柴油机进气（充量）系数的定义公式和物理意义
摘要：柴油机的进气系数也称为充量系数、充气效率或容积效率，它是一个衡量实际进入气缸的新鲜空气量与理论状态下气缸工作容积能够容纳的空气量之比的参数。简单来说，它表示发动机在进气冲程中，气缸实际填满新鲜空气的程度。因此，进气系数 ηᵥ 是柴油机呼吸能力的量化体现，直接关联动力性、经济性、排放及可靠性，是柴油发电机组设计与优化的黄金参数之一。
一、进气系数定义公式
柴油机进气系数（充量系数/充气效率/容积效率）的标准定义公式是分析柴油机动力性、燃烧效率及排放优化的核心基础，示意如图1所示。公式如下：
ηv=mactual÷mtheoretical
1、公式解析
ηv——表示进气系数（Volumetric Efficiency），无量纲（通常以百分比表示）。
mactual——实际进入气缸的新鲜空气质量（单位：kg/循环）。需通过实验测量（如空气流量计）或仿真计算获得。
mtheoretical——理论空气质量（单位：kg/循环）。指在进气歧管状态（压力Pi、温度Ti）下，气缸工作容积Vh所能容纳的空气质量：
mtheoretical=（Pi•Vh）÷（R•Ti）
式中，Pi——进气歧管绝对压力（Pa）；Ti——进气歧管绝对温度（K）；Vh——单缸工作容积（m³）；R：空气的气体常数（287J/（kg·K））。
2、公式的物理意义
（1）分子mactual：真实吸入的空气量，受进气阻力、温度、气门正时等因素影响。
（2）分母mtheoretical：理想状态下气缸能容纳的空气量（按进气歧管状态计算）。
示例：若ηv=0.85，表示实际进气量达到理论最大值的85%。
表1 柴油机进气系数符号与物理意义
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符号
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物理意义
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单位
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ηv
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进气系数（充气效率）
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无量纲
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mactual
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实际进入气缸的空气质量
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kg/循环
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mtheoretical
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进气歧管状态下气缸容积的理论空气质量
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kg/循环
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Pi
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进气歧管绝对压力
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Pa
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Ti
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进气歧管绝对温度
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K
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Vh
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单缸工作容积
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m³
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3、采用进气歧管状态的原因（Pi，Ti）
理论空气质量mtheoretical的参考状态是进气门前的条件（即进气歧管），而非环境状态。这是因为：
（1）空气进入气缸前会经过滤清器、进气管等，其压力/温度已变化。
（2）增压柴油机的Pi显著高于大气压（理论值更大，ηv>1成为可能）。
图1 发动机进气（充量）系数示意图
二、进气系数的意义
进气系数（充量系数/充气效率，ηᵥ）是衡量柴油机进气系统效能的核心参数，进气示意如图2所示。其意义主要体现在以下方面：
1、直接决定动力性能
（1）功率与扭矩的“天花板”
柴油机的功率输出取决于每循环燃烧的燃油量，而燃油量受限于可用空气量（必须保证充分燃烧）。进气系数 ηᵥ 越高，意味着单位时间内进入气缸的空气更多，可喷入的燃油量增加，从而提升最大功率和扭矩。
公式关联：
Pₑ∝ηᵥ •ηc•Hu•ρi
式中，Pₑ——有效功率；ηc——燃烧效率；Hu——燃油热值；ρi——进气密度）
（2）增压柴油机的关键优势
涡轮增压技术通过提高进气压力 Pi，使 mtheoretical显著增大，ηᵥ 可超过 100%（如 ηᵥ=1.2~1.5），这是现代柴油机高功率密度的核心原因。
2、影响燃油经济性与排放
（1）燃烧效率优化
ηᵥ 越高，气缸内氧气越充足，燃油燃烧更完全，热效率提升，燃油消耗率（BSFC）降低。
（2）减排关键因素
① 碳烟（PM）减少：富氧环境抑制不完全燃烧产生的碳颗粒。
② CO/HC 降低：氧气充足时，CO 和未燃 HC 进一步氧化。
③ NOx 的权衡：高温富氧环境会增加 NOx，需通过 EGR（废气再循环）协调。
3、反映进气系统设计优劣
（1）诊断进气阻力问题
ηᵥ 下降可能提示：
① 空气滤清器堵塞；
② 进气管路泄漏或变形；
③ 气门积碳导致流通面积减小；
④ 涡轮增压器效率降低（如增压压力不足）。
（2）优化方向
通过提高 ηᵥ 可指导改进：
① 多气门设计（如四气门）；
② 可变几何涡轮（VGT）；
③ 进气道涡流/滚流优化。
4、影响发动机的动态响应
（1）低速扭矩特性
高 ηᵥ 的柴油机在低转速时仍能吸入充足空气，避免“冒黑烟”（空气不足导致燃油未完全燃烧）。
（2）瞬态性能
涡轮增压柴油机的 ηᵥ 随转速变化，优化配气相位（如可变气门正时）可改善响应迟滞。
5、衡量进气效率的关键指标
它直接反映了发动机进气系统（包括空气滤清器、进气管、进气歧管、进气门等）的设计优劣和工作状态。ηᵥ越高，说明进气系统阻力小、流动顺畅，能更有效地将新鲜空气吸入气缸。
（1）设计阶段：ηᵥ 是评估进气道、气门、增压系统匹配是否合理的核心指标。
（2）故障诊断：ηᵥ 异常降低可快速定位进气系统故障（如滤清器堵塞、增压器失效）。
（3）性能升级：提高 ηᵥ 是柴油机强化（如增加增压、优化进排气）的首要目标。
图2 柴油发动机进排气和油液布置图
三、影响因素和优化措施
1、影响柴油机进气系数的主要因素
（1）进气阻力
① 空气滤清器堵塞：是最常见的原因之一，会显著增加进气阻力。
② 进气管路设计：管路过长、弯头过多、管径过小、内壁粗糙都会增加流动阻力。
③ 进气门流通面积和形状：气门直径、升程曲线、气门座形状、气门头部形状等影响气流通过截面积和流动损失。
④ 进气歧管设计：歧管长度、截面形状、各缸分配均匀性等。
（2）进气温度
① 温度升高：空气密度降低，相同体积下空气质量减少，导致ηᵥ下降。因此，降低进气温度（如使用中冷器）是提高ηᵥ和功率的有效手段。
② 环境温度：高温天气也会降低ηᵥ。
（3）发动机转速
转速升高时，气流速度加快，流动阻力（特别是惯性阻力）显著增加，使得气门开启时间内气流来不及充分流入气缸，ηᵥ通常会下降。转速过低时，气流惯性不足，ηᵥ也可能较低。因此ηᵥ通常在中等转速时达到峰值。
（4）残余废气系数
上一循环残留在气缸内的废气占据了部分容积，减少了新鲜空气的进入空间。排气不畅、气门重叠角过大或过小、高负荷/低转速工况都会增加残余废气量，降低ηᵥ。
（5）配气相位（气门正时）：
① 进气门开启时刻（IVO）：过早开启可能受到排气压力波干扰；过晚开启会缩短有效进气时间。
② 进气门关闭时刻（IVC）：在活塞到达下止点后适当延迟关闭（利用进气气流的惯性继续充气），是提高ηᵥ的重要设计手段（称为“动态效应”或“惯性增压”）。但关闭过晚会导致已吸入的空气被活塞向上推回进气管。
③ 气门重叠角：进、排气门同时开启的角度。适当的重叠角可以利用排气气流产生的负压（抽吸作用）帮助吸入新鲜空气（称为“扫气”），提高ηᵥ，尤其在增压发动机上效果显著。但重叠角过大可能导致废气倒灌或新鲜空气被扫出。
（6）气缸盖和活塞设计
燃烧室形状、进气道设计（如是否采用螺旋进气道或切向进气道以产生涡流）也会影响气流流动和ηᵥ。
2、提高柴油机进气系数的措施
（1）降低进气阻力
使用低阻力、高效率的空气滤清器，并定期维护更换。
① 优化进气管路设计：缩短长度、减少弯头、增大管径、保证内壁光滑。
② 优化进气歧管设计：保证各缸进气均匀性，利用谐振效应（在特定转速下）。
③ 采用多气门技术（如四气门）：显著增加进气流通面积。
（2）降低进气温度
① 使用增压中冷技术：涡轮增压器提高进气压力，中冷器降低增压后的高温空气温度，显著提高进气密度和ηᵥ。这是现代柴油机提高功率和效率的核心技术。
② 优化进气管路布置，避免靠近高温热源。
（3）优化配气相位
① 精心设计凸轮轴型线，特别是进气门的开启和关闭时刻。
② 采用可变气门正时（VVT）或可变气门升程（VVL）技术：使气门正时/升程能根据发动机转速和负荷自动调整，在各种工况下都能获得较高的ηᵥ。
（4）减少残余废气
① 优化排气系统设计，降低排气背压。
② 优化气门重叠角设计。
（5）利用动态效应和谐振效应
精确设计进气管长度和容积，在目标转速范围内利用进气气流的惯性和谐振压力波来提高充气效率。
总结：
柴油机的进气系数（ηᵥ）是衡量其“呼吸能力”的核心性能指标，直接决定了发动机的最大功率潜力、燃油经济性和排放水平。它受到进气系统阻力、温度、转速、残余废气、配气相位等多种因素的复杂影响。提高进气系数是现代柴油机技术发展的主要方向之一，主要手段包括优化进排气系统设计、降低进气温度（尤其是通过增压中冷技术）、采用多气门和可变气门技术等。理解进气系数的概念和影响因素，对于分析柴油机性能、进行故障诊断和优化设计都至关重要。
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