发动机排气节气门的研究

摘要：通过对发动机的进、排气系统的理论研究和探索，论证排气通道可调截面积理论较好解决发动机各转速的排气量与固定排气通道截面积不匹配的矛盾。该理论可通过采用排气节气门技术来实现，排气节气门可使发动机实现自动调节排气通道截面积，减少排气损失、提高有效输出功率的比例、提升最大输出功率。

关键词：内燃机;排气系统;排气阻力;排气量;排气节气门

目前，大部分汽车发动机的排气通道的截面积都是固定不变的，在排气系统设计时，排气通道固定截面积只能在某一转速所对应的排气损失降至最小。而在车辆运行时，车辆对动力的需求是随着路况的变化而变化的;发动机的废气排放量也是随着发动机转速的增加面增大的。那么，在排气通道截而积不变的情况下：其结果是：1、排气阻力（背压）随着发动机转速升高而增大;2、自由排气量的比例随着发动机转速升高而减少;3、强制排气量比例随着发动机转速升高而增大;4、强制排气损失随着发动机转速升高而大幅增加[1]。该技术优于在排气管道中设置泄压阀，但在打开旁通气道前仍存在着固定排气通道截面积的全部缺陷。

至今仍未有妥善的解决方法情况下，现研究出有效解决上述矛盾的理论和技术方案。

一、现有的排气系统工作原理分析

现有排气系统作用，可在发动机每个转速都可使气缸内的换气工作状态最接近理想的换气工作状态，并使排气损失降至最小。理想的换气工作状态是在排气门刚完成关闭时，废气刚好全部排出缸外，新鲜空气流刚好到达排气门，此时，新鲜空气量最大，换气效率最高。

1.在现有车用发动机固定排气通道截面积的排气系统（简称原系统）。怠速时，由于排气量最小，排气阻力最小，排气绝对时间最长，气缸内的换气工作状态接近理想的换气工作状态。

从怠速逐渐增加至最大功率对应的转速时，排气绝对时间不断减少、排气阻力不断增大，惯性排气时间缩短;缸内残留废气不断接近最大值，气缸内的换气工作状态。

2.单纯减少排气背压的排气系统。在排气系统中通过不安装消声器，改装后，摩托车在路上慢行，都会不断出现轰油门（节气门）操作，继而发出雷鸣般排气声。究其原因：怠速时，由于不安装消声器，排气阻力大幅减少，废气排出以高速运行，在排气门关闭时部分新空气己被带出气缸外。结果使气缸内实际压比下降，改装后要重新设定转速要高于改装前的怠速。

这种简单地采用减小排气阻力的改装，是达到了增加了最大输出功率的目的，缺陷油耗增加，在怠速至原状态前的转速区域中，各转速所对应的扭矩偏低，实践反映，改装后的车辆起步加速需要有较改装前更高的转速，中速之后的加速反应比改装前的更快。

3.采用在排气管道中设置电磁阀的改装[2]。通过增加电控排气通道对排气系统的改装，是在保持改装前在低转速至中转速区域的输出扭矩的基础上，可在中、高转速区域增大排气通道截面积，以达到增大原最大输出功率对应转速的输出扭矩的目的。

电控排气通道开通的转速至改装前的最大功率的转速区间，由于排气通道截面积增大了，使得改装后的排气阻力、强制排气损失均小于改装前;气缸在该转速区间的各转速，其换气工作状态比改装前更接近理想工作状态，导致燃烧状况优于改装前、燃烧热效率高于改装前、有效输出功率比例大于改装前、在原最大输出功率转速所对应的输出扭矩大于改装前。

二、排气节气门的排气系统（简称可变排气系统）

可调排气通道截面积理论是：排气系统可根据发动机的转速自动调整排气通道截面积，令各个转速都有最佳排气通道截面积，使发动机在各个转速时的气缸内换气工作状态都更接近理想的换气工作状态[3]。

1.现有最接近实现可调排气通道截面積理论的可变排气系统，其设计方案是在排气系统中加入排气节气门装置，可变排气系统的最大排气通道截面积比原系统的排气通道截面积要大，可变排气系统可根据发动机各转速的排气需求，通过调整节气门开度，使各个转速对应的排气通道截面积可在最大排气通道截面积与最小排气通道截面积范围内调整。

2.与原系统相比，可变排气系统具有的性能是，可在原最大功率对应的转速时，有更大的排气通道截面积，使排气阻力减至更小;从而使发动机可在高转速、大负荷时产生更多的自由排气量、更少的强制排气损失、保持惯性排气时间不变，在各个转速下，都可使气缸内的换气工作状态比原系统最接近理想的换气工作状态。

3.排气节气门的工作原理：怠速时，排气节气门关闭，排气通道截面积为基本通气孔，由于排气量最小，排气阻力最小，排气绝对时间最长，气缸内的换气工作状态接近理想的换气工作状态。

三、采用排气节气门的理论依据

1.已知的换气理论：“排气损失由提前排气损失和强制排气损失组成”[1]。“最佳的排气损失是提前排气损失与强制排气损失之和为最小” [1]。最佳的排气提前角“应随转速提高适当增大排气提前角。”[1]如排气提前角不随转速的增加而增大的话，将大大增加强制排气损失。

2.当发动机的排气提前角固定时，则只有一个最佳转速可满足“排气损失是提前排气损失与强制排气损失之和为最小”的理论。

四、结论

经过分析和研究，论证可变排气系统与原系统对发动机的动力性和经济性的差别，以及其可变排气系统比原系统更先进的理论依据。结论如下：

1.在动力性方面：由于原系统的排气阻力随发动机转升高而增大的，会妨碍发动机的最大输出功率和有效输出功率。所以，可变排气系统可随发动机转速升高而增大排气通道截面积，致使排气阻力随发动机转升高而增大的绝对值小于原系统，使排气损失小于原系统。

2.可变排气系统具有可调排气通道截面积的功能，既保障了发动机在低转速时的输出扭矩不下降，又可以减缓排气阻力随发动机转速的增加而增大的效应。

参考文献：

[1]闫大建.汽车发动机原理与汽车理论[M].北京：国防工业出版社，2010.

[2]赵思远.莫嘉林.发动机排气背压电动调节系统：中国，201720157631.3[P].2018-01-16.

[3]罗敏贤.莫嘉林.发动机排气节气门系统：中国，ZL201820272387.X[P].2018-09-25.

[4]陈惠娜.莫嘉林.发动机可调排气管通道截面积系统：中国，ZL201820264214.3[P].2018-09-25.