摩托車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管處加裝單向閥的試驗研究

1、摩托車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管處加裝單向閥的試驗研究劉長城,張小印,謝宗法(山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院車輛工程研究所,濟(jì)南250061)摘要:利用單向閥的單向?qū)ㄐ?防止發(fā)動機(jī)中低速工況進(jìn)氣反噴,改善發(fā)動機(jī)中低速性能和分析其應(yīng)用的現(xiàn)實意義,對試驗用單向閥的結(jié)構(gòu)和可行性進(jìn)行論證,最后通過實驗數(shù)據(jù)對裝單向閥和未裝單向閥的發(fā)動機(jī)性能進(jìn)行比較,證明此項技術(shù)的可行性。關(guān)鍵詞:單向閥; 配氣定時; 反噴中圖分類號:TK413. 4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1673 - 6397 (2007) 06 - 0011 - 04Test and Research on Check Valve on Intake Pipe of

2、Motorcycle EngineLIU Chang - cheng1 , ZHANG Xiao - yin1 , XIE Zong - fa1(1. School of Mechanical Engineering , Shandong University , Jinan 250061 , China)Abstract :Check valve is used to prevent the engine from Inverse Inlet Flow at middle and low speedto improve engine performance. Check valve and

3、its feasibility is tested and verified. Engine performancewith check valve is compared with that without check valve. The test data presents its feasibility.Key Words :Check Valve ; Valve Timing ; Inverse Inlet Flow作者簡介:劉長城(1980 - ) ,碩士,主要從事發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的研究。收稿日期:2007 - 10 - 22引言目前為了提高各工況下發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動力性,多采用可變

4、配氣定時技術(shù),但此項技術(shù)多應(yīng)用于汽車發(fā)動機(jī),需對發(fā)動機(jī)進(jìn)行重新設(shè)計,相對比較復(fù)雜,技術(shù)要求和制造成本都較高,以及受摩托車自身尺寸等因素的限制,使得目前的定時配氣技術(shù)在摩托車等小型車輛上的應(yīng)用有很大限制。大部分摩托車用發(fā)動機(jī)的配氣系統(tǒng)比較簡單,氣門開閉時間和氣門升程都是不可變的。其凸輪型線多為滿足高轉(zhuǎn)速工況而設(shè)計,但摩托車多在中小轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)。因高轉(zhuǎn)速時進(jìn)氣速度高,進(jìn)氣慣性大可以使進(jìn)氣時間延長,所以進(jìn)氣遲閉角較大,但在中小轉(zhuǎn)速下,由于進(jìn)氣慣性變小,這時如果進(jìn)氣門仍以高速時的進(jìn)氣遲閉角關(guān)閉,則在進(jìn)氣后期將會使進(jìn)入氣缸中的部分混合氣體反向噴入進(jìn)氣道,造成發(fā)動機(jī)“反噴”。使發(fā)動機(jī)在中小轉(zhuǎn)速下的工作情況惡

5、化,進(jìn)氣效率降低,同時由于空氣在進(jìn)氣道中往復(fù)運動,還會造成化油器多次噴油,使燃油消耗大幅增加,多次噴油使可燃混合氣變濃,不利于燃燒,對發(fā)動機(jī)的工作不利,導(dǎo)致發(fā)動機(jī)工作不穩(wěn)甚至熄火,此外還導(dǎo)致尾氣中有害氣體的增加。這次試驗研究的目的就是利用單向閥的單向?qū)ㄔ硎乖谥械退俟r下進(jìn)入氣缸內(nèi)的氣體不能回流,防止發(fā)動機(jī)反噴,供給發(fā)動機(jī)適量的可燃混合氣。但其亦帶來負(fù)面影響,因單向閥安裝在進(jìn)氣管處使進(jìn)氣阻力增大,影響進(jìn)氣效率尤其對高速時的進(jìn)氣影響更為嚴(yán)重,導(dǎo)致高速工況下進(jìn)氣不足,發(fā)動機(jī)功率下降。但可以通過對單向閥的優(yōu)化設(shè)計或?qū)M(jìn)氣道的結(jié)構(gòu)改進(jìn)來彌補這方面的不足,不過后者顯然較復(fù)雜且使成本增高,因此對單向閥進(jìn)

6、行優(yōu)化設(shè)計是經(jīng)濟(jì)可行的方法。2007 年第6 期(總第102 期) 內(nèi)燃機(jī)與動力裝置I. C. E & Powerplant 2007 年12 月1 實驗系統(tǒng)1. 1 單向閥的結(jié)構(gòu)由于進(jìn)氣管處單向閥的安裝使進(jìn)氣阻力增加,因此必須在結(jié)構(gòu)上使進(jìn)氣阻力盡量降低,同時還要考慮在進(jìn)氣過程中產(chǎn)生的高頻空氣震動。本次實驗所用的單向閥為彈簧片式結(jié)構(gòu),其外觀如圖1 所示。主要是由三部分組成的,包括殼體,閥芯以及用以密封的橡膠墊片。閥芯由簧片和限位擋片組成,限位擋片的作用是防止彈簧片變形過度導(dǎo)致無法復(fù)位,造成氣體泄露,失去單向閥的功能。另外閥芯體上安裝彈簧片的位置經(jīng)過硫化處理,鍍上了一層橡膠,以保證其密封

7、效果,另外還能起到防腐蝕的作用。圖1 單向閥外觀1. 2 單向閥的安裝單向閥安裝在進(jìn)氣道處,位于化油器與發(fā)動機(jī)之間,如圖3 所示。圖2 是沒有安裝單向閥時的狀態(tài)。由圖可知,加裝單向閥后進(jìn)氣管道的長度增加,進(jìn)氣系統(tǒng)體積變大,所以在摩托車上應(yīng)用時要對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。圖2 沒有安裝單向閥的發(fā)動機(jī)圖3 安裝單向閥后的發(fā)動機(jī)1. 3 單向閥結(jié)構(gòu)分析計算需要的的GS125 發(fā)動機(jī)性能參數(shù):型號K157FMI形式單缸風(fēng)冷四沖程缸徑(mm) ×沖程(mm) 57 ×48. 8氣缸工作容積(ml) 124標(biāo)定功率及其相應(yīng)轉(zhuǎn)速(kw/ r/ min)7. 5/ 9500最大功率及其相應(yīng)轉(zhuǎn)

8、速(kw/ r/ min)8. 3/ 9500最低空載穩(wěn)定轉(zhuǎn)速(r/ min)14501. 3. 1 單向閥截面當(dāng)發(fā)動機(jī)運行時,進(jìn)氣道中的空氣流速極高。根據(jù)氣體流體力學(xué)要使配氣系統(tǒng)能正常工作必須使進(jìn)氣道內(nèi)的氣體流速為亞音速,并保證對發(fā)動機(jī)供氣充分,就要對單向閥的最小截面積進(jìn)行限制,確定單向閥最小截面積的計算如下。當(dāng)發(fā)動機(jī)處于最高轉(zhuǎn)速時,理論空氣流量為:qv = 0. 5 ×V ×n = 0. 5 ×124ml ×9500r/ min= 9817ml/ s要使空氣流速不超過音速,則單向閥的最小截面積為:S = qv/ v = 9817ml/ s/ 340m

9、/ s = 29mm2即單向閥的最小截面積必須大于29mm2 。1. 3. 2 單向閥的自振頻率單向閥在工作時處于高速氣流中,彈簧片高速震動,為了保證單向閥的使用性能,彈簧片自身振動頻率必須要遠(yuǎn)高于氣流流動的頻率。通過計算來得出空氣流流動的頻率范圍。fmin = 0. 5 ×nmin = 0. 5 ×1450/ 60 Hz = 12. 1 Hzfmax = 0. 5 ×nmax = 0. 5 ×9500/ 60 Hz = 79. 2 Hz由此可知,空氣流的頻率范圍為12Hz80Hz ,只有彈簧片的自振頻率高于80Hz 才能保證單向閥性能的穩(wěn)定,起到單向?qū)?/p>

10、通,防止發(fā)動機(jī)反噴的目·12 · 內(nèi)燃機(jī)與動力裝置2007年12月的。2 實驗數(shù)據(jù)通過實驗得出未加單向閥和加裝單向閥后的發(fā)動機(jī)功率,扭矩,油耗,CO 和HC 的排量等曲線對比圖如下:圖4 功率曲線2. 1 曲線圖圖5 扭矩曲線圖圖6 油耗曲線圖圖7 CO 排放曲線圖8 HC 排放曲線3 結(jié)果分析由曲線圖可知,無論在功率、扭矩、油耗,還是排放上,安裝單向閥后的發(fā)動機(jī)與安裝之前的性能都有明顯的區(qū)別。對于功率,以轉(zhuǎn)速4500r/ min 為分界點,在低于4500r/ min 時,安裝單向閥后的發(fā)動機(jī)功率要比沒有安裝時功率高0. 15kW左右,轉(zhuǎn)速大約為4500 r/ min時前后

11、功率相當(dāng),在高于4500 r/ min 時原機(jī)的功率又高于安裝單向閥的功率,尤其是在8000 r/ min 之后差距尤為明顯。原因是在低速區(qū)域單向閥起到了很好的防止發(fā)動機(jī)反噴的效果,使發(fā)動機(jī)性能有了明顯提高。但在高速大功率時發(fā)動機(jī)將不會出現(xiàn)反噴現(xiàn)象,這時由于單向閥的存在增加了進(jìn)氣阻力,使進(jìn)氣損失增大和進(jìn)氣不充分,導(dǎo)致發(fā)動機(jī)功率下降。對于扭矩,以轉(zhuǎn)速5000 r/ min 為分界點,在低于5000 r/ min 時安裝單向閥的發(fā)動機(jī)扭矩輸出要大于沒有安裝單向閥的發(fā)動機(jī),在轉(zhuǎn)速達(dá)到5000 r/ min時前后扭矩變化不大, 在高于5000 r/ min 尤其是7000 r/ min 之后原機(jī)性能明

12、顯優(yōu)于改裝后的發(fā)動機(jī)。原因仍然是在低速端單向閥防止了發(fā)動機(jī)反噴而在高速大工況下反而阻礙了進(jìn)氣。最后為油耗和排放,油耗變化很明顯,以65002007年第6期劉長城,等:摩托車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣和處加裝單向閥的試驗研究·13 ·r/ min為分界點, 在低速時省油效果非常顯著, 在5000 r/ min 處油耗降低最多,可油耗率可下降18 %;6500 r/ min 之后改裝后的發(fā)動機(jī)油耗超過了原機(jī)在6500 r/ min 之后的油耗。在排放方面,HC 排放只有在3500 r/ min5000r/ min 之間改裝后的發(fā)動機(jī)排放要優(yōu)于原機(jī)排放,而CO 排放在2000 r/ min400

13、0r/ min之間兩種方案無太大差別, 在4000 r/ min7200 r/ min之間改裝后的發(fā)動機(jī)要明顯優(yōu)于原機(jī),7200 r/ min之后原機(jī)排放又重新好于改裝方案。分析原因是在低速階段原機(jī)由于發(fā)動機(jī)反噴造成混合氣過濃,使得燃燒不充分,而安裝單向閥后雖然防止了反噴,但由于進(jìn)氣阻力增加,造成進(jìn)氣不充分,使燃燒狀況變差;而在中速工況下單向閥的作用比較顯著,不僅防止了發(fā)動機(jī)反噴,而且還為發(fā)動機(jī)提供了最佳混合比的可燃混合氣,因此排放更好。4 結(jié)論由實驗數(shù)據(jù),曲線以及分析可以看出,安裝單向閥后發(fā)動機(jī)在中低速階段,無論是功率,扭矩,油耗還是排放方面都得到了很好的改善,這就從試驗中驗證了當(dāng)初理論的可

14、行性,由于單向閥的結(jié)構(gòu)還并不完善,對于進(jìn)氣阻力的問題還應(yīng)該做更深入的分析和探討,通過理論與實驗找出最佳的設(shè)計方案。初步可以考慮在低速小功率下使單向閥介入工作,高速大功率情況下使單向閥不起作用,進(jìn)一步減小安裝單向閥對進(jìn)氣的影響,使防止發(fā)動機(jī)反噴與進(jìn)氣性能提高之間的關(guān)系得以解決。另外,這種改裝方法造價低廉,技術(shù)方面要求較低,是一種非常實用的新型技術(shù),除了應(yīng)用在摩托車等小型車輛上之外,單向閥還可以應(yīng)用到?jīng)]有定時配氣系統(tǒng)的普通汽車上。無論是經(jīng)濟(jì)效益,社會效益還是對于保護(hù)自然環(huán)境都是非常有利的。此外,盡管本次實驗所用單向閥結(jié)構(gòu)很不成熟,但發(fā)動機(jī)的各項性能指標(biāo)在中小負(fù)荷下都有顯著提高,相信隨著后期實驗用單向閥的完善,能擴(kuò)大其工作過程的范圍,使其可應(yīng)用的轉(zhuǎn)速點后移。參考文獻(xiàn):1 陳家瑞. 汽車構(gòu)造(上冊) 第二版北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2005 - 01 ,