发动机的换气过程

1、第二章 发动机的换气过程 为提高发动机的转矩和功率，应尽可能提供多的空气量（多供一 些燃料是容易做到的），这样，燃烧放出的热量就会增加，从而 提高发动机的动力性。 因此，本章重点介绍发动机的换气过程， 以及研究如何提高发动机的供气量。 第三章介绍的“废气涡轮增压系统”，目的也是为了尽可能提高进气量。 上止点 下止点 s V 第一节四冲程发动机的换气过程 一、换气过程 四冲程发动机的换气过程：排气门开启直到进气门关闭的整个时期， 约占410o480o曲轴转角。 换气过程可分为：自由排气、强制排气、进气、燃烧室扫气四个阶段。 1. 自由排气阶段 ： 过程描述：曲轴转角在活塞到达下止点前 60o时开

2、始，过下止点20o为止。 从排气门打开到下止点这段曲 轴转角称为排气提前角。 60o 上止点 下止点 20o 排气提前角 排气提前角的目的：使废气能通畅流出。 发动机转速越高，排气提前角应加大。 缸内压力变化：排气门刚开启时，缸内废气压力还很高；随着废气大量排出， 压力迅速下降；到某一时刻气缸内压力与排气管压力相等， 自由排气阶段结束。即靠缸内与排气管之间本身存在的压差来排气。 上止点 2. 强制排气阶段 ： 过程描述：由自由排气阶段结束开始，到活塞 过上止点后曲轴转角20o为止。 从排气门到活塞过上止点这段曲 轴转角称为排气迟闭角。 20o 上止点 下止点 排气迟闭角 排气迟闭角的目的：利用

3、气流惯性，进一步 排出废气。 缸内压力变化：废气由活塞上行强制排出。缸内平均压力比排气管平均压力略高。 气流速度越高，压力差值越大，耗功越多。压力差是排气门及排 气管处的阻力造成的。即靠活塞的推力来排气。 3. 进气过程 ： 过程描述：活塞在运动到上止点前曲轴转角20o 进气门开启，到过下止点后60o关闭。 从进气门在活塞到上止点前提前开启， 称为进气提前角。 从进气门在活塞运动到下止点后关闭， 称为进气迟闭角。 20o 进气提前角 进气提前角的目的：使新鲜充量顺利流入气缸。 缸内压力变化：进气行程初期，由于气门开启面积很小，活塞也开始向下运动，同时 又要克服气流的惯性，因此，缸内产生很大的负

4、压；之后，压力和温 度逐渐上升；进气终了时，缸内压力接近或高于进气管内压力。 60o 进气迟闭角的目的：实现在下止点后继续充气，增加进气量。 4. 气门重叠和燃烧室扫气 ： 过程描述：由于进气门的提前开启，以及排气门 的迟后关闭，所以存在进、排气门同 时打开现象，称为气门重叠。 20o 进气提前角 气门重叠的效果：由于进气管、排气管连通，可以利用气流压差和 惯性清除残余废气，增加进气量。 气门重叠带来的问题：汽油机由于新鲜充量是可燃混合气，扫气会造成燃料的损失； 柴油机由于是先充入空气，而后边喷油边燃烧，故没有燃料损 失问题，但气门重叠角过大，会发生气门与活塞相碰的问题。 20o 二、排气损失

5、 p V W X Y 0 p 从排气门提前打开（ 点)，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。它分为自由排气损失和强制排气损失。 b p b p 自由排气损失（）：因排气门提前打开，引起膨胀功的减少而产生的热量损失。W 强制排气损失（）：活塞将废气推出所消耗的功。Y 减少排气损失的措施：1）当排气门截面小，发动机转速高时，应加大排气提前角； 2）减小排气系统阻力及排气门处流动损失； 3）排气消声系统的结构和布置形式； 三、进气损失（） 进气过程中，因进气管及进气门对气流形成的阻力而消耗的功，称为进气损失。 X 减少进气损失的措施：1）加大进气门的流通截面积；2）

6、正确设计进气管流道； 3）降低活塞平均速度；4）合理调整配气定时。 第二节四冲程发动机的充量系数 一、充量系数 c 定义：每缸每循环实际吸入气缸的新鲜空气质量与进气状态下理论计算 充满气缸工作容积的空气质量之比。 s a s a c V V m m 显然，反映了实际吸入新鲜空气量的多少，越大，则吸入新鲜空气量越多， 这样，燃烧放出的热量就会增加，从而提高发动机的动力性。 c c 二、影响充量系数的因素 c )( 1 r r a a s sa s a c T p T p p TK m m 充量系数为： （推导过程略） 压缩比； a K 混合气的空气量比例系数； ss pT、 大气压力和温度； s

7、c sc VV VV 进气门迟闭程度； p V 0 p b p r V c V s V s V c r V V 排气门迟闭程度； a p a T r p r T 、分别表示进、排气门关闭时缸内压力和温度； 由上式可见，影响的因素有进气状态（ ）、进气终了气缸压力和温度 （、）、残余废气系数（）、压缩比（）及进排气相位角（、）。 c ss pT、 a p a T 排气门开 下止点 进气门开 1.进气门关闭时缸内压力 a p 显然，越大，说明吸入气缸内的空气量越多，值越大。 a p c 提高缸内压力措施：加大进气门截面面积，可减小进气阻力。 a p 2.进气门关闭时缸内气体温度 a T 显然，值越

8、高，充入气缸的工质密度愈小，充量系数降低。 解决措施：减少高温零件壁面、废气等对新鲜工质的加热。 a T c 3.残余废气系数 显然，越大，气缸中残余废气增多，不仅使新鲜工质减少，且使 燃烧恶化，使充量系数下降。 c 解决措施：1）加大进、排气门叠开角；提高压缩比；可使废气排出更干净； 2）减小排气系统特别是排气门处的阻力； 4.进排气相位角、 显然，进气门迟闭使1，使新鲜充量扫出气缸，从而使降低。 c 解决措施：合理选择排气相位角，使新鲜充量既能利用气流惯性多充入气缸， 又不至于随废气扫出气缸。 5.压缩比 压缩比增加，余隙容积减小，残余废气量减少，因此充量系数有所增加。 c 6.进气状态

9、进气温度和压力一般对充量系数影响不大。 c 第三节提高发动机充量系数的措施 一、降低进气系统的阻力 进气系统组成：空气滤清器、进气管、进气道、进气门。 措施：减少各段通路对气流的阻力可以有效提高充量系数。 c 1.减少进气门处的流动损失 （1）进气马赫数的概念 定义：进气门处气流平均速度与该处声速之比。 m Va a V M m 显然，马赫数反映了气流的流速。进气门处马赫数越大，则气流流速高， 充量系数会降低。如当M=0.5，即气流流速为声速一半时，充量系数 会急剧下降。 c 因此，应尽量减小进气门处的马赫数。 （2）减少进气门处流动损失的措施（即减少进气门处马赫数） 增大进气门直径：可达活塞

10、直径50； 增加进气门数目：可采用三气门、四气门、五气门结构； 增加进气门升程：改进配气凸轮线型，使进气门升程大 且开闭尽可能快； 改进气门头部形状：气门头部与杆身的过渡形状由平面 形顶改为凹面形顶。 2.减少进气道、进气管和空气滤清器的阻力 缸盖内的进气道：气道通路断面有足够面积；各断面避免突变； 进气道内部过渡圆角半径应大，避免急剧转弯； 进气管：保证足够流通截面积；管道表面光洁；避免急转弯及流通 截面突变； 空气滤清器：油浴式滤清器阻力较大，而微孔纸质滤芯阻力较小； 要经常清洗滤清器；设计高效低阻滤清器。 二、减少对进气充量的加热 应尽量减小进气管、进气道、气门、气缸壁和活塞等受热零件

11、对新鲜充量的加热，可采取的措施有： 采取进、排气管两侧分开布置； 可采用工程塑料制成的进气支管，利于隔热。 三、降低排气系统流通阻力 降低排气系统流通阻力，可减少残余废气系数，也可减少泵气功。 可采取的措施有： 将排气道的一部分做成扩压形，可降低缸内与排气管内之间压力差； 提高充量系数； 避免排气管内截面突变、急转弯和凸台； 选择良好的排气支管流形； 尽可能降低消声器的流通阻力。 四、合理选择进、排气相位角 合理选择进、排气相位角，可以获得较好的充气效果，特别是在高转速时， 适当推迟进气门关闭时间，可以利用高速气流的惯性来增加气缸充气量。 采取措施： 利用气门可变正时技术，优化气门正时，可提高

12、充量系数。 进气门关闭时间： 高速时（发动机转速） ，推迟进气门关闭可以充分利用进气充气的惯性来 提高充量系数； 低速时，进气充气惯性增压效应减弱，不再推迟进气门关闭。 排气门关闭时间： 在不损失新鲜空气量前提下，尽可能推迟排气门迟闭角，以减少残余废气。 五、谐振进气与可变进气支管 负压 膨胀波 开口端 压缩波 压缩波 谐振进气： 当反馈的压缩波到达气缸时，进气门正好处于 关闭前夕，则能把较高压力的新鲜空气关闭在 气缸内，从而获得较高的充量系数。 可变进气支管： 可变长度进气支管（书P34图2-6） ：低转速时，转换阀8关闭，气流沿圆弧形 的长通道流动； 高转速时，转换阀8开启，气流直接流入 进气管； 双通道可变进气支管（书P35图2-7）：中、低转速时，旋转阀2开启，气流仅由长 圆弧形一个通道流动；高转速时，阀2关闭，气流由上、下两个通道流动。 2 1、介绍了四冲程发动机的换气过程：自由排气、强制