进排气门气体流动优化

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：发动机的容积效率与气门的大小、数量和气门正时等有关。气门通道面积、升程气体通过气门的面积Av为气体通过气门时的最小端面积。图7-10 流量系数测量实验装置图7-11 进气门的流动特性排气门的升程对流动特性的影响如图7-12所示。因此，进气门、排气门的流量系数应以动态流量系数来定义并进行计算。图7-12 排气门的流动特性②动态流量系数。

发动机的容积效率与气门的大小、数量和气门正时等有关。下面分析气门的空气流动特性，以分析对容积效率的影响因素。

1.气门通过流量

为了掌握提高容积效率的气门空气流动特性，首先要正确计算通过气门的空气量。图7-9所示为通过气门的空气流动。通过气门的空气质量流量以“流量系数×面积×速度×密度”进行计算，即

式中，C_D为流量系数；A（m²）为气门通道端面积；u（m/s）为空气流速；ρ（kg/m³）为空气密度。

（1）空气流速假设气门前后压力相同的状态下，通过气门以正常压缩性流动时的空气流速u₂（=u）为

式中，κ为空气的质量热容比；p，v分别为压力和比容，下标1、2分别表示气门的上游和下游。

因进气门的压力降较小，所以通常假定为非压缩性物质来进行分析。此时，空气流速u₂利用伯努利方程可以计算为

式中，气门上游的速度u₁因比u₂小，所以忽略不计；Δp（=p₁-p₂）为通过气门的压力降。

（2）气门通道面积、升程气体通过气门的面积A_v为气体通过气门时的最小端面积。这是在图7-9a中显示的AC之间的面积，随气门升程h_v（或曲轴转角θ）的变化而发生很大的改变，其计算式为

A_v（θ）=πd_vh_vcosα （7.8）

图7-9 通过气门的气体流动

因气门通道面积A_v（θ）随气门升程的改变而发生变化，因此取用随进气门、排气门打开曲轴转角Δθ（=θ₂-θ₁）的平均值，即平均气门通道面积A_m。

式中，θ₁、θ₂分别为气门打开和关闭时的曲轴转角（℃A）。

气门升程h_v通常在气门通道面积A_v与气门孔面积A_p相同的条件下决定。气门通道面积见式（7.8），气门孔面积为A_v=π（d²_i-d₀²）/4，因此下式成立：

πd_vh_vcosα=π（d²_i-d²₀）/4

式中，d_i为气门孔直径；d₀为气门杆直径。在上述公式中，如果d₀=0.2d_i，气门升程h_v为气门座角度α=45°时，h_v≈0.3d_i，α=30°时，h_v≈0.25d_i。

要增大实际进气量，气门直径d_v和升程d_v要增大。但是，气门直径d_v受到端口直径d_i（或气缸内径B）的限制，另外即使加大升程h_v，也不会增加空气流量，反而因加速度增加而不能稳定运行。因此，在高速状态升程为h_v≈0.25d_i，在低速状态下升程为h_v≈0.3d_i较为良好。这也就是采用可变气门正时机构的理由。

（3）流量系数流量系数C_D是流体有效流动面积A_e与总通道面积A之间的比值，即

因空气流通过气门的端面积随气门升程的不同而发生变化，所以空气流通道面积（计算面积）有多种定义。这里有气门升程面积A=πd_vh_v、气门端口面积A=πd²_i/4、气门头面积A=πd²_v/4、气门最小流通面积等。其中使用最多的是气门升程面积，因为它与气门升程呈直线关系，在计算中应用很便利。

①流量系数测定值。进气门、排气门流量系数的测量实验装置如图7-10所示。实验中，保持空气箱内一定的压力，改变气门升程并测量空气流量，以求出流量系数C_D。

图7-11所示为随进气门升程变化的流动特性。从图中可以看出气体流动的变化：图a的低升程条件下，在气门通道入口形成小的剥离；图b的中升程条件下，首先在气门侧形成剥离；图c的高升程条件下，在气门和气门座两侧均形成剥离；图d中的流量系数C_D（=A_e/πh_vd_v）大体上在0.6附近。在低升程、中升程条件下，随着升程的增加流量系数也随之增加，然而在高升程条件下，随着升程的增加，因剥离现象越来越大，流量系数反而会降低。

对于进气门的形状，为了最小化流动阻力，要尽可能最小化气门座的宽度，气门头上部倒角β为10°，气门座角度α为30°，以及将气门与气门座之间的倒角部分做成圆角。另外，在一定的气门升程下影响流量系数的雷诺数小到可以忽略的地步。

图7-10 流量系数测量实验装置

图7-11 进气门的流动特性

排气门的升程对流动特性的影响如图7-12所示。在图中，上部曲线为压力比为p₂/p₁（p₁为气缸侧的压力，p₂为排气侧的压力）0.99、下部曲线为0.606时的流量系数。流量系数随之气门升程的增加近似地在0.7附近变化，随之压力比的变化也几乎表现为相似。这表示，虽然排气门的前后压力比（或压力降）远大于进气门的前后压力比，但压力比和升程对流量系数的影响微乎其微。因此，排气门的设计没有像进气门的设计那样敏感，气门座角度为30°～40°范围。通常，流量系数（或静态流量系数）以一定的通道面积下的正常流动来定义，但像进气门、排气门的升程随时间发生变化的情况下，其求得的流量系数与在静态条件下求得的流量系数大有不同。因此，进气门、排气门的流量系数应以动态流量系数来定义并进行计算。

图7-12 排气门的流动特性

②动态流量系数。动态流量系数（或动态平均流量系数）C_D，m为从进气门开始打开到关闭为止的流量系数，如果设定气门的通道面积为A_v，进气行程中气门通道的平均面积为A_m，以下式进行定义：

式中，气门通道平均面积A_m可通过式（7.9）得出。另外，气门通道面积A_v是在气门升程面积（πd_vh_v）、气门端口面积（πd²_i/4）、气门头面积（πd²_v/4）和气门最小通道面积中选择一种使用。

例如，汽车用发动机如果输出功率为40～65kW，转速为4500～5000r/min，气门通道面积A_v通过气门头面积（πd²_v/4）进行计算，则其动态平均流量系数C_D，m为0.26～0.3。

（4）通过气门的流量进气、排气期间，在Δt时间内每一循环进入和排出气缸的气体质量流量m，在式（7.6）中代入在前面求得的速度u、端面积A、动态流量系数C_D，m，可以推导出

从上式可以看出，通过气门的气体流量与气门通道平均面积A_m=（C_D，mA_v）和气门前后的压力比（p₂/p₁）成正比。当气门通道面积一定，压力比超过临界压力比时，即使气门下游的压力p₂继续下降到很低，通过气门的流量也不会再增加，而且会发生节流现象。这时的压力比，即临界压力比为

式中，κ为气体质量热容比，当κ=1.35时压力比为p₂/p₁=0.5368。把此值和气门通道平均面积A_m、气门打开时间Δt代入式（7.12），可以计算出临界流量。

2.进气门、排气门的马赫指数

泰勒通过很多试验指出了通过进气门的空气流量虽然进气门节流作用的影响最大，但当进气系统的压力一定时，如果进气速度过大，容积效率反而会急剧减小。他把这种流动现象依据进气速度特定为进气门马赫指数与Z_s与容积效率之间的关系。

活塞下降时通过进气门的质量流量率与气缸内的质量流量率，通过连续式可推导出

式中，A_m为进气行程中气门通道平均面积；u_s为通过进气门的空气流速；u_p为活塞平均速度，u_p=Sn/30，（S为行程，n为发动机转速）；d_p为活塞直径（或气缸内径B）。通过式（7.14）和式（7.11）可以推导出

式中，气门通道面积A_v使用了气门头面积（πd²_v，s/4）。

进气门马赫指数Z_s定义为进气门空气流速u_s与对应进气温度的音速a_s之间的比值，是决定容积效率变化的重要无量纲数。

式中，a_s为进气音速；d_v，s为进气门的外径；C_D，m为进气门的动态平均流量系数。在上式中，使用进气音速是为了把进气马赫指数无量纲化。

泰勒在试验中获得的进气门马赫指数Z_s与容积效率η_v之间的关系如图7-13所示。从图中可以看出，Z_s≤0.5（音速的1/2，约170m/s）时容积效率η_v的变化量小，得到最大值就可以获得高输出功率，但如果Z_s超过0.5，η_v会显著降低。泰勒指出在静态气门状态，容积效率仅为马赫指数的函数，在设计发动机时，其马赫指数不要超过0.6。在上式中，C_D，m值为0.3～0.4。

图7-13 进气马赫指数与容积效率之间的关系

通常，通过进气门和排气门的空气流速u_s、u_e设计为：u_s不超过60～70m/s、u_e不超过90～100m/s。发动机的平均有效压力在通过进气门的空气流速为u_s=40～50m/s时最大。即，发动机在此速度时能获得最大容积效率η_v，以此求得进气门直径d_v，s和升程h_v。例如，小型陆上用发动机为75m/s，大型陆上用发动机为37m/s，汽车发动机为45m/s，飞机活塞式发动机为75m/s左右。

排气马赫指数Z_e与进气门马赫指数相对应，定义为

式中，a_e为排出气体的音速；d_v，e为排气门的外径；C_D，m为排气门的平均流量系数。把进气门马赫指数式（7.16）与排气门马赫指数式（7.17）之比值称为流量比。

因排气温度较高，所以排出气体的音速a_e高于进入气体的音速a_s，并且排气门前后的压力差大于进气门，因此即使排气门的直径d_v，e小于进气门的直径d_v，s，容积效率η_v不会降低。但是，如果排气门的直径过小，则因排气压力的增加会导致残留废气量增加，反而会降低容积效率。

进排气门气体流动优化

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