一篇文章搞懂排气背压,排气系统远比你想象的要复杂

大部分人都知道,发动机在工作时,需要进气系统和排气系统的辅助。空气通过进气系统进入燃烧室,与燃油进行混合形成可燃混合气,经过压缩后被火花塞点燃,推动活塞运动,再带动曲轴转动,燃烧的废气再通过排气系统被排出车外。从而完成我们常说的进气、压缩、做功、排气四个冲程的工作循环。

这听起来并不复杂,尤其是在排气阶段。在很多人看来,无非是排气门打开,高温废气被活塞挤出气缸,并顺着排气管路排出车外而已。但实际上,排气系统在设计时要考虑很多因素,并非简单地将排气管和消音器连在一起,而且排气系统的设计也会影响到发动机的动力输出表现。

如果你对排气改装有一些了解,相信「排气背压」这个词对你来说并不陌生,但并不是所有人都真正了解它。那么排气背压到底是什么,它是怎么产生的呢?

在做功行程接近终了时,发动机的活塞在下止点的位置。此时进入排气冲程,排气门开启,由于这时缸内压力高于缸外压力,几乎能达到外界大气压的6-7倍,于是燃烧后的高温废气迅速从排气门排出气缸。与此同时,活塞越过下止点向上止点移动,强制将缸内废气挤出,活塞到达上止点附近时,排气过程结束。

在排气门打开的一瞬间,由于内外的气压差比较大,会形成一个压力波,并以音速向气缸外推进,气缸内的燃烧废气也会随着压力波被带出。而所形成的压力波,在遇到排气管管径变化时,都会发生部分的反射,并沿着进气歧管返回排气门。这也就是我们所说的排气背压。

简单理解,排气背压也可以看作是排气阻力,它的产生来自于排气管的弯曲、交汇等等。排气背压越大,说明排气阻力越大,废气越不容易排出;排气背压越小,说明排气阻力越小,排气越顺畅。

按照常理来说,排气背压会阻碍排气的顺畅度,进而影响到发动机的动力输出。但为什么在排气系统设计时不能避免掉排气背压呢?

其实,在排气冲程中,当活塞向上运动到一半左右的位置时,气缸内外的压差已经基本消失。这也就意味着气缸内的燃烧废气不会再主动从排气门排到气缸外。这时问题就产生了,我们显然不希望燃烧废气留在气缸内,因为这会降低下一次燃烧循环的效率。

此时,由于排气背压所产生的反向压力波,如果可以在恰当的时机,也就是在特定的转速范围内,正好在排气门关闭时到达排气门处,并把此处的剩余低压燃烧废气带走,再次形成真空区,则是最理想的。所以,排气背压在一定情况下是有益的。

也因此,动力系统的工程师在进行排气系统设计时,会反复模拟计算排气管的长度、直径、弯曲方式,以及排气管头段的设计等等。综合考虑排气速度与排气背压之间的关系,从而让引擎的效率最大化。

当然,我们在后期进行排气改装时,也不能一味地减小排气背压,只考虑排气声浪。因为这样虽然可以提升发动机在中高转速下的动力表现,但是面对日常大多数低转速工况,动力表现反而会有所下降。



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