（动力机械及工程专业论文）利用进排气系统的不稳定流动提高汽油机充气效率的研究.pdf

太原理l 大学硕士学位论文 摘要 本文围绕提高汽油机的进气充量，论述了四冲程汽油机的 换气过程，分析了影响充气效率的各种阕素，总结提出了改善 换气质量、提高充气效率的一系列措施。在论述影响充气效率 的各种囝素的同时，从不同角度阐述各个环节之间的相互影 响、相互协调、相互配合、相互制约的复杂关系。但是存诸多 影响斟素中，要抓住主要评价指标，同时兼顾其它次要指标， 才能使整个发动机性能处于最优状态。 介绍了可变进气道长度、可变气门升程及可变气门定时等 提高充气效率的先进技术。在进行试验验证的基础e ，详细阐 述】，进气系统中不稳定流动对充气效率的影响，以及如何设计 进排气岐管可以最大限度地利用气流的不稳定流动来改善换 气质量，提高发动机动力性、经济性、排放品质等指标，达到 用户及排放法规的要求。， 在设计1 7 4 6 8 ( ) 汽油机的进排气系统时，充分考虑了不稳 定流动对充气效率的影响。经过台架试验，发动机的各项性能 指标完全达到设计目标。这说明理论是正确的。 在本文的鼹后介绍了一些围外汽车公司设计的可变进气 岐管，对于同内设汁人员有一定的参考价值。 戈孵坷：汽油机进气系统排气系统不稳定流动动力 增压充气效率 a 原理上人学碗上学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rs t a t e st h eg a se x c h a n g ep r o c e s so ff o u r s t r o k e g a s o l i n ee n g i n e s ，a n da n a l y z e sav a r i e t yo fe l e m e n t st h a ta f f e c t t h ec h a r g i n ge f f i c i e n c yi tb r i n g sf o r w a r das e r i e so fr n e a s u r e st o i m p r o v et h eq u a l i t yo fg a se x c h a n g ea n dc h a r g i n ge f f i c i e n c y i t e x p l a i n s t h e c o m p l i e a t e dr e l a t i o n s h i p o fe f f e c t ，m o r e o v e r c o o r d i n a t i o n m a t c h i n g r e s t r a i n to fe l e m e n t s f r o md i f f e r e n l a s p e c t s h o w e v e r ，i ti si m p o r t a n tt of o c u so nm a j o ri n d e x e st o i n c r e a s ei n t a k eg a s ，a n dp a ya t t e n t i o nt oo t h e rs e c o n d a r yi n d e x e s t oo p t i m i z ef u n c t i o nso ft h ee n g i n e i ti n t r o d u c e ss o m ea d v a n c e dt e c h n o l o g l e sw h i c hi n c r e a s e t h ec h a r g i n ge f f i c i e n c y ，s u c ha st h ev a r i a b l el e n g t ho ft h ei n t a k e d u c t ，t h ev a r i a b l ev a l v es t r o k e ，t h ev a r i a b l ev a l v et i m i n ga n ds o o nb a s e do nt h e e x p e r i m e n t s ，i tg o e s i n t o p a r t i c u l a r l yt h a t u n s t e a d y f l o wi nt h ei n t a k e s y s t e m a f f e c t st h e c h a r g i n g e f f i c i e n c ya n dh o wt od e s i g nt h ei n t a k ea n de x h a u s tm a n i f o l d t h a tm a yu t i l i z et h eu n s t e a d yf l o wt oi m p r o v eg a se x c h a n g e q u a l i t y 、d y n a m i cp e r f o r m a n c e 、e c o n o m yp e r f o r m a n c e 、e x h a u s t i n d e xa n dr e a c ht h er e q u i r e m e n to fu s e r sa l l dl a w so ne x h a u s t i n g i nd e s i g n i n gt h e j t 4 6 8 q si n t a k e a n d e x h a u s ts y s t e m ，t h e e f f e c tw h i c hu n s t e a d yf l o wh a so nc h a r g i n ge f f i c i e n c yi s t h o r o u g h l y c o n s i d e r e d7 f e s tb e dr e s u l t sa l lk i n d so fe n g i n e i n d e x e sh a v ea c h i e v e dt h ed e s i g n i n gt a r g e t s i tp r o v e st h a tt h e t h e o r yi sc o r r e c t ，l h er earev a r i a b ioin t a k ei n ；= 1 n ir o i d d e s i g n e d b v 太原理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：g a s o l i n ee n g i n e ，i n t a k es y s t e m ，e x h a u s ts y s t e m ， u n s t e a d yf l o w ，d y n a m i cs u p e r c h a r g i n g ，c h a r g i n g e f f i c i e n c y sren g t isedrofelba u ，la v erahc- lh y na p 咀o coluas a e e m s o r i ev l o a a 原理 一 学硕士学位论文 第一章绪论 一、概述 现代，i 车为了降低燃油消耗，对发动机的轻量化、高性能 化的要求也愈来愈商，因此，提岛发动机在使用转速范围内的 转矩成为蕈要课题， m 于间断进气引起的进气压力波动对吸入的空气量影响 很大，它是决定发动机转矩特性的支配冈素之一；、而逝排气管 的长度、直径等结构参数，会改变进排气胝力的波动及发动机 的转矩特性。闻此使进排气系统适应所要求的转矩特性是发动 机发腱研究的一个重要课题。 发动机进排气岐管内的气体流动是 j 分复杂的不稳定流 动。利用气流的一i 稳定流动来改善换气过程，提高活塞式内燃 机的充气效率，对于进、排气系统来说，希望不稳定流动产生 的效果却是并不相同的。 在进气系统中利用不稳定流动就是实现气体动力增压，其 实质是通过提高进气门处气流的压力和速度，以增大内燃机气 缸的充气效率。在有专用进气歧管的情况卜，进气岐管稳爪腔 与进气门之问的强制气流波动( 其频率与系统固有频率一致， 即谐振) 和进气系统内气流运动的惯性现象均可增大充气效 率。闲此，为了增入允i 效率，进i 系统总的设计原则应该是 确定各段进气管最佳的管道形状、长度和真径，寻找减少进气 系统内空气动力损火的方法和正确选择配气相位。 对于排气系统不稳定流动的影响则要更大一些，阕为在四 a 棘理工人学碗j j 掌情沦复 冲稃内燃机t 扣，随肴废气的排出，存排气歧管中产牛很大的压 力波动，而日实际内燃机在排气门 4 开启时流速可达到声速， 所以动胝很大，碑论卜，排气岐管的影响比进气岐管的影响要 大一些。排气系统i t i 的动态效麻也分为：波劫效应利惯性效应， 但在实际应用中还利j j 了另一重要的现象一排气引射。如能合 理地选择排气岐管的结构形式，有效地利用排气岐管内的压力 波动，降低排气背压，特别是气门叠开期间的排气背鹾，就可 以显著地提高充气效率。 二、本文的主要工作 充气效率的高低直接影响内燃发动机对外输出功的大小， 切l 何提高充气效率就成_ r 存设计和改进内燃发动机时首要考 虑的问题。本文主要通过理论分析和实验现象研究进排气系统 内的， i 稳定流动与充气效率的关系，主要论述进排气系统的结 构参数对充气效率的影响，并提出电控燃汕喷射汽油机进排气 岐管的设计原则。主要从以下几个方面进行了论述： 1 ) 分析l 儿j 冲程内燃机的换气过程，并推导出充气效率的直 接表达式。通过对充气效率的分析式进行剖析，综合提出提高 充气效率的措施。 2 ) 详细论述了提岛充气效率的主要措施之一：利用进排气 系统管t j 的不稳定流动改善换气质量，提高充气效率。并用试 验的方法研究了进排气歧管的结构参数对列冲程内燃机充气 效率及性能的影响。 3 ) 在了解进排气系统巾小稳定流动对充气效率的影响 后，奉文还介绍了匡i 外一些汽车公司专门为利用不稳定流动f f i i f 设汁得进气岐管。 4 ) 利用本文的结论，设计了j t 4 6 s q 、4 1 0 0 q e 油机晌进排 ， 凡原理工大学硕上学位论文 气系统。其中j t 4 6 8 q 已经投产，性能指标全部达到设汁要求， 在同类机型中处于国内领先水f ，达到国际先进水平。 太原理工夫学碓 学位论文 第二二章四冲程内燃机的换气过程 内燃机的换气过程是指从排气fj 开启至进气门关闭的整 个阶段，亦即为四冲稃内燃机的进排气过程。由于内燃机换气 过程的日的是将l 二燃气体排出并为卜一循环吸入新鲜充量，因 此，判断换气过程是否完善的指标，是已燃气体是否排尽以及 进入气缸的新鲜充量是否充分，即充气效率的大小。这不仅取 决于与换气过程有关的器种阿属系统的设计是否合理、有效， 而且也与发动机的运行状态有关。圈i 一是四冲程内燃机的换 气过程。h 气缸压力、排气管巾的压力随曲轴转角的变化情况 以及相应的低j f i 示功p v 图。 从蚓中可以看出，排气门开启后，燃气从气缸急速流入排 气管，气缸压力很快下降，直到排气。h 上= 点后的某一位置排气 f j 关闭为止。进气门存上l 卜点前开启，新鲜充量流入气缸，卣 到进气_ fj j 二点后的某一位置关闭为止，在排气上止点附近，进、 排气门同时开启。网冲程内燃机的换气过稗可分为自由排气、 强制排气、气fj 叠丌、进气等阶段。在讨论进排气系统中气流 的小稳定流动之前，先来分析一卜i 网冲程内燃机的换气过程丹 阶段的特点， 一、自由排气阶段 由于受配气结构的限制，气门在开启过程中只能逐渐加大 其流通截面。如果排气fj 刚好竹i 膨胀行程下止点时开启，! l l | j 排 气门流通截而增加过缓，气缸觚力f 、1 降迟缓，活塞存向上f t 点 回行时将造成较大的反压力，增加排气行程所消耗的功。所以， 4 查堕! ! ! ：z 三兰塑主兰竺丝茎 积，可分剥根掘试验结果和气门的儿何参数确定；y 为流函数， j 上、卜游的流动状态有关，其计算式为： i r 2p 旷 i 而j 、而 争( 熹厂 ， r 堡s f 生1 i p ，l 足+ l 存自由排气阶段的仞期，由f 排气门刚刚开启，缸内雉力 较高，排气管压力与气缸压力之比往往小于l 临t 界值( i r 一， 流动呈现超临界状态，缸内气体以当地声速流过排气门，此时， 排气质量流量只取决于缸内气体状态和排气门有效开启截瓶 的大小，与排气管内的气体状态无关。随着排气的进行，排气 管压力1 j 气缸压力之比超过临界值( i 鲁) “1 之后，气体流动逐 渐进入亚临界状态：卣到某一时刻气缸压力与排气管内的气体 压，j 接近相等，自由排气阶段结束。在该阶段中流出的气体质 量，不仅j 排气j 的有效流通截面有关，还与缸内和排气管内 的压力差有关。 南此可见，自由排气阶段中排出的废气量与内燃机的转速 无关，但存高速时，州样的排气时问对应的曲轴转角将大为增 j 。为使气缸压力及时f 降，必须加大排气提前角，否则将使 自由排气阶段( 以曲轴转角c a 计) 延长、排气消耗功增加。 所以，随发动机转速的增加相应地增大排气提前角。 自由排气阶段虽然占整个排气时间的比例小大，但由于废 气流速很高，排出的废气最可达6 0 以卜，一般持续到下i e 点 后1 0 。j o ”亿a j 结束a 奎璺苎兰茎兰塑兰丝塑兰 内燃机的排气】往往都在膨胀行程到达未期前，即活塞到达下 止点前的某一位置提前开启，称为排气提前。排气提前角为l 口 。占口。化爿j 。排气门刚打开时，缸内压力远高十排气管内压力， ! 一 i 。 ? ? 。；。 ?n 。 _ l 。h 日i # ；| 、2 、目，饕4 j ) 一 f ) f 。二 博。译竺 一螂 0 甜i 量蕾_ 箕、曼、 j。 一 ! 蓉。1 “：譬一、= ：- 一f 、出一； * 5 _h 。i | 婴书_ _ b 。、 f 1 。i 。 ：1 “；。 j 争；一、- 7 1 i 一； ， 1 1 一 一i 一 一占 图2l 换气过程中的肯关参数的变化 a ) 气缸压力厦排气管压力髓曲辅转角的变化 b ) 进排气门流通截而比随l i i t 轴转角的变化r ) 低压示功罔 随着排气过程进行以及排气门的流通截面的逐渐增大，排气管 内的压力将逐渐升高，直至存菜一时刻达到或接近缶f 内压力。 这一阶段由于有正向压力差的存在，排气可以自发的进行，故 把从排气j _ 丌启到气缸压力达到排气背篷( 排气管内压力) 的 时期，称为自r l l 排气阶段。 存气门开启时问内，流经气门的气体质量与气门前后的状 态关系式为： 安：熹肚鬲 出6 ” 式中，下标z 表示上游流动参数( 相应地，卜标c 表示卜- 游的流动参数) ：“与爿分别为气门处的流量系数与流通截面 太埭理r 犬学硕士学位沦文 二、强制排气阶段 自由排气阶段结束后，气缸内的废气将被 二行活塞强制推 出，直到排气门关闭，这一过程就是强制排气阶段。由于气体 在流动过程中要克服排气门、排气道以及消声器等处的流动阻 力，缸内的气体压力要略高于排气管内的平均乐力，而且气体 流速越高，压力差也就越人。另一方面，由于气体在排气管内 的压力波动，有可能形成压力逆筹，即气缸j = | 主力低于排气管内 的压力，这种情况往往出现在排气管较长时强制排气开始的初 期。冈此，缸内气体的状态 h 活塞的运动速度与位置、气门有 效流通截面的变化舰律以及排气管内的气体状态等萸j j 决定。 随着活塞的上行，排气f j 流通截面开始逐渐减小，气体流 经气门的节流作用加强，罔而和上i r 点附近，气缸压力再次升 高，其直接后果是，排气所消耗的功与缶_ 内的残余废气量都增 j j 【j 了，这对于换气与燃烧过程都不利。刚此，排气门不允许刚 好在活塞到达_ | ? 止点时关闭，l 酊应当在上止点后一定角度时关 i ! 于j ，这就是排气迟闭。排气迟闭期间，可以利用缸内气体流动 惯性从气缸内抽吸部分废气，实现过后排气，但由于到达上 l 点后活塞已开始f 行气缸容积不断增加，过火的排气迟闭会 导致废i 倒流。当废气从气缸流出的流动过程刚刚停止时，就 是理想的排气门关闭时刻，排气门迟闭角为0 。0 0 。r c 爿j ；， 三、进气过程 从进气门丌启到笑闭的全过程都是进气过程。为了使得征 进气过程开始时，进气有定的流通截面，以减少进气过程的 阻力，增加进入气缸的新鲜充罩，进气fj 一般也在上止点前提 查璺翌! ：至兰里主兰堕堡塞 前丌启，称为进气提前，进气提前角为，0o j o 。，c 驯。 堪管如此，新鲜充量的真j f | 吸入，要等到气缸内残余废气 膨胀至低于逊气管压力才开始。刚开始时，由于活塞的卜行运 动造成缸内体积的膨胀，加上气门开肩还不充分，缸内的压力 有一段短时间迅速降低，这为新鲜充量的顺利流入创造了条 件。随着进气门流通截血的加大，进入气缸的新鲜充景不断增 加，加上己进入气缸的新鲜充量被温度较高的燃烧室表渐和残 余废气所加热，气缸压力逐渐升高。到进气终r ，一部分充量 的动能转变为丑! 力能，另一部分动能由于滚流和湍流而转变为 热能，从而加热进气，于是新鲜充超的濡度和压力都有所提高， 但此时进气管内的压力仍高于缸内压力，为了利川在吸气过稃 巾形成的进气管内。t 流的流动惯性，实现，1 e 缸的过后充气，进 气门0 i 在下止点关闭，而是在f 【卜点过后的一定角度时延迟 关闭，即进气迟闭角。这样，有可能使得进气过程终了时，缸 内的压力等于或略高于进气管压力。进气迟闭角一股为? o 。 6 0 。( c a j 。高速时气流流动的惯性大，进气迟闭角应相应大一 些。 尽管利用过后充气可以有效地增加进入气缸的空气量，但 过大的进气迟闭角，会使得低速时发生缸内气流倒流进入进气 管的现象，也会影响有效压缩比，从而影响压缩终了温度，使 发动机的冷起动困难。因此，合理的进气定时是十分重要的。 四、气门叠开和燃烧室扫气过程 通过对进气过程和排气过程的分析可以发现，进气门的提 前开启j 排气fj 的延迟关闭从时刻l i 看都位于排气_ l 止点前 后，这样就会存排气行稃上d - _ 点附近出进、排气门同时开启的 特殊现象，通常将这一现象称为气门叠开，相应的角度是气门 8 a 原理j 人学硕 学俺论文 叠开角，它是排气迟闭角与进气提前角之和。 在气门叠开期间，进气管、气缸、排气管三者肖接相通， 此时如果进气管压力大于排气管压力，新鲜充量在正向琏力差 的作用f 流入气缸，与缸内残余废气进行混合后，部分可以自 接流入排气管中。这样，一方面有利于扫除缸内的残余废气， 增加气缸充量，达到扫气目的；另一方而，又可以降低燃烧室 内气缸盖、排气门、活塞琐、缸套的温度，尽管带走的热量不 多，但对于这些受热严重日冷却困难的关键零件，其效果却是 显著的。 内燃机的型式不同，气门叠开角的大小也有所差异。对于 ，鼍燃式内燃机而言，山于它是采用节气门来调节内燃机的功 率，进气管内压山总是低于大气压，特别是在节气fj 小丌度时 史是如此。叠开角过大时高温废气有可能倒流进入进气管乃至 燃料供应系统中，引起进气管回火。同时，由于新鲜充量叶1 含 有燃料，利崩新鲜充量进行扫气将导致燃料的损失以及米燃碳 氢排放物的增加，故这类内燃机的气门叠开角一般都是比较小 的。在非增压柴油机中，其进气管内压力始终接近大气压，因 此可以允许采用较大的气fj 叠开角，增加扫气效果，以达到提 高内燃机在常用转速范隔内充量质量的日的。统计显示，一般 非增压柴油机的气门叠丌角在2 0 。5 0 “( c a ) 范围内。 对于增压柴油机而言，情况却有所不同。在一般情况下， 增压柴油机进气管内的压力存气门叠丌期内总是高于排气管 内的压力，因此总有一定数量的新鲜充量存正向压力差的作用 下由进气管通过燃烧事后流入排气管中，以达到扫除燃烧室内 残余气体的目的。同时，增压柴油机的热负荷较非增压柴油机 严重，适当的扫气冷却不仪有助于降低受热零佴：( 如排气门) 表而的温度，提高其可靠性，还可以降低增压器涡轮的进口温 度。正因为燃烧窄扫气有如此仃利的作用，增压柴油机都采用 篓享誉至蠢墓薹篓萎耋萋霎萋,117 地加深，从而商接影响燃烧室，! 甲寸。毫j 、 气体运动的合理组织以及压缔，a 。 ，笛j 比的人小。析目，过多的扫气i l “，? 空气也会加重涡轮增压器的负1 k 、? 、0 i 奎j ，幺7 柏i 、1 - r 五、换气损失 换气损失是实际循环所不可避免的损失，根据熟力交换原 理，换气 ： ：! 失定义为理论循环换气功与实际循环换气功之差。 对于小同类碰的内燃机而言，换气损失是不同的。图2 3 是四冲程内燃机存非增胝与增压条件f 的换气损失示意图。在 1 0 太原理l 一大学颁士学位论文 非增压内燃讥，h 坪论循环冉勺换气过程( 图2 3 “) 是排气行程线 与进气行程线重合，换气功为零：而在实际循环中，从排气门 开肩直到进气门关闭，发动机消耗在换气卜的功( 其值为负) 如 阴影面积所示( 图2 3 6 ) ，它代表了有效功在换气过程中的损失。 一 、，掣 嗣 鼍霉垂泛赵芝避兰 c f 。 j 】、i 划 、 ：刊 ，睦兰互兰兰塞羲 li ；竺。 煳2 3旧冲程内燃机的换气损失示意 a ) 非增压内燃机理论换气过程示意倒b ) 非增压内燃机实际损气过捌不意图 c ) 增门j 内燃机理论换气过稃示意图d ) 增压内燃桃实际换气过程示意图 w 膨胀损失功z 推出损失功y 吸气损失功z + y 一“泵损失 对于增压内燃机而苦，理论的换气过程( 图2 3 c ) 是经过压 缩的瓤鲜充量以增压压力j d 一等压地流入气缸，而排气则以p r 等压地排冉，进气。j 排气j 盖力值均高于大气压力，且j l ) 6 p r 。 这样，换气过程所获得的功( 其倩为正1 为图中的矩形面积所示； 而实际的换气过程中( 图i 3 j ) ，换气过稃所获得的功却是例中 的封闭曲线面秩，小于理论循环值，两者之差就是换气损失， 其大小可由图2 3 d 巾的阴影面积来表示。 由于换气过程主要是由进气过程和排气过程所组成，1 j ：| 而 其损失也是由进气损失和排气损失两部分组成。 ( 一) 、排气损失 从排气提前开启，直到吸气行程开始、气缸内压力达到或 1 1 鞲 。一 、 、 习 一一 a 原理_ r 人学硕+ 学位论文 接近进气管压力之前，存此阶段所损失的功称为排气损失。它 又可以分为两部分，即膨胀损失帚i 推出损失，在图2 3 6 和图 2 - 3 df ：分别以而积j 和v 来表示，前者足有效膨胀的减少，后 者是把排气推出所消耗的功。 刚2 4 排气提前角和转速对排气损失的影响 a )转速不变时排气提前角的影响b ) 摊气提前角不变时转速的影响 随着排气提前角的增大，膨胀损失增加，而推出损失功减 少，这可以从圈2 一所示的一台增压内燃机的示例中可以清楚 地看m 。闵此，最有利的排气提前角，麻当使两者损失之和为 最小。 除i ，排气提前角以外，发动机的转速对排气损失的影响也 较人。般而占，转速提高时，发动机膨胀损失f l 勺增加幅度远 远小f 推出损失的增加幅度，而两者之和在总体卜呈现增加的 趋势。 ( 二) 、进气损失 与排气过程不同的是，进气损失不仅体现在进气过程所消 耗的功七，而重要的是体现在进气过程中所吸入新鲜充莓的多 少上，因为前者对于内燃机热效：棼乃至功率舱影响不大，而后 肯对内燃机性能有显著的影响。 1 2 蓊 ：_一j一 一查坚矍兰盔兰塑兰些堡苎 如图2 3 b 和图2 一j d 所示，由于进气道、迸气门等处存在 流动f j 且力损失，进气压力线位于人气压力线p 。( 非增压枫) 或 增压力线p 6 ( 增压机) 之下，醒者之差j 匍成的阴影部分丽积可 分别用y 表示。将它与排气过程中的损失相比，其值明显相对 较小( 图2 5 ) 。 l 一 一+ 一。e 扫哥 i 鲁兰“ r _ | 1 ；| jj 图2 - 5 换气损失随内燃桃转速的变化 合理调整配气正时时，加大迸气的流通截面、正确设计 进气岐管及进气道的流动路径以及降低活塞平均速度等，都会 使进气损失减少。 ( 二) 、泵气损失 换气损失由进气损失弓排气损失所组成，对应图0 3 中面 积w 、y0 之和。从实际循环示功图的分析巾可以发现，而 积w 以及掺杂在而积x 和y 中的小部分“( 圈中以交义线表 示) 所表示的功损失，已经在求取平均有效压力时包括进去， 故将换气损失t l ，剩余的由面积x + y 一“所表示的功损失，定义为 泵气损失。 存非增压内燃机中，泵气损失是由p v 罔c 扣换气过程封闭 曲线面积所代表的负功束表示的，如以表示泵气损失，则 有： 查堕堡1 至! ：堡兰丝堡墨 w p = b + y 一“皿。 式r ，。为示功图的比例系数。 在增压内燃机中，由于进气压力高于大气压力，所以p f 图f 换7 i 过程的判闭面积并非泵气损失，而是有用功，它将对 内燃机的效率产牛j e 面的影响。增压内燃机的泵气损失越小， 则这块面秘就越犬。因此，泵气损失就应! 与是由增压压力和涡 轮排气豫力所同成的矩形面积与实际换气过稃所围成的封闭 面积之筹，其计算式如下 阡j = 【( p 。一p ，弦一( z 十y 一“) 一般用泵气艇力n 来表示泉气损失的大小，其定义为 p ，2 孑 一般而言所有减少换气损失的措施以及以后将要讨论到 的提高充气效率的途径，对降低泉气损失都是有利的。 六、充气效率分析式 衡量内燃机充气性能的一个重要指标是充气效率，其定义 为：内燃机每循环实际进入气缸的新鲜充鼋m j 以进气管内状 态充满气缸的工作容积的理论充最m ，一之比。这里所指的进气 管状态，是指进入气缸前气体的热力学状态，如温度与压力等。 由于充气效率对于评价进气系统如此重要，首先应导f l 充气效 率的理论分析式，以便刚朱分析提高充气效率的各种措施。 记残余废气系数为毋，进气终了时的缸内残余废气质量为 m ，进，- e 门关闭时( 以f 标a 表示) 缸内气体总质茕为： m 。= m l + m ，= ( 1 + 庐，如l 根据充气效率的定义，并引入气体状态方程以及压缩比的 定义式，可得： 1 4 太原理工大学硕士学位论文 巩= 罢= 南i m a = 而1 盟r l 等2 志备等等 式中，卜标s 表示进气管肉的状态。 七、提高充气效率的措施 从充气效率的分析式 i 难看出，在发动机的结构参数( 如 压缩比占，) 确定的前提下，提高充气效率的措旋可以归结为以 下几点： 1 ) 降低进气系统的阻力损灾，提高气缸内进气终r 时的压 力p a 。 2 ) 降低排气系统的阻力损失，以减小缸内的残余废气系数 咖。 j ) 减少t 岛温零件在进气系统中对新鲜充量的加热，以降低 进e 终了时的充量温度无，。 研究表明，在上述影响困素中，以第一个因素最为重要。 换言之，酶低进气过程的流动阻力损失，提高进气终r 压力， 是提高充气效率最有效的措施。 f - - ) 、进气系统的流动阻力 进气系统的流动阻力，按其性质可分为两类，一类是沿程 阻力，实际卜- 是管道摩擦阻力，与管长和管内流动面上的表面 质茕有关：另一类局部阻力，它是由于流通截而大小、形状以 及流动方向变化，存局部产牛涡流损失所引起的。在内燃机进 气流动中，由于管道较短，壁而比较光滑，其沿程阻力并不大； 而局部阻力则是流通中的主要损失，它由一系列的局部5 且力叠 奎堕堡：! 查兰翌兰垡堡苎一 加f n j 成，尤其在进气fj 座处、空气滤清器和流通转弯处，流动 损失更为蹦显。因此，降低这些地方的局邦阻力损失，对降低 进气系统的流动阻力，提高充气效率有显着的意义。 1 、降低进气门处的流动损失 进气f j 庶处的流通截面，是进气流通中截丽最小、流速最 高的地方，因咂该处的局部阻力最大，该阻力除了j 阻力系数 有关外，还与该处的流动速度0 ，的平方成正比，即 a p 。= 和。l 这样，降低进气门处的流动损失，可以从降低气fj 座处的 流速和改善气f 座处的流动情况以提高流动系数入手解决。 过高的气体流速，还会发，f 气体阻塞现象。凼此在考察进 气门座处气流的流动情况时，引进平均进气马赫数m a 来综合 反映其流动情况。结合流毓方程，可得： m a ：u - 2 - ： 了d1 土 式巾，u 。j , j 进气门座处的气体的平均速度；q 为进气门流通截 面处的气体声速：。为进气门在开船期州的平均流最系数， 其求浊是：以气门盘面秋为参考面积，通过稳流吸风试验，测 得在不同曲轴转角( 即- 4 q 同升程) f 的流量系数，求出其平均 值，即： 。：f 2 。，却扔；。一驴，；。) 1 竹m 可见，进气平均。赫m 。数综合了进气门大小、形状、升程规 律以及活塞等冈素，并且其大小与发动机的转速成正比。研究 发现，对于小型网冲稃发动机，当地超过o 5 后，充气效率 太原理工大学硕士学位沦文 r 。i # * _ = 、。 4 ， i 对 * # n ；攒川g、强t 氇 1 1 i 二i 。 ， 叫0 n， i 、二i 譬譬 。i j 图2 - 6充气效率与平均进气马赫数的关系 急剧下降( 如图2 - 6 ) 。这一结论，对于致计和评价配气机构是 很有川的。 2 、采用可变进气系统技术 从获得最大充气敏率的角度出发，比较理想的配气系统应 ! 要满足以下要求： 1 ) 低速时，采用较小的气门叠开角以及较小的气门升程， 防i e i “现缸内新鲜充量向进气系统的倒流，以便增加转矩，提 高燃油经济性。 2 ) 高速时，应具有最大的气门升程和进气门迟闭角，以 最大限度地减小流动阻力，充分利用过后充气，提高充气效率， 以满足动力性要求。 3 ) 配合以上变化，对进气门从开启到关闭的持续期( 又 称作用角) 也应进行调整，以实现最佳的进气定时。 总之，理想的气门定时应当是根据发动机的工作情况及时 作出调整，应只有一定程度的灵活性。显然，对于传统韵凸轮 挺杆气门机构，由于在t 作小无法作出相麻的调整，也就难于 达到上述要求，因而限制了发动机性能的进一步提高。， 1 7 一 歪堡堡! ：查兰堡：! ：兰笪笙塞 实际上，完全满足上述各项要求的机构是车日当复杂的，目 前还仅仅处十研究阶段，如g m 汽车公可推 “的无凸轮的电磁 ，。t 门取动机构以及f o r d 汽车公司的液压气门驱动机构，由于 制造成本和可靠性等原因，若将这种全电控的技术应用于实际 发动机中，估计还得一段时问。f i 前较为常见的商品化系统可 以分成两大类，即可变凸轮机构r ( 、 s v a r j d b l e ( 、口m s h a f t s y s t e m ，和呵变气f j 定时( v v ev a r i a b l ev a l v et i m i n g j 。除此之 r、 一、| 1 二 7 j 劳lj ? | ! r ，上三_ _ 一一三蔓丈_ _ 一 曩； 一! i r i 主 删自 斗珊#。2 i 、 、 7、 、j 7 耋“l 、 k 。? 夕i 一：p 三 “ ，7 一j 了、嘏二 川 ? v 薯 0 + 一黔 j 0 “4 0 0j ? o i ：0 0 04 8 0 0 ? 一r j 0 二1 0 7 1 “r t i 川 i - q27 v c , q 对发动机性能的影响 外，也有可变气门升程。可变气门作用角等其它形式，其原理 毖本拥近，只是实现方式 i 同j 向已。 a ) 可交凸轮机构( v c s ) 可变凸轮技术一般部是通过两套一f 轮或摇篱来实现的、即 在高速时采用高速凸轮，其升稃与作用角都较人；而杠低速时 切换到低速凸轮，升程及作用角均较小( 图2 - 7 ) 。采阁可变凸 轮机构后，发动机的性能与传统配气机构的性能比较，显然低 速扭矩和商速动力性能都得到了改善。 i # a 原理工夫学硕上学 市论文 b ) 可变气门定时( v v 即 相对于可变凸轮机构，可变气门定时技术的应用较多一 些，对于系统而言，由于进、排气门是分别通过两根凸轮轴单 独驱动的，可以通过一套特殊的机构将进气凸轮轴按要求转过 一定的角度，从而达到改变进气相位的目的。 ：， 簿 矗 7 、曩、 ，：r h 、 0 测 一：i 、譬； 。、。1，。 、伽 南j 。7 广j 。| | 。 一j j 冈28v v t 对发动g l 性能的影响 根据实现机构的不同，这种改变又可以分成分级可变与连 续可变两类，调节范围最高可达6 0 。化a ，如图2 - 8 。由于v v 7 技术上相对成熟，很多商性能的汽油发动机采用j ，这技术， 通过实验研究分析可以看出，采用v v t 技术可咀使得发动机的 低速转矩性能得至目人幅度的改善，汕耗大大降低了，r 及n o 。 排放也丈幅度的下降。 3 、减少进气管和空气滤清器的阻力 进气管的截面形状和通道流线，对进气过程影响也很大。 其设计原则是：空气流动目i 力低；各气缸问的新鲜充量分配均 匀；对于化油器式的汽油机而言，还要求适当加热进气以提高 1 9 鲻 i ，蚂 。 。西 一 驴 赢胤埋j 大掌螭十学位论义 燃油的雾化质量；对于采用e g r 以及进气道燃油喷射发动机 而言，还要求满足专门机构的特殊要求。 除此以夕 ，由于进气管巾气流的不稳定流动，存进气管l 还存在一个重要的现象，即睹振或称调谐。，进气管的长度与管 径的大小对充气效率的影响较大我们知道，随着进气管长度 的增人以及管径的减小，充气效率的峰值向低速一侧移动，这 虢是调谐现象的结果( 我们将存卜 一章中详细讨论) 。其原凼 在于，在进气过程巾，活塞的下行运动可导致进气管内产生膨 胀波，该膨胀波将在进气管的开口端反射，然后产生j 卜向乐力 波向气缸传播。在合适的条件卜( 如转速、进气管长度和管径 等) ，这个正向压力波可以使得住进气过程结束时，进气f 处 的进气水力高十正常的进气压力，这样发动机就可以多进气， 从而使充气效率得到提高。 存实际应刚叶1 ，为了追求最佳的充气效率值，在一些高档 轿车上采用可变进气系统，以充分着i l 用进气谐振的效果，达到 高速与低速性能的最优化。比较常见的可变进气系统是通过改 变进气管长度或流通截而的方式来实现( 见第五章) 。在低速 时控制阀保持关闭状态，气体从主气道流入发动机中；而高速 时控制阀打开，气体从主、剐两个气道同时流入气缸中。丰孛制 阉关闭时，相。于进气管流通截而减小，相应提高j ，低速充气 效率。 发动机在f i 同 _ 况时，相心地合理改变进气系统的管长、 或管径、或系统容积、或气门定时，均可带来充气效率优f 不 可变进气系统的效果，从而改善扭矩。如表2 一l 所示，改变氏 度的方法( 表中用“4 ”表示长度变化，用“( 4 ) ”表示连带 变化) 存直列4 缸机的中速段可获较高的充气效率( 用“+ + ” 表示) ，而其他方式可变进气系统在中速段的效果都不直u 它， 例如可受气f 定时方案h 能在低、高速段获得较高的充气效 n a 晾理工人学碗上学位隆文 率，丽分割进气管方案是在低速时关c i 】一部分管道从而达到变 管径或变管长的只的，使其在高、中、低速均获得充气效率的 改善( 用“+ ”表示) 。 空气滤清器是进气系统阻力的t 要来源之一，应当在保证 滤清效果的前提卜尽可能减少空气滤清器的流通阻力，同时， 定时对空滤器进行清理与保养也是减小进气流动阻力的一个 重要措施。还有一点虑特别注意：空气滤清器与进气岐管之间 接管的长度，它也是影响进气岐管内气流不稳定流动的重要凼 素之一。 表2 1 各种可变进气管系统的评定 可变气门 变化力案可变长艘可变面积叫变容积 i f 刑 k 度 q( 4 ) 变化面税( ) 容积( 4 ) 改善充气低速 十i i 效率适应中速 + + 范围高速 上 + 十 性能 部分负荷 + + 怠速 + + 直剜4 缸v 应卅机型 直列6 缸 ( 二) 、降低排气系统的流动阻力 降低排气系统阻力，可以使气缸内的残余废气压力下降， 这样不仅可以减少残余废气系数，有利于提高充气效率，而且 a 娘理工大学硕j | 字何论文 可以减少泉气损失，提高指示效率。排气系统的设计日标是： 降低排气背压，减少排气噪声。 与进气系统一样，排气流通截面最小处是排气门廖处，此 处的流速最高、压降最大，故在设计时应保证气门及其庵面的 良好结构。排气道应当是渐扩型，以保证排除气体的充分膨胀， 从而降低气缸与排气管内的压力差，使得气缸内的废气乐力得 以迅速下降，达到提高充气效率和降低泵气损失的目的。 与进气管一样，排气管也存在调谐现象，只不过所希望的 调谐效果是使得排气门处的压力降低，以利于排气。为此，需 要通过大量的理论计算以及试验，确定合理的排气管长度。对 于t 岛速：冲程内燃机，这一点尤其重要。 在排气管中往律还有消声器和排气后处理器( 催化转化 器) ，设计时应在保证足够的消声与降污效果的前提下，尽可 能降低流动阻力。 ( 二三) 、减少对进气充量的加热 在进气的过程中，进入气缸的新鲜充量将会被各种高温表 而所加热而温度升高，从而导致进气密度卜降，充气效率减小， 还可能促使发动机整体热负荷提高和1 i 正常燃烧的发生。进气 温度升高受到各种结构1 j 运行参数的影响，如进气管结构、发 动机转速、负荷、冷却水温度等。 对于化油器式汽油机来说，由于需要进气加热来保证部分 液态燃料在进气管中的蒸发，所以进气管与排气管布置存同一 侧。对于进气道喷射的汽油机以及柴油机，均采用进、排气管 两侧布置的方案，以提高充气效率。对于高速内燃机，有时也 采用进气冷却技术，以降低进气温度。增压内燃机则将进气中 冷技术作为进一步提高增骶压力的重要途径之一。 太原理_ l _ = 大学硕士学位论文 第三章进气系统的不稳定流动 一、概述 利用进气系统的不稳定流动来提i 每充气效率是一种简单 而有效的方法。其实质足通过提高进气l 、j 处气流的压力和速 度，以增大内燃机气缸的充气效率。 在有专用进气管的情况下，进气系统稳压腔与进气fj 之间 的强制气流波动( 其频率与系统固有频率致，即谐振) 和进 气系统内气流运动的惯性现象均可增大充气效率。冈此，为了 增大充气效率，进气系统总的设计原则应该是确定各段进气管 的最佳长度和直径、选择合理的配气相位，尽量减少进气系统 内的空气动力损失。 进气系统r ，怎样的压 i 。 。 力波动，j 能提高充气效率， 毒一： r1 也就是说在气门开启这段 一o l 时间内，脎力波什么时候到 达进气fj 时可阻提高充气 效率。可以在大气压上设想 加一个宽2 0 度、大小为 ，j 3 千帕的矩形脉冲波( 如 专i = = i i 】h 目h 自= 二二= 爿 1 “1 ，r _ 瓦蕊j j 、 7 0 一一 譬二。一一一i 一1 i 一。 j 。j 。i 一。 _ 。l = o 二乏一! nj 呲 9 c 4 鞋寅 图3 1 矩形脉冲波能置和充 图j 一，) ，然后依次改变脉冲 气效率的关系 波的位置来计算充气效率。从图3 一，看出，在进气门削打开时， 脉冲波使充气效率稍有增加，从邢以后直到下l 上点为j 卜充气效 率几乎没有变化，但从下止点开始到进气门关闭的期间内，充 气效率增加得很多。也就是说，进气压力的波动对充气效率产 查堡堡三垒望婴! ! 芏堡鬯墨 牛的影响l 要决定十从f 止点开始到进气门关闭这一期间内 k 力如何。 我们所要研究的就足在没囱i 任何增压器的前提下，利用进 气管中气流的 i 稳定流动米增加从下止点开始到进气fj 关闭 这一期间内的进气压力，这种增压方式叫气体动力增压。 二、气体动力增压的基本原理 气体动力增压的基本琢理：当进气门急速打开时，由于活 塞的吸入作用，存进气门的入l ：】处产生了一个膨胀波，并在进 气管内向开口端a 传播，膨胀波在开l j 端反射回来压缩波，即 反射到来后进气管巾的压力大十人气乐。如果存进气门即将父 闭时，刚好有一个l f 的最大压力传到进气fj 处，则可使可燃混 合气将额外地更多地进入气缸，使迸气量增多，达到增压的目 的。这种利用本循环吸气产生的膨胀波，达到开口端后反射刨 压缩波以达到增压目的的动力现象叫动力增压，又称为惯性 增压。 进气过程的惯性增脎就是利用进气系统( 丰要是进气岐 管) 内的压力波动，选择适当的进气管氏度和直径、适当的配 气相位，使活塞f 移进气时产生的负压力波传至进气管口后， 反射成惟忭力波，在进气l 、j 关闭前刚好有一个正的最高压力传 入气门入口，这时可燃混合气将以最大密度进入气缸内，使充 入的薪鲜充鼋增加。进气惯性效应最大的条倒是在进气的有效 持续期的后半部分，即在，+ 3 ，2 以的时间内就有次反射的 正乐力波波动的周期柏配合( 如图3 2 ) 。，闲为进气压力波动的 周期是与进气管的实际路程密切相关的，若进气管道的当量长 度为。j 卡力波的传播速度为d ，则压力波存进气管内传递一 个往复来回的时剐为： 2 4 太原理工大学硕士学位论文 一堡 扎 时，即等了1 凶龇= 鲁，所以三， 的范围为篆篑。式中n 进气管中的声速伽，s ，最一进气门 尸 1 a t m 罔3 2 压力波传播的简化 持续开启的有效角( c aj 。 f 抽于压力波传播路程除进气管道外还应包括气缸晌容积 折算的进气管当量长度可取为： ( 2 ) 式中一包括气缸的进气管道长度加，；n7 弋缸的工作客积 俪3 ，；4 ，= 署d j f m 2 j 。代入卜式后得到： a 刚o , 7 盅层 这个公式表明，实现进气惯性效应时，进气系统结构参数 与发动机转速、气缸_ 作容积及配气相位角之间的褶互约束关 厚 丌一2 太原理工万学硕士学位论文 系。 利用进气门关闭后进气管中形成压力波动效应柬达到增 大进气充垦的方法，这是另一类型的动力增压。其原理是：在 进气fj 迅速关闭后，使进气管内正在流动的空气受到滞止而产 生正压力波，此压力波以音速a ( 当管内气体以速度