摩托车发动机进气性能改进分析

汪允志

摘要：当前摩托车为了提高发动机各方面性能，相关设计人员对摩托车发动机自身潜能进行了挖掘，让其发动机向多气门的方向发展，逐步深化摩托车的发动机性能。摩托车发动机高负荷和低负荷之间存在一定差异性，在实际性能提升方面需要对其进行综合考虑，站在燃油的经济性和排放性方面进行分析，其二者也是主要冲突之一，此类问题不能仅只靠增减气门数量进行改善，需要从设计方案上入手。我国中小型发动机自身具有一定劣势，比如说结构的紧凑性，转速较高等问题，在结合布局问题，严重制约了摩托车发动机的设计工作。为了改变以上问题本文先对凸轮进行了改进设计，后又结合结构问题，在其范围内对发动机进气系统进行设计完善，改变发动机的进气性能。

关键词：摩托车;发动机;进气性能;改进

引言：

摩托车在发动机转速方面具有一定特點，比如说整体转速较快的问题，一般情况下，转速可以达到一分钟一万转的效果。摩托车发动机结构较为紧凑，一般发动机会选择两气门的结构。此类发动机自身能力较强，但由于进气门数量少的原因，进气的阻力较大，在性能方面会受到一定影响。因此需要改善摩托车发动机的进气性能，以满足摩托车实际需求;提高整体动力性能，在改进设计时，设计人员需要站在经济性和废气排放实际情况入手，必须符合国家相关标准，才可进行改进设计工作。在进行发动机进气系统改进时，要确保改进之后可以有明显效果，满足实际设计需求。

一、凸轮的改进设计

对于摩托车发动机中的凸轮而言，此类凸轮具有一定特点，比如说运动质量小，整体刚度大的优势，此过程中气门整体升程较大，在高速内燃机中可以发挥出实质作用，因此也对摩托车自身较为有利。此类凸轮不仅可以满足摩托车运行需求，还能提高发动机自身功能，所以也被广泛应用在摩托车发动机中。但是此类凸轮自身结构较为复杂，凸轮轮廓会随着气门的运动产生自身运动规律，摇臂和凸轮、气门方面都会随着摩托车的运行而发生一定的改变，比如说位置问题，位置问题会直接影响凸轮的升程。在进行进气凸轮设计工作时，设计人员需要先确定气门理论中所涵盖的参数，然后再结合二者之间的关系，以此驱动传动关系，确定凸轮升程。

（一）气门规律确定

在摩托车发动机中，如果不考虑配气结构发生形变问题，那么气门自身会随着实际运动规律形成相应理论规律。发动机为了满足气门自身功能实现，会有落座小和规避飞脱现象的要求，其中气门理论运动规律也要随着凸轮自身型线和多项组合内容进行设计工作，此项内容也是气门自身的特点。本文中选择七项式高次方函数，确定气门理论升程函数，计算需要结合中气门理论升程进行分析。在计算过程中为了满足凸轮最大升程转角的计算，设计人员还需以最开始的转角为基础，绕凸轮一周，计算出凸轮轴转角的函数。在计算过程中很多参量为待定参量，在计算时可以自行建立边界条件，得出最终的结论。如果有确定的参数进行计算，则可以应用待定指数，算出正整数值，得出气门理论升程中最为丰满的系统值，此类数值最终可以通过最优解进行计算求解工作，建立出最优化的设计模型，还能显示出凸轮的最小曲率和最小曲率的半径。结合相应的数据内容，融入极限值计算最大加速度，从而优化设计问题，还可通过气门理论升程丰满各项系数，通过指数和对应系数的比值，确定气门理论升程的函数。

（二）凸轮升程值

凸轮的升程值是通过气门理论升程函数得出。摇臂驱动气门具体图片如图一所示。在摇臂简化图中看出，将摇臂定义为一个支点，通过支点摆杆，再结合两个摆针让其在凸轮表面形成垂直状态，最终使其垂直方向与气门杆端面达成平行状态。在此过程中发现，气门中心线是垂直线，垂直线与摆针的延长线形成了交叉的点，将各类线条连接，发现其最终形成了一个三角形。在对比两个三角形相互关系时，可以结合各项数据求出凸轮的升程值。

（三）凸轮设计

结合上述中各类设计方法，相关改进人员对摩托车发动机中的凸轮进行了改进工作，改进工作要与相关标准相吻合，不得改进其他构件，改进还需结合我国国家相关构件数据标准进行，满足最终改进需求。新设计凸轮的气门理论运动升程加速图，如图2所示。在新设计中不难看出，凸轮的气门升程丰满系数较高，并且在正加速度宽度方面也有了新的转变，其中最大加速度和缓冲段的终点速度都发生了变化。在设计工作中各类设计参数特点可以从图中看出，气门理论升程函数中的各类参数均在增加，所以在优化设计中结构最终的系数也会发生提高，最终让气门开启后的面值不断增大，此时改变发动机自身性能则可以满足近期性的功能需求。

在气门理论运动规律中，如果正加速度中宽度增加，那么最大加速度的值就会与摩托车原发动机相吻合。改进设计工作中所得出的各类参数是凸轮配气结构中的与动力学有关的数值，此项改善工作主要目的是为了改善传统发动机中弊端，提高原发动机的性能。改进人员为了验证新设计后的凸轮对发动机的影响，试验人员还需对其进行试验，将其放置试验台，通过测试，确保发动机在各种转速下的充气情况。随着充气效率和质量的改变，整体数据也形成了曲线，在曲线中看出新设计出的凸轮与传统凸轮相比较，发动机在充气效率方面有所改善，尤其是在高转速的情况下，充气效率已肉眼可见的速度提高。

二、进气系统的改进设计

对于摩托车发动机进气系统而言，高负荷的工作会让其产生进气谐振现象，此类现象严重影响了操作者的使用感，为了规避这一类问题，本文对摩托车进气系统作出了改进设计。进气系统在进气过程中，活塞在进行下行运动时，会使其进气管内发生膨胀问题，膨胀问题主要由膨胀波引起。膨胀波在进气系统中会形成反射现象，反射现象主要是在开口端，后期还会形成压缩波问题，压缩波最后向气缸的方向传播。

在一定条件下，压缩波强度较大的变化直接制约发动机进气系统工作，进气处如果压力较大的话，会增加发动机的进气量，进气量的增加会提高充气效率，充气效率在压力管道中的运行一般是两个来回，此传播流程也是一个传播周期，因此可以通过改变压力波的振动频率，改善谐振现象，从而改进充气效率，让其充气效率有所提升，并且达到最大值。

在对比频率方面，摩托车发动机标定的转速应该在规定范围内，其中管内的空气会由于温度的变化而变化，所以可以从改变进气管道的长度完善此项内容。在改进工作之中，综合考虑了进气管道长度问题后，发现进气管道分为进气道、进气管、化油器等部分，各类部件的结合，使其进气管的长度较长，如果想要改变进气管的长度，需要结合充气效率合理改进。充气效率要结合摩托车发动机不同运动状态下所形成数据，将其整合成为曲线图，通过曲线图实际情况，分辨出数值。

与传统的进气管设计方案相比较，如果进气管的长度加长，那么摩托车发动机中的充气效率就会发生改善，整体充气效率有所提升，此时如果转速超过规定转速后，充气效率则会开始下降，并且以最快的速度下降，此时进气管中的充气效率有明显下降趋势，并且效率波动很难被发现，甚至还会降低到最低点。总而言之，无论任何方案进行发动机的改变工作，都需结合进气管长度进行改善，其中充气效率状态在不断改变下，摩托车发动机转速就会提升，因此进气管是当前摩托车发动机设计改善的根本，需要得到相关设计人员的重视。

在进气通路设计时，通常比较重视气缸头进气道的设计，而忽略了进气管的设计，实际上在进气通路设计时，应考虑整个进气系统，包含自喉口至气门的整个通路，要保证整个通路的走势顺畅，且截面过渡顺滑，各关键部位的截面积比例分布均匀，各部件连接处应保证不能存在逆向台阶的基本要求，设计时考虑尺寸散差的影响，通常上游部件的截面要大于下游部件界面0.5mm左右，在确定完进气通路整体布局、走势、截面积比例关系后，要对气道各截面的流速进行计算，确保气道具有较高的进气流速，从而保证发动机燃烧室内能获得相对较高的气流速度，形成较高的湍动能，以提高发动机低速时的性能，以及部分负荷时的过渡性，并且可以提高燃烧效率，获得较好的燃油经济性。下图三是基于上述设计原则对进气管及整个进气通路进行优化后的性能对比图;新方案是包含进气凸轮优化设计以及进气管和整个进气通路的优化设计的综合方案，新的进气管改变了传统进气管的设计，采用了倒锥形的气道，并且进行了加长，其中锥体大端与化油器相连，经过计算及气道的优化设计，消除常用转速工况下的谐振效应;新方案在各转速下，充气效率及进气流速均得到了较大的提高，整体效果较为明显，经过优化，发动机整机性能得到了明显的提升。综合以上改进措施，提高发动机性能的核心是改善其进气，应对整个进气系统进行综合考虑，整体优化设计，而不应执着与某一个孤立的部件或参数。

结论：在凸轮设计中，应用了七项式高次方函数为后续气门理论升程函数提供了理论依据，从而实现气门开启时的面值需求，改变了摩托车发动机的进气功能。高转速的摩托车发动机，一直有明显的谐振情况，为了规避此类现象，相关设计人员改变了进气管的长度，在改善之后，实验表明了以上两个构件的改善提高了发动机整体性能，并且也让各项问题得到了解决。

参考文献：

[1]王俊杰，对主流125CC摩托车发动机性能分析与改进. 浙江省，台州出入境检验检疫局，2019-10-28.

[2]曹心诚，卢莉，谢宗法，顾珂韬.改进摩托车发动机进气性能的研究[J].小型內燃机与摩托车，2019（05）：22-25.