发动机的换气过程

第二章发动机的换气过程,一、四冲程发动机的换气过程,1.换气过程分为自由排气、强制排气、进气和气门叠开四个阶段1）自由排气阶段从排气门打开到气缸压力接近了排气管压力的这个时期，称为自由排气阶段。到某一时刻，气缸内和排气管内的压力接近，则自由排气阶段结束。当排气门开启，废气涌向排气管时，排气管压力急剧上升，产生正压力波并在管内往复传播和反射。,1.换气过程,四冲程发动机的换气过程,从排气门开始打开到下止点这段曲轴转角，称为排气提前角，一般为3080曲轴转角。自由排气约在下止点后1030曲轴转角结束，由于此阶段废气流速很高，故排出废气量达60%以上。,2)强制排气阶段,此阶段废气是由上行活塞强制推出。由于要克服排气门、排气道处的阻力，缸内平均压力比排气管平均压力略高一些，一般高出10kPa左右。气流的速度愈高，此压差愈大，耗功愈多。为了利用高速气流的惯性排除废气，排气门是在活塞过了上止点后才关闭。从上止点到排气门完全关闭这段曲轴转角，称为排气迟闭角，一般为1035曲轴转角。,3)进气过程,进气门是在上止点前开始打开，以保证活塞下行时有足够大的开启面积，新鲜工质可以顺利流入气缸。一般进气门提前开启角为上止点前040曲轴转角。进气门也必须在下止点后才关闭，因为需要利用高速气流的惯性，在下止点后继续充气，以增加进气量。一般进气门迟闭角为下止点后4070曲轴转角。,1.换气过程,四冲程发动机的换气过程,4)气门叠开,1.换气过程,四冲程发动机的换气过程,由于排气门的迟后关闭和进气门的提前开启，存在进、排气门同时开着的现象，称为气门叠开，此时，进气管、气缸、排气管互相连通，可以利用气流的压差、惯性或进、排气管压力波的帮助，清除残余废气，增加进气量，降低高温零件的温度，但注意不应产生废气倒流现象。在增压发动机中，因其进气压力高，可以有较大的气门叠开角。在非增压发动机中，叠开角一般为080曲轴转角，增压柴油机可达80160曲轴转角。,发动机类型不同，所占的曲轴转角也个不相同，一般是由以往的产品及试验决定的。,(1)自由排气阶段A排开ppp=p靠缸内压力将气体挤出气缸，其中p缸内压力,p排气管内压力。(2)强制排气阶段Bp=ppp靠活塞上行将废气挤出气缸。(3)超临界排气C排开p=1.9p在气阀最小截面处,气体流速等于该地音速m/s。其流量与压差（p-p）无关,只决定于排气阀开启面积和气体状态。(4)亚临界排气Dp=1.9p排闭。其流量取决于压差（p-p）。,1.换气过程,四冲程发动机的换气过程,2.换气损失,换气损失是由排气损失和进气损失两部分组成。1）排气损失从排气门提前打开直到进气行程开始，缸内压力到达大气压力前循环功的损失，称为排气损失。它可分为：自由排气损失，它是因排气门提前打开，排气压力线偏离理想循环膨胀线，引起膨胀功的减少。强制排气损失，它是活塞将废气推出所消耗的功。减小排气系统阻力及排气门处的流动损失，是降低排气损失的主要方法。,四冲程发动机的换气过程,随着排气提前角增大，自由排气损失面积增加，强制排气损失面积减小，如图中b曲线，如排气提前角减少则强制排气损失面积增加，如图中c曲线。所以最有利的排气提前角应使面积（W+Y）之和最小。,2.换气损失,四冲程发动机的换气过程,减少排气损失的主要措施是：减小排气系统阻力和排气门处的流动损失。,2.换气损失,四冲程发动机的换气过程,2进气损失,由于进气系统的阻力，进气过程的气缸压力低于进气管压力而产生的损失。与排气损失相比，它相对较小。如图所示，排气损失与进气损失之和称为换气损失，由面积(Y+X+W)所示。在实际示功图中，将面积(Y+X-d)所表示的负功为泵气损失。,二、四行程发动机的充气效率,充气效率v是实际进入气缸的新鲜工质量与进气状态下充满气缸工作容积的新鲜工质量的比值充气效率越大，表明发动机换气质量越好，残留于气缸内的废气越少。每循环进入一定气缸容积的新鲜工质量多，则发动机功率和扭矩可增加，动力性能好。,式中m1、V1实际进入气缸的新鲜工质的质量、体积(进气状态)；ms、Vs进气状态下充满工作容积的新鲜工质的质量、气缸工作容积。,1.充气效率的概念,实际发动机充气效率可直接测定，用流量计测出发动机每小时实际充气量(m3/h)，理论充气量V(m3/h)由下面的公式算出,式中vs气缸工作容积(L)；i气缸数；n发动机转速(r/min)。,四行程发动机的充气效率,1.充气效率的概念,2.影响充气效率的因素,影响充气效率的因素有：进气(或大气)的状态、进气终了的气缸压力和温度、残余废气系数、压缩比及气门正时等。1）进气终了的压力Pa进气终了的压力越高，充气效率越大。,四行程发动机的充气效率,2.影响充气效率的因素,四行程发动机的充气效率,对汽油机来讲：节气门开度直接影响Pa值，当节气门开度变小，Pa不仅下降，且随转速的增加而下降的越快。当节气门开度一定时，转速增加Pa下降，充气效率下降。Pa主要取决于进气管的阻力系数和气体流速。2）进气终了温度Ta进气终了温度高于进气状态温度。引起Ta升高的原因是：1)新鲜工质进入发动机与高温零件接触而被加热。2)新鲜工质与高温残余废气混合而被加热。解决方法是，对于增压发动机采用进气中冷；将高温排气管与进气管分置于气缸两侧；控制进气预热，适当加大气门叠开角等。,2.影响充气效率的因素,3）残余废气系数,四行程发动机的充气效率,气缸中残余废气增多，不仅使v下降，而且使燃烧恶化。特别是在汽油机低负荷运转时，因节气门关小，新鲜充量减少，会大大增加，稀释可燃混合气，使燃烧过程缓慢，从而造成汽油机低负荷工作不稳定，经济性和排放性能变差。排气终了时，排气管内废气的压力高，说明残余废气密度大，上升。与进气过程同理，Pr主要决定于排气系统各段管路的阻力和气体流速，转速增高则Pr增加。,2.影响充气效率的因素,四行程发动机的充气效率,4）配气正时合理的配气定时可增加v。由于进气门迟闭而使1，新鲜充量的容积减小，但Pa值却可能因有气流惯性而使进气有所增加，合适的配气定时应考虑Pa具有最大值。5）压缩比压缩比增加，压缩面积减小，残余废气量随之减少，因而v有所增加。6）进气(或大气)状态进气或大气压力高，Pa也随之增加，新鲜工质密度增大，虽然变化v不大，但实际进气量增多。同理，进气或大气温度降低，Ta也随之有所下降，工质密度增大，实际进气量亦增多。,三、减少进气系统的阻力,进气门在整个进气系统中，进气门处的流通截面最小且截面变化最大，因此，增大此处的流通能力并减少流动损失，一直是人们关注的重点。,非增压四行程发动机的进气系统，是由空气滤清器或加进气消声器、化油器或喷油器、节气门、进气管、进气道和进气门组成；减少各段通路的阻力，增大其流通能力，可以提高充气效率。,气门开启的三个阶段简图,三、减少进气系统的阻力,1）时面值表示气门的通过能力；与气门的形状和气门升程有关；随转速的增加，时面值变小。,为气门的时面值,dt时间内气门的开启截面积,曲轴转角,右图给出的是角面值，不随转速变化，而时面值随速度增加而减小。,进气马赫数Ma是进气门处气体的平均速度Vm与该处声速c的比值(MaVm/c)。它能反映流动对充气效率的影响，成为分析充气效率的一个特征数。平均流速Vm定义为：实际进入气缸的新鲜充量与进气门有效时面值F(t)之比。根据一系列试验可知，在正常的配气条件下，当Ma超过一定数值(0.5左右)时，便v急剧下降，如下图所示。当v急剧下降后，即使提高转速，因单位时间充气量无法增加，功率也不能增加。因此，必须注意控制Ma值。解决办法：增大气门的相对通过面积；改善气门处的气体流动，提高流量系数；合理的配气相位，是限制Ma值、提高v的有效方法，这对于高速发动机尤为重要。,2）进气马赫数,减少进气系统的阻力,充气效率与平均进气马赫数的关系图,2）进气马赫数,减少进气系统的阻力,3）气门直径和气门数,增大进气门直径可以扩大气流通路截面积，提高效率。在双气门(一进排)结构中，进气阀盘直径可达活塞直径的45%-50%，气门与活塞面积之比为0.2-0.25，进气门比排气门一般大15%-20%，但由于受到结构限制，进一步增大比例已很困难。为了进一步增大进气门流通截面，采用了多气门结构，如下图所示。根据优化气门数和进气门开启面积的关系可知，缸径大于80mm时，采用二进二排结构；缸径小于80mm时，采用三进二排结构，可获得最大开启面积，进气体积流量可大幅度增加。由此可知，四气门机与二气门机相比，功率可提高70%，扭矩可提高30%，且响应性比增压机好，故是汽车发动机高功率化的有力措施。,减少进气系统的阻力,气门数与进气门开启面积的关系,另外，多气门机构还具有易实现可变技术，改善低速、低负荷性能；布置紧凑燃烧室，火花塞(或喷油嘴)放置在燃烧室中央，从而改善燃烧，减小运动件质量，利于高速化等优点。因此，国外轿车3/4以上均采用多气门机构。,3）气门直径和气门数,减少进气系统的阻力,四气门机与二气门机相比，功率可提高70%，扭矩可提高30%，且响应性比增压机好，故是汽车发动机高功率化的有力措施。,3）气门直径和气门数,减少进气系统的阻力,适当增加气门升程，改进凸轮型线，减小运动件质量，增加零件刚度，在惯性力允许条件下使气门开闭得尽可能快，从而增大时面值，提高通过能力。最大气门升程与阀盘直径之比L/d取0.26-0.28。,4）气门升程,减少进气系统的阻力,应注意改善气门处流体动力性能，如气门头部到杆身的过渡形状，气门和气门座的锐边等，都会影响气流的剥离，从而影响流量系数。下图给出综合提高气门处流通能力的措施。,5）减少气门处的流动损失,减少进气系统的阻力,2.进气管和进气道,减少进气系统的阻力,进气道和进气管必须保证足够的流通面积，避免转弯及截面突变，改善管道表面的光洁程度等，以减小阻力，提高效率。为此，在高性能的汽油机上采用了直线型进气系统。在直线化的同时，还应合理设计气道节流和进气管长度，布置适当的稳压腔容积等，以期达到高转速、高功率的目的。发动机除要求动力性外，还必须有好的经济性和排放性能。在汽油机上，进气管还必须考虑燃料的雾化、蒸发、分配以及压力波的利用等问题。在柴油机上，还要求气流通过进气道在气缸中形成进气涡流，以改善混合气形成和燃烧。,空气滤清器阻力随结构而不同。它必须在保证滤清效果的前提下，尽可能减小阻力如加大通过断面，改进滤清器性能，创制低阻、高效的新型滤清器等。在使用中，应经常清洗滤清器，及时更换滤芯。,3.空气滤清器,减少进气系统的阻力,四、合理选择配气定时,合理选择配气定时，可以保证最好的充气效果，改善发动机性能。在进、排气门开闭的四个时期中，进气门迟闭角的改变，对充气效率影响最大。合理的排气提前角应当在保证排气损失最小的前提下，尽量晚开排气门以加大膨胀比，提高热效率。当转速增加时，相应的自由排气时间减小，为降低排气损失，应增加排气提前角。确定配气定时，一般要在实机上经过反复比较试验，最后找出合适的方案。,v在某一转速下达到最高值，此转速下能最好地利用气流的惯性充气。,由于间歇进、排气，进、排气管存在压力波，在用特定的进气管条件下，可以利用此压力波来提高进气门关闭前的进气压力，增大充气效率，这就称之为动态效应。动态效应一般分为惯性效应与波动效应两类。,1.进气管的惯性效应,在发动机进气过程中，活塞的下行运动导致在进气管传出负压波。当负压波在进气管的开口端反射，形成正压波，向气缸传递。在一定的条件下（如一定的转速、进气管长度等），这种正压波可以使发动机进气过程即将结束进气门关闭前夕，进气门处的压力高于正常的进气压力，从而增加发动机的进气量，提高充气效率。,五、进气管的动态效应,1.进气管的惯性效应,进气管的动态效应,由图可见，随进气管长度的增加以及管径的减小，充气效率的峰值向低速一侧移动。,低速时，进气管需要长而细；高速时需要短而粗,2.进气管的波动效应,进气管的动态效应,进气门关闭时，进气管内流动的空气由于急速停止而受到压缩，在进气门处产生正压波，正压波在进气管内反复传递，由正压波与负压波相互转换，当进气门再次开启时，如果正压波正好传到进气门，可以提高充气效率。,3.进气管长度与转速,进气管的动态效应,压力波的固有频率为：其中C为进气管内气体的声速（m/s）为进气管当量长度,发动机转速为n时，进气频率：,对惯性效应：发动机进气周期与压力波半周期相配,对波动效应,，,=1.5，2.5时，下一次气门开启期间，正好与正的压力波重合。,、,小，则需要进气管长；,一定，管长与转速成反比，即高转速所需进气管短，低转速需要进气管长。多缸机各缸进气歧管长度应相同，避免各缸气波干扰。,六、可变技术,可变技术就是随使用工况(转速、负荷)变化，使发动机某系统结构参数可变的技术。可满足高功率比的要求，中、小负荷的经济性和稳定性，避免出现扭矩低谷，提高乘坐舒适性。主要有可变进气管、可变气门定时、可变气门升程、可变进气涡流等。,1.可变进气管,当发动机处于低转速时使用长进气管，因为进气管越长，空气在管内的振动频率越低，只要长度与转速相匹配就能得到最大的进气能量；反过来说，当发动机处于高转速时，由于吸气频率高，所以就要换上较短的进气管来提高空气在进气管内的固有频率，得到最大的进气能量。所以就需要设计一套可以让进气管长度变化的系统来达到这一目的。,四行程发动机是曲轴每旋转两圈为一个周期，而这个周期的1/4的时间是用来进气的，也就是说在一个周期内约1/4的时间进气门打开，剩下的3/4的时间进气门是关闭的。这就造成进气管内的空气存在一定的进气频率。不妨把它假设成振动来进行分析。根据振动学的原理，当振动物体的振动周期和频率与他的固有周期和固有频率频率相同时，振动能量最大，振动波叠加，这就是人们常说的共振。对于振动的物体而言共振的能量是最大的。那么如果把进气看成是振动，那么当发动机的吸气频率与进气管中空气的固有频率相同时，进气能量最大。但发动机的吸气频率是随发动机转速的变化而变化的。当发动机转速高时，吸气频率也高；当发动机转速降低时，吸气频率就随之降低了。那怎么样才能让进气管内的空气的固有频率能与发动机的吸气频率保持一致呢？最可行的办法就是改变进气管的长度。当发动机处于低转速时使用长进气管，因为进气管越长，空气在管内的振动频率越低，只要长度与转速相匹配就能得到最大的进气能量；反过来说，当发动机处于高转速时，由于吸气频率高，所以就要换上较短的进气管来提高空气在进气管内的固有频率，得到最大的进气能量。所以就需要设计一套可以让进气管长度变化的系统来达到这一目的，那么可变进气管长度技术就诞生了。,1.可变进气管,可变技术,长进气道发动机在低转速时，空气经过长的进气道，使气缸充气最佳，且扭矩增大。,短进气道发动机在高转速时，空气流经短进气道，可提高效率。,真空单元,进气道,1.可变进气管,可变技术,当发动机在2000转左右时电脑控制进气管长度控制阀关闭，让空气先流经螺旋形状的长进气管后再进入汽缸，此时为长进气管状态。,当发动机转速上升到5000转时，进气管长度控制阀打开，让空气不经螺旋管道而直接进入到汽缸，此时为短进气管状态。,1.可变进气管,可变技术,图为宝马新7系的发动机进气管设计，从图中可以看出，他不是采用控制阀来切换进气管的长度，而是在进气管中间设计了一个可以旋转的转子，当这个转子旋转一定角度后进气管的长度就发生了改变，同样达到了优化进气的目的。有了这套系统，发动机就能在高低转速时都能保持良好的进气效率，进气效率提高了发动机的整个工作效率也就提高了。随之而来的就是节能，环保以及动力输出线性，扭力分布均匀等优点了。,可变技术,可变气门正时（VVT）,进气持续期可变（VVA）,结构相对简单，技术成熟，可分为分级可变与连续可变，最大范围可达60(CA)；可使发动机低速转矩得到大幅提升。,结构复杂，在改变气门正时的同时，还可以改变气门升程；发动机的低速转矩和高速性能都得到显著改善。,2.可变气门正时,本田的VTEC，丰田的VVTi，还有保时捷的Variocam、宝马的Valvetronic等等,进气门开、关时刻：发动机转速低时，进气管内混合气随活塞运动，活塞运动慢。进气门应提前关闭，以避免混合气回流进气管。发动机低速时，进气凸轮轴相位应提前调整。,2.可变气门正时,工作原理,进气门开、关时刻：发动机转速高时，进气管内气流快，活塞在向上运动过程中，混合气应可继续涌入气缸，为增加混合气量，进气门延迟关闭。,2.可变气门正时,工作原理,如果气门行程设置得较大，那么在发动机高转速时混合气的进气效率肯定是很高的，因为发动机在高转速时空气流速很快，这就需要较大的气门开口才能让混合气尽可能的充满汽缸，但在低转速范围，效果却截然相反，因为发动机在低转速范围时，进气管内的空气流速很慢，这就需要活塞向下行程时能产生足够的负压才能尽可能的把混合气体吸入到汽缸。发动机的吸气原理也是一样的，所以在低转速时如果气门的开度较大，就会因为进气管内的真空度不够而吸气效率下降。,2.可变气门正时,工作原理,在选择气门开度时既不能太大，也不能太小。如果开度大那么虽然高转速时功率能提高，但低转速时由于进气量太小，会让发动机的扭力下降，工作不稳定，严重时甚至熄火。反之如果选择较小的气门开度，那么低转速时的扭力虽然提高了，但高转速时的功率却发挥不出来。这就产生了一对矛盾。所以设计师只能选择一个折中的气门行程来尽可能的兼顾到高低转速的动力发挥。在这种情况，如果能设计一种机构可以随转速的高低来自动调节气门的行程不就可以让发动机既能在低转速时扭力充沛，又能在高转速时发挥出更大的功率了。所以可变气门行程机构就诞生了。其功能就是随发动机转速而改变气门的行程。当发动机低转速时使用短行程，高转速时使用长行程，这样就能很好的解决上面所说的配气矛盾了。功能都是这样，但不同的厂家在设计时由于控制方式的不同那么在性能的发挥上也就有高低之分了。,2.可变气门正时,工作原理,图中每个进气门分别有两组凸轮控制，一组是高速凸轮，一组是低速凸轮。红色圆框内就是可变气门行程的控制机构。当发动机在低转速范围时，红色的控制活塞是落在气门座内的。这样高速凸轮只能驱动气门座向下行程而不能带动整个气门动作，整个气门由低速凸轮驱动气门顶向下行程，这样获得的气门开度就较小。当发动机在高转速范围时，红色的控制活塞在液压的驱动下从气门座推入到气门顶中，,等于是把气门座和气门刚性的连接在一起，当高速凸轮驱动气门座时就能带动气门向下行程获得较大的气门开度。但这种设计只能在一定程度上获得更好的进气，当驾驶车辆加速时，发动机由高转速向低转速过度到改变气门行程的临界值时，驾驶者会感觉到动力瞬间提升，会影响乘坐的舒适感。,2.可变气门正时,具体结构,红色圆圈内的就是用来改变配气正时的控制机构了。实际上它是在凸轮轴的末端装上了一个带有液压控制机构的壳体，而正时链条是直接驱动该壳体的，壳体与凸轮轴之间充满了液压油，壳体就是通过液压油驱动凸轮轴运动的,2.可变气门正时,具体结构,宝马的控制机构是由电机驱动的，电机通过蜗杆传动齿轮，然后由齿轮上的凸轮带动摇臂运动来改变摇臂的控制角，然后在凸轮轴的驱动下由摇臂带动气门运动。所以通过改变摇臂的角度就可以改变气门的行程了。由于是通过电机控制的，所以可以在一定区域内做无段级调节气门开度，这样驾驶起来舒适性更强，配气机构在各转速下的适应性也更强，能最大限度的提高发动机充气效率。目前宝马已经把这套系统装备到了宝马745i，530i，330i为代表的直列6缸发动机和V型8缸发动机都装备了该系统。,具体结构,2.可变气门正时,2.可变气门正时,可变技术,1）凸轮相位可变,可变气门正时机构结构图,可变气门正时机构结构图,2.可变气门正时,正时提前,2.可变气门正时,正时延迟,LOCK,2.可变气门正时,1凸轮轴链轮2外壳3转子4止动销5尖端封口6外罩7开槽封圈,1移动阀2线圈3柱塞4回动弹簧,2.可变气门正时,凸轮轴,2.可变气门正时,机油压力流程图,2.可变气门正时,缺点：由于这种机构的凸轮型线及进气持续角均不变，虽然高速时可以加大进气迟闭角，但气门叠开角较小。,排气凸轮轴,进气凸轮轴,凸轮轴调节阀N205,液压缸,排气凸轮轴,进气凸轮轴,凸轮轴调整器（与链条张紧器一体）,可变技术,2.可变气门正时,2）奥迪的可变气门正时,功率调整调整功率时，链条下部短，上部长，进气门延迟关闭。进气管内气流速高，气缸充气量足。因此高转速时，功率大。,排气凸轮轴,进气凸轮轴,凸轮轴调整器,可变技术,2.可变气门正时,扭矩调整凸轮轴调整器向下拉长，于是链条上部变短，下部变长。因为排气凸轮轴被齿形带固定了，此时排气凸轮轴不能被转动，进气凸轮轴被转一个角度，进气门提前关闭。在这个位置时，在中、低转速，可获得大扭矩输出.,可变技术,2.可变气门正时,怠速怠速时，进气门延迟关闭.,扭矩调整转速在1000rpm以上时，进气门提前关闭。左侧凸轮轴调整器向下，右侧调整器向上运动。,功率调整转速在3700rpm以上时，左侧凸轮轴调整器向上，右侧调整器向下运动，进气门延迟关闭。,可变技术,2.可变气门正时,可变技术,3）进气持续期可变,如果气门升程设置得较大，那么在发动机高转速时混合气的进气效率肯定是很高的，因为发动机在高转速时空气流速很快，这就需要较大的气门开口才能让混合气尽可能的充满汽缸，但在低转速范围，效果却截然相反，因为发动机在低转速范围时，进气管内的空气流速很慢，这就需要活塞向下行程时能产生足够的负压才能尽可能的把混合气体吸入到汽缸。发动机的吸气原理也是一样的，所以在低转速时如果气门的开度较大，就会因为进气管内的真空度不够而吸气效率下降。因此凸轮轴上装置两组凸轮，为中、低速，大转矩使用的低升程、短持续期进气凸轮和为高功率使用的高升程、长持续期进气凸轮。,2.可变气门正时,3.可变进气管截面积,可变技术,根据流体力学的原理，在其他参数不变的情况下，管道的截面积越大流体压力越小；管道截面积越小流体压力越大。这就象高压水枪的管口一样。高压水枪的出水口直径要比高压水管的直径小很多倍，所以水流的压力也上升了很多倍，这样才能把水推到很远的距离。根据这一原理，再分析发动机各个工况的工作特性，就需要设计一套机构能在发动机高转速时使用较大的进气歧管截面积提高进气流量；在发动机低转速时使用较小的进气歧管截面积，提高汽缸的进气负压，也能在汽缸内充分形成涡流，让空气跟汽油更好的混合。,主流的4气门为例。由于有两个进气门，那就意味着可以有两根进气歧管。所以要改变进气歧管的截面积实现起来就比较容易了。我们只需要在其中一个进气歧管中装入一个可随电脑控制开闭的气阀，就能控制该歧管的使用状况了。当发动机处于高转速时，改气阀打开，这时两根进气歧管同时进气，获得大流量的混合气体；当发动机处于低转速时，该气阀关闭，理论上可以看成是使用一根进气歧管进气。这样进气歧管的截面积就减小了一倍。能获得更好的进气负压和混合气涡流，发动机的工作效率在高转速和低转速时都得到了提高。如下图就是进气歧管截面积的控制方法：,3.可变进气管截面积,可变技术,七、二行程发动机的换气过程,二行程发动机是曲轴回转一圈，活塞上下两个行程，就完成个工作循环，它与四行程发动机的不同之处主要在于换气过程。,摩托车二行程发动机,以曲轴箱扫气二行程发动机为例说明，将曲轴箱封闭起来。在工作缸下部开有排气口、扫气口和进气口。活塞由下止点向上运动，当活塞上行关闭排气口后即开始压缩过程，上行至上止点前约1030曲轴转角，喷油(或点火)燃烧，缸内气体温度、压力迅速上升；继而高温、高压气体推动活塞下行，即作功的膨胀行程，开启排气口膨胀行程结束，排气行程开始。,1.二行程发动机的换气过程,二行程发动机的换气过程,排气口开始打开时，缸内压力一般为0.30.6MPa，排气处于超临界状态，废气以声速流出气缸，缸内压力迅速下降，进入亚临界状态。从排气口开始打开到缸内压力接近扫气压力，新气开始流入气缸这段徘气，称为自由排气。此时是靠缸内与排气管之间的压差排除废气，其中从排气口打开到扫气口打开这一段，又称先期排气，必须保证先期排气时面值，以避免废气倒流。,1.二行程发动机的换气过程,二行程发动机的换气过程,已被提高压力的新鲜工质得以进入气缸，并驱赶废气继续排出，此过程一直进行到下止点后扫气口关闭为止。由于此阶段是利用新气扫除废气，故称为扫气过程。扫气口关闭后，排气口还开着，这时由于活塞上行的排挤及排气气流的惯性，会继续排出新鲜工质和废气的混合气，直至排气口完全关闭。从扫气口关闭到排气口关闭这段是额外排气阶段，其中有大量新鲜工质排出，是要尽量避免的阶段。活塞继续上行，重复压缩过程，进行新的循环。从排气口开始打开到排气口完全关闭，为二行程发动机的换气过程，大约占130150曲轴转角。,1.二行程发动机的换气过程,二行程发动机的换气过程,在排气口开启期间，废气及新鲜工质不断从排气口流出，这部分气缸容积不能容纳新鲜工质。称为损失容积。二行程发动机的有效压缩是从排气口关闭后开始，故其有效工作容积为：,1.二行程发动机的换气过程,二行程发动机的换气过程,由于二行程发动机的进、排气过程是重叠进行的，它利用新气扫除废气，则必须提高进入气缸新气的压力，而设置扫气泵。扫气泵大致有如下三种类型：,2.扫气泵,二行程发动机的换气过程,1）曲轴箱扫气,压缩的最高压力与曲轴箱压缩比有关，即曲轴箱最大容积Vs(活塞位于上止点)与最小容积Vk(活塞位于下止点)之比。由于曲轴箱容积大，其压缩比较低，一般范围为1.3-1.55，充气效率低，大致为0.6-0.7，扫气压力仅为1.08kPa左右。因此，要求尽可能增大进入曲轴箱的新气量。因其结构简单、紧凑，所以仅用于小型汽油机及单缸柴油机上。,2）采用单独的扫气泵,二行程发动机的换气过程,如图，扫气泵大多用转子泵或离心泵，直接由发动机曲轴增速驱动。一般扫气压力Pk为109150kPa。,2.扫气泵,3）废气涡轮增压,效率最高，其扫气压力Pk为140200kPa甚至更高。,a）横流扫气b）回流扫气c）直流扫气,3.扫气系统的基本形式,根据新鲜充量在气缸中流动的性质，扫气形式可分为横流扫气、回流扫气和直流扫气三种。,二行程发动机的换气过程,二行程发动机的换气过程,1)横流扫气,特点：扫气口与排气口位于气缸两侧并且相对；扫气口在纵横方向有一定的倾斜角；活塞头部有一定的形状要求，以控制气流进入气缸的方向。优点：结构简单，制造方便，成本低。缺点：易在气缸顶部区域残留废气，换气效果差；扫气口与排气口之间易产生新鲜充量的短路现象；进排气口两侧缸壁热负荷不同，活塞与气缸受热不均匀。,二行程发动机的换气过程,2)回流扫气,特点：扫气口与排气口位于气缸同侧；扫气口与排气口的设置和纵横方向倾角有要求；扫气气流在活塞顶部和气缸壁引向气缸上部形成回流，将废气由排气口挤出。优点：结构简单，成本低。可以部分克服横流扫气的缺点；缺点：易在气缸顶部区域残留废气；扫气口与排气口之间易产生新鲜充量的短路现象。,特点：扫气口+排气门；扫气口沿切线方向排列，扫气气流旋转形成气垫沿气缸轴线运动，避免扫气气流与废气相混，扫气效果好。优点：排气门由凸轮机构驱动，可不对称换气，排气门早闭实现过后充气；活塞工作条件改善，冷却好；扫气口沿整个气缸圆周分布，气孔高度低，行程损失少。缺点：需要布置气门机构，结构相对复杂。,3)直流扫气,二行程发动机的换气过程,4.换气质量的估计,最理想的换气过程应是废气和新鲜充量毫不相混，扫气气流将废气全部挤出。事实上废气与新鲜充量相混是不可避免的，一部分废气留在气缸里，一部分新鲜空气出排气口跑掉。对柴油机来说，多供一些空气，使废气清除得干净些，仅是损失一点空气，多消耗些功；而在汽油机中是用油气混合气扫气，任何混合气的外逸都意味着损失燃油。因此，二行程汽油机仅用于比功率要求高或功率小的范围。衡量二行程发动机换气效果常用如下三个指标。1）扫气效率2）过量扫气系数3）给气效率,二行程发动机的换气过程,1）扫气效率,二行程发动机的换气过程,1）扫气效率,二行程发动机的换气过程,2）过量扫气系数,二行程发动机的换气过程,3)给气效率,它从数量上说明新气流失量的多少。改善换气效果最有效的办法是进行换气试验，从中找出最佳的结构方案。目前汽车拖拉机二行程发动机参数的大致范围是：扫气压力125-196kPa；过量扫气系数1.2-1.5(曲轴箱换气，为0.5-0.9)；扫气效率：直流0.8-0.95，回流0.8-0.9，曲轴箱换气0.72-0.8。,二行程发动机的换气过程,第三章燃料与燃烧,一、发动机的燃料,燃料是发动机产生动力的来源。可以说，发动机的生存与发展，汽油机与柴油机在结构与性能上的差异，对环境的污染等等，无不与燃料的种类和品质有着密切的关系。发动机传统的燃料是汽油与柴油，它们是石油的炼制品。石油的主要成分是碳、氢两种元素，含量约占97%-98%，其它还有少量的硫、氧、氮等等。石油产品是以多种碳氢化合物的混合物的形式出现的，分子式为CnHm，通常称为烃。根据烃分子中碳原子数的不同，可构成不同相对分子质量、不同沸点的物质。炼制汽油与柴油最简便的方法是利用沸点不同直接进行分馏，依次得到石油气汽油煤油轻、重柴油渣油,易自燃,化学安定性好,易点燃,一、发动机的燃料,一、发动机的燃料,燃料中的不同成分对化学安定性的影响,二、燃料的使用特性,主要用于各类柴油机中，其中，轻柴油用于高速柴油机，重柴油用于中、低速柴油机。我国生产的轻柴油，其规格由GB2522000规定。轻柴油的牌号按凝点不同分为10号、0号、-10号、-20号、-35号、-50号六级，其凝点分别不高于10、0、-10、-20、-35和-50。凝点是指柴油失去流动性开始凝结的温度。选用柴油时，应按最低环境温度高出凝点5以上，即-20号柴油适用于最低环境温度为-15的场合。在轻柴油性能的各个项目中，可以分为：1)评价柴油自燃性的指标十六烷值。2)与燃烧完善程度及起动性能有密切关系的性质馏程。3)与燃油喷射有密切关系的性质粘度。4)与柴油储存、运送、使用有关的性质闪点、凝点。5)与柴油机磨损腐蚀有关的性质机械杂质、水分、灰分、含硫量、酸度、水溶性酸和碱、残炭等等。,1.柴油,1）十六烷值,燃料的使用特性,十六烷值是评定柴油自燃性好坏的指标。它与发动机的粗暴性及起动性均有密切关系。自燃性好的燃料，冷起动性能亦随之改善。测定柴油的十六烷值，是在特殊的单缸试验机上按规定的条件进行。试验时采用由十六烷和-甲基萘混合制成的混合液，十六烷容易自燃，规定它的十六烷值为100，-甲基萘最不容易自燃，其十六烷值定为0。当被测定柴油的自燃性与所配制的混合液的自燃性相同时，则混合液中十六烷的体积百分数就定为该种柴油的十六烷值。一般直链烷烃比环烷烃的十六烷值高；在直链烷烃中分子量愈大，十六烷值愈高。因此，尽管燃料的十六烷值高对于缩短滞燃期及改善冷起动有利，但增大十六烷值，将带来燃料分子量加大，使油的蒸发性变差及粘度增加，导致排气冒烟加剧及燃油经济性下降。国产柴油的十六烷值规定在4050之间。,2）馏程,燃料的使用特性,馏程表示柴油的蒸发性，用燃油馏出某一百分比的温度范围来表示。燃料馏出50%的温度低，说明这种燃料轻馏分多、蒸发快，有利于混合气形成。90%和95%馏出温度标志柴油中所含难于蒸发的重馏分的数量。如果重馏分过多、在高速柴油机中来不及蒸发和形成均匀混合气，燃烧不容易及时和完全。车用高速柴油机使用轻馏分柴油，但馏分太轻也不好，因为轻质燃料容易蒸发，在着火前形成大量油气混合气，一旦着火压力猛增，将使柴油机工作粗暴。,3）粘度,燃料的使用特性,粘度是燃料流动性的尺度，是表示燃料内部摩擦力的物理特性。影响柴油的喷雾质量。当其他条件相同时，粘度越大，雾化后油滴的平均直径也越大，使燃油和空气混合不均匀，燃烧不及时或不完全，燃油消耗率增加，排气带烟。喷油泵柱塞、喷油器的喷针都是靠燃油润滑，所以柴油应具有一定的粘度，一般轻柴油的运动粘度在20时为(2.58)10-6m/s。,2.汽油,燃料的使用特性,影响汽油机性能的关键性指标主要是辛烷值和馏程等。,1）辛烷值辛烷值是表示汽油抗爆性的指标。汽油的辛烷值高，则抗爆震的能力强。国产汽油是以辛烷值来标号的,分为90、93、97等标号。测定燃料的辛烷值是在专门的试验发动机上进行的。测定时，用容易爆震的正庚烷(辛烷值定为0)和抗爆性好的异辛烷(2.2.4三甲基戊烷)(其辛烷值定为100)的混合液与被测定的汽油作比较。当混合液与被测汽油在专用的发动机上的抗爆程度相同时，则混合液中异辛烷含量的体积百分数就是被测定汽油的辛烷值。,1）辛烷值,燃料的使用特性,评定车用汽油的抗爆性，可采用两种试验工况，分别称为马达法与研究法。异辛烷（C8H18）辛烷值为100，正庚烷（C7H16）辛烷值为0，在专用的试验机上，将燃油的爆燃强度同异辛烷与正庚烷的混合液的爆燃强度比较，当两者相同时，标准混合液中所含异辛烷的体积百分比，即为试验燃油的辛烷值。马达法规定的试验转速及进气温度比研究法高，所以用马达法测定的辛烷值(MON)比研究法辛烷值(ROM)低。两者的差值反映出燃料对发动机强化程度的敏感性。汽油辛烷值的大小主要决定于汽油的组成情况、炼制方法及添加剂等，辛烷值高低顺序为烷烃烯烃环烷烃芳烃。我国70号汽油含芳烃大约5%-10%，而国外高辛烷值汽油的芳烃含量高达40%。,2）馏程与蒸汽压,燃料的使用特性,馏程和蒸气压是评价汽油蒸发性的指标。汽油及其它石油产品是多种烃类的混合物，没有一定的沸点，它随着温度的上升，按照馏分由轻到重逐次沸腾。汽油馏出温度的范围称为馏程。汽油馏程用蒸馏仪测定。将100mL试验燃料放在烧瓶中，加热产生蒸气，经冷凝器燃料蒸气凝结，滴入量筒内。将第一滴凝结的燃料流入量筒时的温度称为初馏点。随着温度升高，依次测出对应油量的馏出温度，将蒸馏所得的数据画在以温度和馏出百分数为坐标的图上，就成为蒸馏曲线。,为了评价燃料的挥发性。以10%、50%和90%的馏出温度作为几个有代表意义的点。（1）馏出10%的温度关系到发动机的冷起动性。如果10%馏出温度较低，发动机使用的这种燃料容易冷车起动。但是此温度过低，在管路中输送时受发动机温度较高部位加热而变成蒸气，在管路中形成“气阻”，使发动机断火，影响它的正常运转。,（2）馏出50%的温度关系到发动机暖车时间、加速性以及工作稳定性。馏出50的温度标志着汽油的平均蒸发性。若此温度较低，说明这种汽油的挥发性较好，在较低温度下可以有大量的燃料挥发而与空气混合，这样可以缩短暖车时间。而且从较低负荷向较高负荷过渡时，能够及时供应所需的混合气。（3）馏出90%的温度燃料含有难于挥发重质成分的数量。当此温度低时，燃料中所含的重质成分少。进入气缸中能够完全挥发，有利于燃料过程的进行。此温度过高，燃料中含有较多的重质成分，在气缸中不易挥发而附着在气缸壁上，燃烧容易形成积炭，或者沿着气缸壁流入油底壳，稀释机油，破坏轴承部位的润滑。,2）馏程与蒸汽压,燃料的使用特性,发动机发展演变的过程与燃料工业的发展密切相关。发动机发展初期是以煤气为燃料，因为在19世纪中叶，欧洲各大城市已使用煤气照明，煤气是当时比较容易得到的能源。随着石油工业的发展，出现了热值比煤气高许多，而且蒸发性也很强的轻油燃料(汽油)。这时，汽油机的混合气形成及点火方式部受到煤气机的强烈影响。不过，提高汽油机性能受到不正常燃烧的限制，汽油机的压缩比不高。为了扩大使用燃料的来源，有人曾利用废气热量对重馏分油(柴油)进行加热，促使其蒸发并与空气混合后，再送入气缸。在低压缩比下用电火花点火，但这是不成功的。1893年，Diesel提出利用高温的压缩空气促使燃料着火；继而，为克服柴油蒸发性差的缺点，采用气力或机力向缸内喷射的方式以形成混合气，这便是20世纪韧叶，柴油机出现的雏形。因此，从发动机发展的历史看出，燃料品质不同，是引起汽油机与柴油机在混合气形成与燃烧方面差异的基本原因。,三、汽柴油性能差异的影响,三、汽柴油性能差异的影响,1.引起在混合气形成上的差异汽油挥发性强(从50开始馏出，至200左右蒸发完毕)，因而可能在较低温度下以较充裕的时间在气缸外部进气管中形成均匀的混合气，因而控制混合气的数量，便能调节汽油机的功率。而柴油蒸发性差(200开始馏出，至350结束)，但粘性比较好，不可能在低温下形成油气混合气，但适宜用油泵油嘴向气缸内部喷油，靠调节供油量来调节负荷。2.引起着火与燃烧上的差异汽油自燃温度较高，但汽油蒸气在外部引火条件下的温度极低，因而不宜压燃但适宜外源点火；为促使有规律的燃烧，应防止其自燃(压缩比不能高)；而且由于混合气均匀，着火后，以火焰传播的方式向均匀的混合气展开。对于柴油，则利用其化学安定性差，易自燃的优点，采用压缩自燃的方式；为促进自燃，压缩比不宜过低，柴油的喷射及与空气的混合，既短暂又不均匀，常有随喷随烧的现象，因而使燃烧时间延长。,三、汽柴油性能差异的影响,四、发动机的替代燃料,传统燃料储运方便，成本较低，但随着石油储量的不断减少，对新的替代燃料的研究成为热点。,新的替代燃料的使用清洁性成为关键之一；可供使用的总量及成本；储运的方便、使用安全也是关键之一。,1、醇类燃料,随着世界石油储量日益减少，在发动机上使用代用燃料的趋势正在加速。日前，发动机燃料多样化的特点，为发动机的发展与改造带来了新的推动力。发动机的代用燃料有醇类燃料、人造汽油、氢燃料、煤浆燃料、植物油等等。用煤的液化生产人造汽油，在技术上是可行的，但成本较高；氢是今后很有前途的燃料，但氢的制取与储运仍有持进一步解决；将煤粉与柴油掺台形成固液两相的煤浆，在发动机上试验已有成功的范例，但固体燃料在高速燃烧的发动机上应用，仍有燃烧不完全和积炭磨损的问题。这些都属于探索性的代用燃料。当今比较成熟而且已经实用的代用燃料，还是醇类与汽油掺合，称为乙醇汽油，这在一些国家已有广泛应用。,1、醇类燃料,醇类燃料(例如甲醇和乙醇)来源广泛，有较好的燃料特性，能满足汽车燃料的基本要求。与汽油比较，它的特点是：(1)醇类燃料的热值低，但醇中的含氧量大，所需的理论空气量不到汽油的一半，所以两者的混合气热值都差不多，从而保证发动机动力性能不致降低。由于热值低，乙醇汽油的燃油消耗率比普通汽油高，不过热效率并不比普通汽油低，而且其混合气比汽油混合气还稀。(2)醇的汽化潜热是汽油的三倍左右，混合燃料蒸发汽化，可以促使进气温度进一步降低，增加了充气量，提高了功率。但困难的是，在使用中需予以强预热。(3)醇具有高的抗爆性能，加醇的混合汽油可提高燃料的辛烷值，这对提高汽油机的压缩比极为有利。(4)醇的沸点低，产生气阻的倾向比汽油大，要采取相应的措施。(5)在常温下醇难溶于汽油，混合不匀的燃料使发动机运转不稳定。为此，需要加入适量的助溶剂，以利于醇与汽油相互溶解。(6)甲醇对视神经有损伤作用，其混合燃料有一定的毒性，在储运及使用中要注意安全。另外，甲醇对金属有一定的腐蚀作用，应采取防蚀措施。,2、气体燃料,气体燃料可分天然气(NG)、液化石油气(LPG)及工业生产中的气体燃料。天然气是以自由状态或与石油共生于自然界中的可燃气体，它的主要成分是甲烷。液化石油气是在石油炼制过程个产生的石油气，主要成分是丙烷、丙烯等。在车辆上应用最多的气体燃料是天然气。世界上近年来天然气燃料发展最快，已成为第三大支柱性能源。它用于汽车一般有两种形式：一种是压缩天然气(CNG)，通常以20MPa压缩储存于高压气瓶中；另一种是液化天然气(LNG)，将天然气以-163低温液化储存于隔热的液化气罐中。与压缩天然气相比，液化天然气具有能量密度高、储运性好(它的液态密度仅为常态下气体密度的1/600)、行驶距离长等优点，但需要有极低温技术，储运困难而且成本高等，将液化天然气作为汽车燃料尚处于研究之中，当今广泛应用的仍是压缩天然气。,天然气燃料具有以下优点：(1)天然气的主要成分是甲烷，CO排放量少，未燃HC成分引起的光化学反应低，燃料中几乎不含硫的成分。(2)辛烷值高达130，可采用高压缩比，获得高的热效率。(3)燃烧下限宽，稀燃特性优越，在广泛的运转范围内，可降低NOx生成，进而也可提高热效率。(4)由于是气体燃料，低温起动性及低温运转性能良好，进而在暖机过程中，不需要在使用液体燃料时所必要的额外供油，不完全燃烧成分少。(5)天然气燃料适应性好，可采用油气双燃料供应方式，也可采用电控混合气或电控天然气喷射方式工作。它适用于轻型车，也适用于柴油车。(6)将天然气应用于柴油车，固体微粒的排放率几乎为0，(微粒排放是当今柴油车排放治理中突出的困难)，从而达到低公害车的标准。天然气燃料的缺点：(1)在常温常压下是气体，储运性能比液体燃料差，一次充气行驶距离短。(2)由于储气压一般达20MPa高压，使燃料容器加重。(3)由于呈气体状态吸入，使发动机体积效率降低，与液体燃料相比(如汽油)，单位体积的混合气热值小，功率下降近10%。,2、气体燃料,五、气体燃料,CNG、LPG在汽车上使用主要有三种形式。1）两用燃料即在汽油机的基础上改装使用气体燃料，在保留汽油机原有机构不变，增加一套气体燃料供给及控制系统，可分别使用汽油、气体燃料单独工作，由于气体燃料汽化需要吸收热量，故一般两用燃料发动机设计成使用汽油起动，在达到一定条件后转换为使用气体燃料。这种形式的汽车可以是新车在出厂前改装，也可以由在用车来改装。2）双燃料即柴油机改装使用气体燃料，由于柴油机没有点火系统，气体燃料十六烷值低，不能通过压缩燃烧，故需要向缸内喷入一部分柴油引燃，同时向缸内供给气体燃料，需要有柴油、气体燃料两套独立的燃料供给系统同时工作。3）单燃料重新设计发动机，来使用气体燃料。,2、气体燃料,两用燃料发动机的控制策略,五、燃烧热化学,在燃烧分析中需要提供有关燃料、空气及其产物的一些基本数量关系。对于已知的燃料，各元素的含量是可以测得的，而空气中氧化氮的比例又是一定的，按照完全燃烧的化学当量关系，很容易求出一些基本量，为发动机经验设计及调试提供依据。1.空燃比A/F(A：air-空气，F：fuel-燃料)表示空气和燃料的混合比。空燃比是发动机运转时的一个重要参数，它对尾气排放、发动机的动力性和经济性都有很大的影响。2.理论空燃比：即将燃料完全燃烧所需要的最少空气量和燃料量之比。汽油的理论空燃比大体约为14.7，也就是说，燃烧1g汽油需要14.7g的空气，柴油的约为14.5。一般常说的汽油机混合气过浓过稀，其标准就是理论空燃比。空燃比小于理论空燃比时，混合气中的汽油含量高，称作过浓；空燃比大于理论空燃比时，混合气中的空气含量高，称为过稀。,混合气略微过浓时，即空燃比为13.514时汽油的燃烧最好，火焰温度也最高。因为燃料多一些可使空气中的氧气全部燃烧。而从经济性的角度来讲，混合气稀一些时，即空燃比为16时油耗最小。因为这时空气较多，燃料可以充分燃烧。从发动机功率上讲，混合气较浓时，火焰温度高，燃烧速度快，当空燃比界于12-13之间时，发动机功率最大。,2.理论空燃比,燃烧热化学,3.过