低转速下 对提高内燃机车的动力性和燃油经济性都有较好的效果。目前这项研 究成果还在进步研究中。 在提高发动机转速和机械效率方面，受到材料性能和结构的限 制，提高的空间不是很大，各国投入的精力不是很多，目前也没有研 垄堡查兰堕主兰竺竺塞：壁堑兰塑鎏塑垄篁壁塑翌丝些盟丝壁竺壁堕 究出显著的成果。 至于采用二冲程，在柴油机上应用较多，对提高柴油机的升功率 和动力性能有很大的帮助。汽油机上采用二冲程，功率有所提高，仳 排放太高，由于受到环境污染的影响，前几年研究的不多。近几年由 于电子控制技术在内燃机上得到广泛应用，通过控制混合气的浓度和 点火时间，汽油机的排放得到较好的控制，二冲程汽油机的研究又引 起了广泛重视，目前在摩托车汽油机上采用四冲程仍然比较多，且呈 上升趋势。 以上主要是传统上提高内燃机动力性的方法，下面主要介绍最近 几年在研究可变进气技术及提高充气效率方面的新进展。 1 3 1 采用控制阀实现可变进气 现在可变进气结构形式大致可以分为两大类，第一种是通过在进 气道中设置控制阀的形式来满足不同转速工况对进气形式的要求。第 二种是通过对进气门的工作状态进行实时调整来满足发动机不同工 况对进气系统的要求。现在的控制阀式可变进气系统多采取在低速、 低负荷工况关闭多气门发动机的其中一个进气道，在高速、高负荷则 打开所有进气道的方式实现可变进气。日本丰田公司的气道喷射第三 代稀薄燃烧系统、马自达公司的稀薄燃烧系统”1 、a v ll is t 公司的 控制燃烧系统( c b r ) 3 都是在进气道中设置控制阀来实现可变进气， 如图卜i 和图卜2 所示三种可变进气系统均采用了直气道与螺旋气 道或切向气道相结合的办法，将控制阀置于直气道中，为了避免控制 阀产生”壁面润湿”现象，直气道中使用的控制阀一般须置于喷油器的 上游方向或尽可能将喷油器偏向没有装控制阀的气道”“j 。在较低转 速条件下，将控制阀关闭，让螺旋气道工作，在缸内产生较强的涡流运 动。当直气道不工作时，从直气道进入的燃油在气缸的中心位置形成 较浓的混合气，而切向气道的混合气则非常稀。这样一来，在切向气 道产生的强涡流运动的作用下，浓混合气会一直保持到火花塞点火时 刻，形成良好的燃油分层现象。在高转速工作时，则将控制阀打开， 两个气道同时工作，满足发动机在高速工况对发动机流通系数的要 求。 天津大学硕士学位论文：摩托车汽油机进气脉动对发动机性能的影响 图1 1 丰田公司的第三代稀燃系统 图卜2a v ll is t 公司的c b r 系统 采用四气门不仅可以加大气门面积，增加进气量，减少高速时的 泵吸功，而且喷油器可以中心布置与位于气缸中心的燃烧室相配合， 能形成最佳的燃油分布与混合，这样不仅可以提高发动机的功率，而 且可以降低燃油消耗和有害物的排放。采用四气门的发动机，在两个 进气道完全相同的情况下，部分负荷时关闭一个气道也可以在缸内产 生一定强度的涡流运动”，如图1 3 所示。为了充分利用控制阀的 作用，n is s a n 公司还在控制阀的一角实设计了个缺口，用于增强发 动机怠速工况时的涡流运动，并对不同的缺口形状进行了实验研究 i4 j v 硎c t m “自_ c 口t 吐t m - 雌 图卜3 四气门发动机一个进气到关闭的状态 除了利用可变涡流概念设计可变进气系统以外，在四气门发动机 上也可以利用可变滚流的概念来设计可变进气系统。r ic a r d 。公司在 单缸发动机上设计了种可变滚流结构( v a r i a b let u m b lein 】e t s y s te m ，v t i s ) 来优化分层混合气的形成过程3 。如图1 4 所示。采 垄鲨查：兰堡兰堡堡苎! 嬖堑! 塑垫坦堂皇壁垫盟鳖垫! ! 。些堡堕墅堕 用这种结构的可变进气形式可以使得缸内滚流比提高i 一3 个，在滚流 比最大的情况下，气道流通系数下降3 7 。 对于直喷式发动机而言， 如果要想全工况时获得理想的燃油经济性和动力性，也需要采用可变 滚流技术。 v i e wo i lm a n i l o df a c e s e 韶射卸旧p o l l s 图1 4r i c a r d o 公司的v t is 系统 以上控制阀式可变进气结构具有以下几个不足之处： ( 1 ) 控制阀采用旋转式结构安装于气道中，由固定在轴端的杠杆 在进气道外对控制阀进行开关控制，对于多缸机而言，则意味着必须 对多个控制阀进行同步操作： ( 2 ) 安装控制阀的组件在控制阀门全开状态下对进气流存在一 定的阻挡作用，影响充气效率： ( 3 ) 迸气道中的控制阀采用双工位工作方式，即在高速工况将涡 流控制阀打开，在低速工况将涡流控制阈关闭，控制阁部分打开的情 况尚未细致考虑。也就是说，没有实现按照工况不同对缸内气体的涡 流运动实现连续可调。 1 3 2 通过调整进气门实现可变进气 通过调整发动机进气门的开启关闭时刻也可以实现发动机的可 变进气对发动机进气门进行调整有以下几种考虑： ( i ) 实现单个进气道的关闭工作状态的切换，用来增强发动机 天津大学硕士学位论文：摩托年汽油机进气脉动埘发动机性能的影响 低速、低负荷条件下的缸内气体涡流运动以及气体进入缸内的动能， 改善低速低负荷工作过程； ( 2 ) 实现某一气缸的停止工作状态的切换。在低速低负荷工况 下，对某些气缸采取停缸措施，有利于燃油经济性的改善： ( 3 ) 实现迸气门正时调节一迸气门早关或排气门早关。 第一种和第二种考虑完全可以通过在进气道中设置控制闽来实 现，只是在气道关闭过程中，发动机仍然要正常驱动进气门的开启 关闭。一般情况下，发动机在不同转速工况经过优化后的气门正时和 最大气度门升程，在高速情况下，要求发动机有较高的功率输出，须 采用进气门晚关和较大的气门升程，以利用进气惯性作用保证发动机 有较大的进气量；在低速大负荷条件下，须采用进气门早关和较大气 门升程，以抑制低速情况下缸内气体回流入气道中；在低速低负荷条 件下，须采用进气门早关和较小气门升程，以减少进排气门的开启重 叠时间以及进气损失，从而保证发动机在低速低负荷条件下的稳定工 作。 本田v t e c 使用了高速和低速二种凸轮，不仅能改变配气相位也 能改变气门升程“”。图卜5 所示的是v t e c 气门控制机构简图。低速 工作时，在二个低速凸轮中间布置一个高速凸轮，低速凸轮单独驱动 气门，高速凸轮虽然也驱动中间摇臂，但中间摇臂并不驱动气门。高 速工作时，液压油的压力驱动液压 舌塞a 和b ，使三个摇臂结合成 体，这时三个摇臂都被高速凸轮所驱动，高速凸轮的气门开启时间长， 升程大。通过可变气门定时，汽油机在高低转速时均能获得大的充气 效率，从而能获得高的功率。 舞冷 铆曙 图卜5 本田公司v t e c 气门控制机构简图 0 墨竖_ 大堂堕主兰垡丝苎：壁堑主皇迪垫垄墨堕型翌垄垫垫生矍塑墅堕 r ic a r d o 公司根据多缸产品发动机的实际情况开发了一种可变 进气系统，称为控制滚流燃烧系统( c o m b u s t io i lb y c o n t r o lle d vo r te x s y s te i l l ，c c v s ) “，如图1 6 所示。c c v s 可变滚流结构不仅通 过电液执行机构实现了气门- 5 1 + 程的可变，而且由于在迸气门靠近缸套 方向上设置了导气屏，还能在部分负荷时增强缸内气体的滚流运动， 实现缸内气体滚流比的可变。在较高负荷和转速时使用具有较大爿程 的凸轮型线，保证进气系统具有较高的流通系数，此时，缸内气体滚流 运动较弱：在较低负荷和转速时则使用具有较小升程的凸轮型线，配 合导气屏的作用，使得缸内气体具有较强的滚流运动，而进气系统的 流通系数则有所下降。使用这种结构可使发动机的滚流比与原机相比 最大增加2 ，8 倍，同时，进气系统的流通系数下降5 5 。实验证明，该 系统可以达到改善发动机低转速部分负荷时的排放特性和燃油经济 性。 图卜6 具有可变滚流功能的c c s v 德国f e v 内燃机技术公司发明了一种电磁控制全可变气门机构 ，如图1 7 所示。在该电磁控制全可变气门机构中，有上下两个 电磁极，个衔铁固定在气门上。当下面的电磁极通电时，气门开 到最大升程；当上面的电磁极通电时，气门被关闭。下面的电磁极的 位置可以移动，以此改变气门的最大升程。当电磁线圈不通电时，气 门在弹簧的作用下，在关闭和开启状态之间作简诣运动，电磁力只起 固定气门位置的作用。这种结构简单，耗能低，除了可以改变进气定 时以外，还可以改变进气门的最大升程和升程曲线。应用该电磁控制 全可变机构的汽油机，通过控制进气门开启时间来控制汽油机进气 量，取消了节气门，提高了充气效率，减少了换气损失。由于气门控 制方式的改变，气门驱动的机械损失降低，尽管增加了电力损失，但 汽油机总的损失还是降低了3 0 左右。而且，这种机构还可以大大 降低油耗和排放。 图1 7 电磁控制全可变气门机构 另外，德国梅塔( m e t a ) 发动机与能源公司日前推出一种汽油发动机， 其燃油消耗量已接近柴油机的水平。新型发动机的节油机理在于其进 气阎能实现精确操纵，从而将汽油燃烧时与空气的混合比例保持在最 佳状态：此外，这种发动机在负荷小的时候可用部分气缸工作，从而进 一步降低油耗。 1 3 3 谐振进气系统 谐振进气是将一组点火间隔相等的气缸，通过较短的进气臀和谐 振箱连接在一起，在进气波动的频率和进气系统的固有频率相等时 能取得较好的充气效果。谐振充气一般要求气缸的点火间隔为2 4 0 a 。这样，各缸的进气才不会发生干扰。不可变进气系统的谐振充气， 只有在很窄的转速范围内才有较好的充气效果。利用可变进气系统， 谐振充气可在较大的转速范围内有较好的充气效果。图1 8 是用于轿 车汽油机的可变进气谐振充气系统【”】。在保时捷( p o r s c h e c a r r e r a ) 3 6 l v 6 汽油机( 图1 8 ( a ) ) ，上两个谐振箱由两个谐振管 连接在一起，其中一个谐振管可以关闭。当这个谐振管打开时，谐振 管的截面增加，谐振频率提高。在宝马( b m wm 5 ) 和欧宝( o p e l 垄堡查堂翌圭兰堡堕茎：璧篓：! 塑塑垫些竺壁型翌茎塑塑堂堡堕里堕一 d u a l r a m ) 汽油机( 图1 8 ( b ) ) 上，气波充气和谐振充气结合在一 起。在中、低转速时，中间阀门打开，进气系统是短进气道的气波充 气系统。 q q ) q ) q ) g ( a )( b ) 图1 8 谐振充气的可变进气系统示意图 1 3 4 内燃机进气系统中其他的可变结构 为了让发动机缸内的涡流运 动强度实现按工况可调，研究人 员进行了大量的其他尝试工作， 采用双层进气道和主，副进气道 的方式来形成可变涡流，还开发 了一种喷孔方式的可变涡流结 构。另外还采用可变进气管长 度的方案，在高转速时采用较 短进气管长度，低速时则采用 2 图卜9 两级进气管示意图( 管长 分别为7 1 l 和4 8 0 m m ) 长度较大的进气管，下图1 9 采用的是两级进气管进气结构。这 种进气管结构可以在运转的发动机上改变管道长度。低、中转速 ( 4 0 0 0 r m i n 以下) 时，阻风门3 关闭，空气从贮气室5 中沿环形长管道 4 进入气缸。转速高于4 5 0 0 r m in 时，膜片机构根据电控单元的信号 打开阻风门3 ，主要的空气充量经孔口2 沿短管道l 进入气缸。 下图1 一l0 是一个可变进气管长度的进气控制系统，由图可知， 在发动机低速运转时，进气控制阀关闭，管道变长，提高了进气流速 加强了惯性迸气的作用，提高了充气效率。在发动机高速运转时，进 气控制阀打开，管道变短，降低了进气阻力，从而提高了充气效率。 天津大学硕士学位论文：摩托车汽油机迸气脉动对发动机性能的影响 个长度固定的进气管，只能在一定的转速范围内有较好的动态充气 效果，较短的进气管，在高速时有较好的充气效果，较长的进气毹；则 在低速时充气效果好。使用可变长度的进气管，可使内燃机在较宽的 转速范围内都有较好的充气效果。 图1 一1 0 可变进气管长度控制系统 图l l 1 所示的为进气管长度无级变化的进气系统示意图。这 种系统可利用动态效应充气，在内燃机的所有转速范围内都能达到最 佳效果。 进 图l 一1 l 长度无级可变进气系统示意图 l 一可活动的圆筒( 空气分配器) ：2 一固定的壳体 3 一进气道，4 一侧壁( 用于圆筒的支承) ：5 一圆筒中 的空气进口：6 一进气道中的空气进口：7 一密封垫( 如 弹簧片) ：8 进气门 1 ，4 问题的引出和本课题的内容及意义 通过改变进气系统的结构来提高充气效率，从而提高内燃机的动 天津大学硕士学位论文：摩托车汽油机进气脉动对发动机性能的影响 力性，内燃机工作者们在这方面投入了大量的精力，他们采用不同的 方法在各种不同的内燃机车上和不同的工作条件下进行研究。得出的 结论也有一定的偏差，他们采用这种可变迸气结构在提高动力性的同 时有的注重对经济性的影响，有的注重对排放的影响。针对这种状况， 本课题主要着眼于利用进气管内气体流动的特性来提高充气效率，对 提高发动机动力性进行定性和定量的分析，而不考虑经济性和排放特 性从而得出带有一定代表性的结论，为其他内燃机工作者进行研究 提供一定的科学依据。 本课题在单缸摩托车汽油机上进行，采用最简单的单直符进气管 道结构，并且管道的截面变化很小，以便尽可能减小进气阻力，利用 进气脉冲和谐振，争取得到最好的实验效果。由此得出的实验结论可 以为其他内燃机研究者们作为参考，为在其它单缸内燃机上利用进气 脉动和谐振提供一个参照。 天津大学硕士学位论文：摩托车汽油机进气脉动对发动机忡能的影响 第二章计算软件及模型 2 1 内燃机进气流动模型 任何往复式发动机的基本性能是流过发动机的空气和燃料流量 的函数，描述空气和燃料的混合气流动模型的方法，按其复杂程度可 以分为准稳定法、充排法、波动法三种”“，近几年出现了多维模型。 准稳定法是最简单的方法，是将发动机和涡轮增压器考虑为串联 的部件。每个部件的性能用其稳态特性表示，这常由试验得出。这些 部件由通过的空气流量以及跨部件的压力比联系在一起。部件之间不 允许有质量累积。于是全发动机系统广义上相似于一个电路，其中各 部件的特征可以考虑为非线性电阻。空气流量和压力比对应相似于电 流和电位差。构成准稳定模型的方程都是代数式，只有在过渡性能模 型中，发动机和涡轮增压器的动力特性由一阶非线性常微分方程代 表。有些涡轮增压柴油机的准稳定模拟是在模拟计算机上进行，各种 复杂程度不同的准稳定模型常用于涡轮增压器和发动机j 一，用来判断 不同增压器对发动机性能的影响。准稳定法十分依赖于对个别发动机 详尽的经验知识，常应用试验所得的配合系数，以使在宽广的运转范 围都配合良好。 充排分析法所包括的范围比准稳定模型要复杂，充排法模型的基 本特点，是发动机与涡轮增压器两部件间的歧管用有限容积代表。这 意味着这些歧管能够积存气体，不再象在拟稳定分析法那样所有部 件可用共同的空气流量联系起来。结果形成一组阶非线性和常微分 方程，这些方程规定歧管和气缸内的状态，并且为过渡工况规定发动 机和涡轮增压器的转速。这种模型比拟稳定模型更接近实际，并且需 要经验数据较少。 波动法是最复杂的一种方法，这种波动作用分析法在于解可压缩 气体流动方程，全部进排气歧管中压力的高低可以不均匀。需有方法 解非线性双曲线偏微分方程，该方程描述干扰在可压缩介质中的传 播。该方程常限于一维，不能真正描述二维和三维的情况。这种波动 天津大学硕十学位论文：摩托车汽油机进气脉动对发动机性能的影响 模型对于预计某些类型发动机的性能极为重要，这种方法常可用于发 动机歧管系统的初始设计，能显示出全部发动机负荷以及转速范围内 的有利和不利的谐振；这种谐振可能导致发动机气缸间充气量不均， 或是由于换气不好而使整机性能普遍下降。波动法可用于自然吸气的 和涡轮增压的发动机，现在已经有模型可用于内燃机所有的部件：涡 轮、压气机、发动机边界、脉冲转换器、管道连接处等。波动法的最 大优点是能精确模拟歧管系统的实际谐振。因此它可以用来设计歧 管，以得到所要求的发动机性能特性，或是可以只是用来确定一个歧 管配合不良的原因，而帮助将其改进。 另外，还有多维模型。多维模型是用数值方法求解描述燃烧过程 的质量、动量、能量和化学组分的守恒方程组，它是一组多自变量的 偏微分方程组，一般由模拟缸内各个物理化学过程的若干予模型组 成。多维模型的建立则要综合运用热力学、流体力学、传热学、化学 反应动力学和数值分析等学科的知识，对于这样一个涉及面很广的跨 学科课题，在当前的计算条件和试验、测试技术条件下要走向实用还 有相当大的困难。 根据以上方法的特点，波动法由于适用可压缩一维流动，能精确 模拟进气系统的实际谐振，因此比较适合用来模拟本课题中的进气流 动。 2 2 计算软件介绍 2 2 1a v l w or k s p a c e 软件简介 当前，有很多软件用于发动机的计算，这里只介绍专门为u n ix 和w in d o w s p c 用户设计的a v lw o r ks p a c e 软件。a v lw o r ks p a c e 软 件是针对整个工科设计的，包括光、电、磁、机械、化工等各个方面， 也可以用来模拟发动机系统在工作过程中燃烧、换气、传热、震动、 润滑、缸内压力等各个方面的变化过程。该软件功能强大，模拟效果 好。w o r k s p a c eg u i ( g r a p h ic a lu sa ri n te r f a ce ) 包括b 0 0 s t 、b r i c k s 、 e x c i t e 、g l i d e 、h y d s i m 和t y c o n 六个部分。其中b o o s t 用来模拟 发动机的进气到燃烧，再到排气的全过程，适用于各种类型的发动机 天津火学硕+ 学位论文：摩托车汽油机进气脉动对发动机性能的影响 图2 1 单缸机模型 图2 2 模拟结果 8 天津大学硕十学位论文：摩托_ 乍汽油机进气脉动对发动机性能的影响 熟练运用b o o s t ，需要有一定的流体力学知识为基础。 2 2 2 计算模拟过程 b o o s t 软件在模拟发动机换气系统的过程中，把整个系统看着是 一维的，模拟单缸发动机进气、燃烧和排气的具体过程如下图2 i 所示。 该模型由以下部分组成： 1 1 个气缸 2 1 个空滤器 3 1 个三效催化器 4 1 个喷油器 5 2 种系统边界条件( 进气端口和排气端口) 6 1 0 个测量点 7 12 段管道 8 3 种限制条件 在模拟过程中，根据各管道的不同边界条件，输入相应的边界值 和曲轴转角，即可得出相应的模拟值，如上图2 2 所示。 2 3 计算假设 b 0 0 s t 软件在模拟计算发动机整个进气系统的过程中，采用维 流动的计算方法，从进气管口开始，经过空气滤清器到化油器，再到 气缸，缸内燃烧，直到废气经过三效催化器排出。计算过程中作出了 一些假设，具体如下： 1 混合气为理想气体 混合气各成份分布均匀，分子之间没有间隙，也没有作用力，分 子之间的碰撞为弹性碰撞。 2 气体流动为一维流动 气体只有沿管道方向的流动而没有沿管道直径方向的流动。 3 混合气在气缸内的运动和燃烧也是一维的 假设气缸内混合气在各点的浓度是相同的，在着火的瞬间，各个 天津大学硕士学位论文：摩托车汽油机进气脉动对发动机性能的影响 着火点是同时开始着火燃烧，各个组分在缸内分布均匀，缸内温度和 压力分布均匀，并且燃烧完全。 4 混合气完全均匀混合，各热力学参数相同 燃烧室内的混合气看着完全混合均匀，具有相同的组分及热物性 参数。混合气包括以一定比值混合的燃料及空气。 5 燃烧过程中进、排气门关闭时的泄漏忽略不计 6 根据需要，进气管道和谐振管道可以看着是绝热 这些假设对计算模拟是必不可少的。 2 4 特征方程 b o o s t 在模拟进气流动时也按照变截面可压缩的一维管道进行 计算描述管道截面变化、可压缩的理想气体，在有摩擦、热交换的一 维不定常非等熵条件下的基本方程式为 ( 1 ) 质量流量方程 “”4 小”。、赢 r ：一 m 一单位管长的质量流量： d 管子的直径； 口流量系数； p 孔板下游压力： p 。，r o 一孔板上游的压力和温度； r ，k 气体常数和比热比： 卜一特征流束的长度； _ o w 通过孔板的气流加速度。 ( 2 ) 连续性方程 害+ 巷+ “罢+ 了p u i d f = 。西缸敲f 出 。 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 茎堡奎兰受圭兰垒丝兰! 空堑生垒垫堡堂皇壁垫翌墨竺垫垡堕塑星堕一 ( 3 ) 运动方程 塑+ 塑+ 土塑+ g ：0 ( 2 3 ) a t 瓠p 瓠 式中 g = ，了u2 面u j 4 ， 卢d2 4 其中 ，；删2 f 一一管壁剪应力： 兰一一表示摩擦力的方向与气流运动方向相反； ，一一管道截面积； d 一一管子直径； 厂一一摩擦因子。 ( 4 ) 能量方程 q 口f d x 2 昙 c 俐计讣昙陋啊+ 秘p 卜 式中 q 一一单位时间单位质量的热交换率a 展开式( 2 4 ) ，并把连续性方程( 2 2 ) 代入并化简之，可得 ( 2 4 ) 和动量方程( 2 3 ) c 詈+ “罢) 一口2 ( 警+ “挈一c “一t ，p cu + u 一。 式( 2 2 ) ，式( 2 3 ) 和式( 2 5 ) 组成一组线性偏微分方程组，令 式( 2 - 5 ) + 口2 式( 2 2 ) + p a 2 式( 2 3 ) 以及 式( 2 5 ) + 口2 式( 2 2 ) 一p a x 式( 2 3 ) 可得 考+ 似+ 口) 卺 + 膨 鲁+ + d ) 老 m 川p ( q +