摩托车发动机进气管处加装单向阀的试验研究

1、摩托车发动机进气管处加装单向阀的试验研究刘长城,张小印,谢宗法(山东大学机械工程学院车辆工程研究所,济南250061)摘要:利用单向阀的单向导通性,防止发动机中低速工况进气反喷,改善发动机中低速性能和分析其应用的现实意义,对试验用单向阀的结构和可行性进行论证,最后通过实验数据对装单向阀和未装单向阀的发动机性能进行比较,证明此项技术的可行性。关键词:单向阀; 配气定时; 反喷中图分类号:TK413. 4 文献标识码:A 文章编号: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作者简介:刘长城(1980 - ) ,硕士,主要从事发动机进气系统的研究。收稿日期:2007 - 10 - 22引言目前为了提高各工况下发动机的经济性和动力性,多采用可变

4、配气定时技术,但此项技术多应用于汽车发动机,需对发动机进行重新设计,相对比较复杂,技术要求和制造成本都较高,以及受摩托车自身尺寸等因素的限制,使得目前的定时配气技术在摩托车等小型车辆上的应用有很大限制。大部分摩托车用发动机的配气系统比较简单,气门开闭时间和气门升程都是不可变的。其凸轮型线多为满足高转速工况而设计,但摩托车多在中小转速下运转。因高转速时进气速度高,进气惯性大可以使进气时间延长,所以进气迟闭角较大,但在中小转速下,由于进气惯性变小,这时如果进气门仍以高速时的进气迟闭角关闭,则在进气后期将会使进入气缸中的部分混合气体反向喷入进气道,造成发动机“反喷”。使发动机在中小转速下的工作情况恶

5、化,进气效率降低,同时由于空气在进气道中往复运动,还会造成化油器多次喷油,使燃油消耗大幅增加,多次喷油使可燃混合气变浓,不利于燃烧,对发动机的工作不利,导致发动机工作不稳甚至熄火,此外还导致尾气中有害气体的增加。这次试验研究的目的就是利用单向阀的单向导通原理使在中低速工况下进入气缸内的气体不能回流,防止发动机反喷,供给发动机适量的可燃混合气。但其亦带来负面影响,因单向阀安装在进气管处使进气阻力增大,影响进气效率尤其对高速时的进气影响更为严重,导致高速工况下进气不足,发动机功率下降。但可以通过对单向阀的优化设计或对进气道的结构改进来弥补这方面的不足,不过后者显然较复杂且使成本增高,因此对单向阀进

6、行优化设计是经济可行的方法。2007 年第6 期(总第102 期) 内燃机与动力装置I. C. E & Powerplant 2007 年12 月1 实验系统1. 1 单向阀的结构由于进气管处单向阀的安装使进气阻力增加,因此必须在结构上使进气阻力尽量降低,同时还要考虑在进气过程中产生的高频空气震动。本次实验所用的单向阀为弹簧片式结构,其外观如图1 所示。主要是由三部分组成的,包括壳体,阀芯以及用以密封的橡胶垫片。阀芯由簧片和限位挡片组成,限位挡片的作用是防止弹簧片变形过度导致无法复位,造成气体泄露,失去单向阀的功能。另外阀芯体上安装弹簧片的位置经过硫化处理,镀上了一层橡胶,以保证其密封

7、效果,另外还能起到防腐蚀的作用。图1 单向阀外观1. 2 单向阀的安装单向阀安装在进气道处,位于化油器与发动机之间,如图3 所示。图2 是没有安装单向阀时的状态。由图可知,加装单向阀后进气管道的长度增加,进气系统体积变大,所以在摩托车上应用时要对其结构进行相应的调整。图2 没有安装单向阀的发动机图3 安装单向阀后的发动机1. 3 单向阀结构分析计算需要的的GS125 发动机性能参数:型号K157FMI形式单缸风冷四冲程缸径(mm) ×冲程(mm) 57 ×48. 8气缸工作容积(ml) 124标定功率及其相应转速(kw/ r/ min)7. 5/ 9500最大功率及其相应转

8、速(kw/ r/ min)8. 3/ 9500最低空载稳定转速(r/ min)14501. 3. 1 单向阀截面当发动机运行时,进气道中的空气流速极高。根据气体流体力学要使配气系统能正常工作必须使进气道内的气体流速为亚音速,并保证对发动机供气充分,就要对单向阀的最小截面积进行限制,确定单向阀最小截面积的计算如下。当发动机处于最高转速时,理论空气流量为:qv = 0. 5 ×V ×n = 0. 5 ×124ml ×9500r/ min= 9817ml/ s要使空气流速不超过音速,则单向阀的最小截面积为:S = qv/ v = 9817ml/ s/ 340m

9、/ s = 29mm2即单向阀的最小截面积必须大于29mm2 。1. 3. 2 单向阀的自振频率单向阀在工作时处于高速气流中,弹簧片高速震动,为了保证单向阀的使用性能,弹簧片自身振动频率必须要远高于气流流动的频率。通过计算来得出空气流流动的频率范围。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,空气流的频率范围为12Hz80Hz ,只有弹簧片的自振频率高于80Hz 才能保证单向阀性能的稳定,起到单向导

10、通,防止发动机反喷的目·12 · 内燃机与动力装置2007年12月的。2 实验数据通过实验得出未加单向阀和加装单向阀后的发动机功率,扭矩,油耗,CO 和HC 的排量等曲线对比图如下:图4 功率曲线2. 1 曲线图图5 扭矩曲线图图6 油耗曲线图图7 CO 排放曲线图8 HC 排放曲线3 结果分析由曲线图可知,无论在功率、扭矩、油耗,还是排放上,安装单向阀后的发动机与安装之前的性能都有明显的区别。对于功率,以转速4500r/ min 为分界点,在低于4500r/ min 时,安装单向阀后的发动机功率要比没有安装时功率高0. 15kW左右,转速大约为4500 r/ min时前后

11、功率相当,在高于4500 r/ min 时原机的功率又高于安装单向阀的功率,尤其是在8000 r/ min 之后差距尤为明显。原因是在低速区域单向阀起到了很好的防止发动机反喷的效果,使发动机性能有了明显提高。但在高速大功率时发动机将不会出现反喷现象,这时由于单向阀的存在增加了进气阻力,使进气损失增大和进气不充分,导致发动机功率下降。对于扭矩,以转速5000 r/ min 为分界点,在低于5000 r/ min 时安装单向阀的发动机扭矩输出要大于没有安装单向阀的发动机,在转速达到5000 r/ min时前后扭矩变化不大, 在高于5000 r/ min 尤其是7000 r/ min 之后原机性能明

12、显优于改装后的发动机。原因仍然是在低速端单向阀防止了发动机反喷而在高速大工况下反而阻碍了进气。最后为油耗和排放,油耗变化很明显,以65002007年第6期刘长城,等:摩托车发动机进气和处加装单向阀的试验研究·13 ·r/ min为分界点, 在低速时省油效果非常显著, 在5000 r/ min 处油耗降低最多,可油耗率可下降18 %;6500 r/ min 之后改装后的发动机油耗超过了原机在6500 r/ min 之后的油耗。在排放方面,HC 排放只有在3500 r/ min5000r/ min 之间改装后的发动机排放要优于原机排放,而CO 排放在2000 r/ min400

13、0r/ min之间两种方案无太大差别, 在4000 r/ min7200 r/ min之间改装后的发动机要明显优于原机,7200 r/ min之后原机排放又重新好于改装方案。分析原因是在低速阶段原机由于发动机反喷造成混合气过浓,使得燃烧不充分,而安装单向阀后虽然防止了反喷,但由于进气阻力增加,造成进气不充分,使燃烧状况变差;而在中速工况下单向阀的作用比较显著,不仅防止了发动机反喷,而且还为发动机提供了最佳混合比的可燃混合气,因此排放更好。4 结论由实验数据,曲线以及分析可以看出,安装单向阀后发动机在中低速阶段,无论是功率,扭矩,油耗还是排放方面都得到了很好的改善,这就从试验中验证了当初理论的可

14、行性,由于单向阀的结构还并不完善,对于进气阻力的问题还应该做更深入的分析和探讨,通过理论与实验找出最佳的设计方案。初步可以考虑在低速小功率下使单向阀介入工作,高速大功率情况下使单向阀不起作用,进一步减小安装单向阀对进气的影响,使防止发动机反喷与进气性能提高之间的关系得以解决。另外,这种改装方法造价低廉,技术方面要求较低,是一种非常实用的新型技术,除了应用在摩托车等小型车辆上之外,单向阀还可以应用到没有定时配气系统的普通汽车上。无论是经济效益,社会效益还是对于保护自然环境都是非常有利的。此外,尽管本次实验所用单向阀结构很不成熟,但发动机的各项性能指标在中小负荷下都有显著提高,相信随着后期实验用单向阀的完善,能扩大其工作过程的范围,使其可应用的转速点后移。参考文献:1 陈家瑞. 汽车构造(上册) 第二版北京: 机械工业出版社,2005 - 01 ,