第二章发动机的换气过程和增压技术

1、第二章 发动机的换气过程及增压技术换气过程换气过程排气过程排气过程进气过程进气过程 换气过程的任务换气过程的任务 排除废气排除废气充入尽可能多的新鲜工质充入尽可能多的新鲜工质 研究的内容研究的内容换气过程的进行情况换气过程的进行情况 分析影响充气量的各种因素分析影响充气量的各种因素 提高充气量提高充气量 减少换气损失减少换气损失方向与措施方向与措施找出找出 第一节第一节 四行程发动机的换气过程四行程发动机的换气过程 一、四冲程发动机配气相位一、四冲程发动机配气相位 . .各气门开闭时刻各气门开闭时刻进气门提前开进气门提前开排气门滞后关排气门滞后关气门叠开气门叠开排气门提前开排气门提前开进气门滞

2、后关进气门滞后关各气门持续开启各气门持续开启时间是多少？时间是多少？ .气门叠开气门叠开 ：进、排气门同时开启：进、排气门同时开启。 作用：由于进气管、气缸、排气管互相连通，作用：由于进气管、气缸、排气管互相连通，可以利用气流的压力差、气流惯性、进排气管压可以利用气流的压力差、气流惯性、进排气管压力波的帮助，清除残余废气，增加进气量，降低力波的帮助，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。高温零件的温度，但注意不应产生废气倒流现象。 叠开角：进、排气门同时开启时对应的曲叠开角：进、排气门同时开启时对应的曲轴转角。轴转角。 .气门叠开气门叠开 ：进、排气门同时开

3、启：进、排气门同时开启。 非增压发动机一般为非增压发动机一般为2080曲轴转角。曲轴转角。 增压发动机可达增压发动机可达80160的曲轴转角。因其的曲轴转角。因其进气压力高一方面不会发生废气倒流进入进气进气压力高一方面不会发生废气倒流进入进气管的现象，另一方面除可使充气效率更高外，管的现象，另一方面除可使充气效率更高外，新鲜空气可将气缸内的废气扫除干净。虽有一新鲜空气可将气缸内的废气扫除干净。虽有一部分新空气会从排气门排出，但无关紧要，并部分新空气会从排气门排出，但无关紧要，并不消耗燃油。不消耗燃油。 二、换气过程二、换气过程 四行程发动机的换气过程包括从排气门四行程发动机的换气过程包括从排气

4、门开 启 到 进 气 门 关 闭 的 整 个 时 期 ， 约 占开 启 到 进 气 门 关 闭 的 整 个 时 期 ， 约 占410480曲轴转角。曲轴转角。换气过程换气过程自由排气自由排气强制排气强制排气进气进气气门叠开气门叠开 1自由排气阶段自由排气阶段 排气门开启到气缸压力接近了排气管压力的这一时期，称为排气门开启到气缸压力接近了排气管压力的这一时期，称为自由排气阶段自由排气阶段(超临界状态、亚临界状态超临界状态、亚临界状态)。 排气提前角一般为排气提前角一般为3080曲轴转角。曲轴转角。 （1）超临界状态）超临界状态（什么是超临界状态？）（什么是超临界状态？） 排气门开启时，气缸内废气

5、压力较高（排气门开启时，气缸内废气压力较高（0.20.5Mpa），），缸内压力与排气管压力之比缸内压力与排气管压力之比1.9，排气流动处于超临界状态，排气流动处于超临界状态，可利用废气自身的压力自行排出。可利用废气自身的压力自行排出。 在超临界排气时期，排气流速甚高，伴有刺耳的噪声。在超临界排气时期，排气流速甚高，伴有刺耳的噪声。 到某一时刻，缸内与排气管内压力相等，自由排气阶段到某一时刻，缸内与排气管内压力相等，自由排气阶段结束（下止点后结束（下止点后1030）。此阶段排出废气量达）。此阶段排出废气量达60%以上。以上。（2）亚临界状态）亚临界状态 缸内压力与排气管内压力之比下降到缸内压力与

6、排气管内压力之比下降到1.9以下时，排气流以下时，排气流动转入亚临界状态，废气流速降低，产生的噪音较小。动转入亚临界状态，废气流速降低，产生的噪音较小。 2强制排气阶段：活塞上行强制推出废气。强制排气阶段：活塞上行强制推出废气。 缸内平均压力略于排气管平均压力，但还是主要缸内平均压力略于排气管平均压力，但还是主要靠活塞推动，克服排气门、排气道处的阻力。靠活塞推动，克服排气门、排气道处的阻力。 惯性排气：排气迟闭角，一般为惯性排气：排气迟闭角，一般为1035。 正常进气正常进气 ：缸内压力下降，新鲜气体充入气缸。：缸内压力下降，新鲜气体充入气缸。惯性进气惯性进气:进气迟闭角一般为进气迟闭角一般为

7、4070。 准备进气准备进气:进气提前角一般为进气提前角一般为030. 3.进气过程进气过程三、四冲发动机的换气损失三、四冲发动机的换气损失左图左图a)理想状态下的换气理想状态下的换气过程，进气过程是一条水过程，进气过程是一条水平线，排气过程也是水平平线，排气过程也是水平线。线。实际的换气过程则为左实际的换气过程则为左图图b）所示。）所示。1. 排气损失排气损失 排气损失是从排气门提前排气损失是从排气门提前打开，直到进气行程开始，打开，直到进气行程开始，气缸内压力到达大气压力气缸内压力到达大气压力之前，循环功的损失。之前，循环功的损失。（1）自由排气损失（图中）自由排气损失（图中面积面积w红色

8、部分），是由红色部分），是由于排气门提前打开而引起于排气门提前打开而引起的膨胀功的减少。的膨胀功的减少。（2）强制排气损失（图）强制排气损失（图中面积中面积x绿色部分），是绿色部分），是活塞上行强制推出废气所活塞上行强制推出废气所消耗的功。消耗的功。 排气提前角增大，排气提前角增大，自由排气损失面积增自由排气损失面积增加，强制排气损失面加，强制排气损失面积减小，积减小，b曲线曲线 排气提前角减少，排气提前角减少，自由排气损失面积减自由排气损失面积减少，强制排气损失面少，强制排气损失面积增加，积增加，c曲线曲线 最有利的排气提最有利的排气提前角应使面积（前角应使面积（w+x）之和最小，曲线之和最

9、小，曲线a2进气损失进气损失 进气损失：因进气系统进气损失：因进气系统的阻力而引起的功的损失。的阻力而引起的功的损失。图中图中粉红色部分粉红色部分y y。 前述的排气损失为前述的排气损失为w+w+x x； 总损失（总损失（w+x+yw+x+y）称为换）称为换气损失；气损失； 在对实际循环的研究中，在对实际循环的研究中，又将总损失分成两个部分：又将总损失分成两个部分： (x+y-d)+ (w+d)(x+y-d)+ (w+d)。第一部。第一部分称为泵气损失，这部分分称为泵气损失，这部分损失放在机械损失中加以损失放在机械损失中加以考虑。第二部分也可称为考虑。第二部分也可称为热损失，放在热效率中考热损

10、失，放在热效率中考虑。虑。第二节第二节 四行程发动机的充气效率四行程发动机的充气效率 一、充气效率一、充气效率 问题问题1：你张开口鼻，吸上一口气；你戴上口罩再吸上一：你张开口鼻，吸上一口气；你戴上口罩再吸上一口气；你感觉两者有什么区别？口气；你感觉两者有什么区别？问题问题2：下图有三个活塞气缸组，活塞从上止点运动到下：下图有三个活塞气缸组，活塞从上止点运动到下止点，哪一个进的气更多？止点，哪一个进的气更多？第二节第二节 四行程发动机的充气效率四行程发动机的充气效率 0101mmVVv式中式中 1 实际进入气缸的新鲜工质的质量；实际进入气缸的新鲜工质的质量； 0 进气状态下充满工作容积的新鲜工

11、质的质量。进气状态下充满工作容积的新鲜工质的质量。一、充气效率一、充气效率 1、充气效率的定义、充气效率的定义 充气效率是实际进入气缸的新鲜工质的质量与进气状充气效率是实际进入气缸的新鲜工质的质量与进气状下充满气缸工作容积的新鲜工质的质量的比值。下充满气缸工作容积的新鲜工质的质量的比值。用流量计测得发动机实际新鲜充量的流量用流量计测得发动机实际新鲜充量的流量 （m3/h） 2、充气效率的测定、充气效率的测定充气效率也可用实验的方法进行测定充气效率也可用实验的方法进行测定1V通过发动机转速、工作容积等，可计算出理论充量通过发动机转速、工作容积等，可计算出理论充量：hinVV03. 0001VVv

12、充气效率与发动机充气效率与发动机功率有何关系？功率有何关系？ 二、影响充气效率的因素二、影响充气效率的因素)()1(0001rraavTpTppTmm大气压力大气压力大气温度大气温度进气终了缸进气终了缸内气体温度内气体温度进气终了缸进气终了缸内气体压力内气体压力排气行程结束时排气行程结束时残余废气的温度残余废气的温度排气行程结束时排气行程结束时残余废气的压力残余废气的压力 二、影响充气效率的因素二、影响充气效率的因素 进气终了压力越高，则充气效率越高。进气进气终了压力越高，则充气效率越高。进气系统的阻力对进气终了压力具有决定性的影响。系统的阻力对进气终了压力具有决定性的影响。如：如：空气滤清器

13、的阻力、进气管道和进气门阻力空气滤清器的阻力、进气管道和进气门阻力，还有转速对进气阻力也有影响。还有转速对进气阻力也有影响。)()1(0001rraavTpTppTmm进气终了缸进气终了缸内气体压力内气体压力1进气终了的压力进气终了的压力 二、影响充气效率的因素二、影响充气效率的因素2进气终了的温度进气终了的温度)()1(0001rraavTpTppTmm进气终了缸进气终了缸内气体温度内气体温度进气终了的温度越高，则气体密度越小。进气终了的温度越高，则气体密度越小。 二、影响充气效率的因素二、影响充气效率的因素2进气终了的温度进气终了的温度影响进气终了温度的因素：影响进气终了温度的因素：发动机

14、转速发动机转速 当负荷不变而转速增加时，因循当负荷不变而转速增加时，因循环重复次数多而使气缸壁面温度稍有升高，但由环重复次数多而使气缸壁面温度稍有升高，但由于空气与壁面接触时间减少，使壁面传至空气的于空气与壁面接触时间减少，使壁面传至空气的热量减少。后者的影响一般比前者大，故温升量热量减少。后者的影响一般比前者大，故温升量随转速的随转速的升高而下降升高而下降。发动机负荷发动机负荷 当转速不变而增加发动机负荷时，当转速不变而增加发动机负荷时，燃烧放热量增大，缸壁温度升高，使吸气过程中燃烧放热量增大，缸壁温度升高，使吸气过程中温升增高。温升增高。 二、影响充气效率的因素二、影响充气效率的因素2进气

15、终了的温度进气终了的温度影响进气终了温度的因素：影响进气终了温度的因素：缸壁冷却强度缸壁冷却强度 冷却强度愈小，缸壁温度越高，冷却强度愈小，缸壁温度越高，则相应的温升越大。则相应的温升越大。进气温度进气温度 进气温度高，则进气的温升少了，进气温度高，则进气的温升少了，但由于基础温度高，所以进气终了的温度还是要但由于基础温度高，所以进气终了的温度还是要提高。提高。 二、影响充气效率的因素二、影响充气效率的因素3残余废气压力和温度残余废气压力和温度 残余废气压力越高，则进气阻力越大，进气残余废气压力越高，则进气阻力越大，进气量越少；残余废气的温度越高，对新气体的加热量越少；残余废气的温度越高，对新

16、气体的加热越明显，进气密度将减小。越明显，进气密度将减小。)()1(0001rraavTpTppTmm排气行程结束时排气行程结束时残余废气的温度残余废气的温度排气行程结束时排气行程结束时残余废气的压力残余废气的压力 二、影响充气效率的因素二、影响充气效率的因素4压缩比压缩比压缩比增大，则气缸余隙容积减小，对于非增压压缩比增大，则气缸余隙容积减小，对于非增压发动机，气缸内残余废气量相对减少，充气效率发动机，气缸内残余废气量相对减少，充气效率有所增加。有所增加。)()1(0001rraavTpTppTmm压缩比压缩比 二、影响充气效率的因素二、影响充气效率的因素5配气相位配气相位 配气相位的影响主

17、要是进排气角的影响。这配气相位的影响主要是进排气角的影响。这个影响是较为显著的。个影响是较为显著的。 三、三、 提高充气效率的措施提高充气效率的措施 根据对充气效率的影响因素分析，得出提高充根据对充气效率的影响因素分析，得出提高充效率的措施。效率的措施。1、减少进气系统的流动损失、减少进气系统的流动损失1）减少进气门处的流动损失）减少进气门处的流动损失（1）增大进气门直径）增大进气门直径（2）增加进气门数目）增加进气门数目（3）增大气门升程，延长进气门的开启时间）增大气门升程，延长进气门的开启时间（4）改善气门的结构，减少气流运动阻力）改善气门的结构，减少气流运动阻力 三、三、 提高充气效率的

18、措施提高充气效率的措施 1、减少进气系统的流动损失、减少进气系统的流动损失2）减小进气管道的流动阻力）减小进气管道的流动阻力（1）保证足够的流通面积，避免转弯及截面突）保证足够的流通面积，避免转弯及截面突变，改善表面的光洁程度。变，改善表面的光洁程度。（2）保证空气滤清器的清洁）保证空气滤清器的清洁 三、三、 提高充气效率的措施提高充气效率的措施 2、减少对新鲜充量的热传导、减少对新鲜充量的热传导3、减小排气系统对气流的阻力、减小排气系统对气流的阻力1）减少排气门处的阻力）减少排气门处的阻力2）减小排气道和排气管阻力）减小排气道和排气管阻力 三、三、 提高充气效率的措施提高充气效率的措施 4、

19、合理选择配气相位（配气正时）、合理选择配气相位（配气正时） 在配气定时各参数中，进气门迟闭角在配气定时各参数中，进气门迟闭角的改变，对充的改变，对充气效率气效率v v影响最大，其次是排气提前角影响最大，其次是排气提前角。 排气提前角会影响排气损失的大小，在前面已经讲过。排气提前角会影响排气损失的大小，在前面已经讲过。在此重点讲解进气门迟闭角在此重点讲解进气门迟闭角。 v v在某一转速下达到最在某一转速下达到最高值，此转速下能最好地利高值，此转速下能最好地利用气流的惯性充气。用气流的惯性充气。 随着转速的提高，进气随着转速的提高，进气迟闭角增大，可获得更高的迟闭角增大，可获得更高的v v。 如果

20、能按照转速的变化改变提前或滞后角，如果能按照转速的变化改变提前或滞后角，则充气效果则会更佳，这就是所谓的可变配气则充气效果则会更佳，这就是所谓的可变配气相位。相位。 i-VCT是指可变进气凸轮正时系统，可使是指可变进气凸轮正时系统，可使用发动机在用发动机在2000rpm至至5000rpm的转速区间输的转速区间输出出90%以上的扭矩，保证了发动机性能连续性。以上的扭矩，保证了发动机性能连续性。VVT（Variable Valve Timing）是可变气门正）是可变气门正时系统。该系统通过配备的控制及执行系统，时系统。该系统通过配备的控制及执行系统，对发动机凸轮的相位进行调节，从而使得气门对发动机

21、凸轮的相位进行调节，从而使得气门开启、关闭的时间随发动机转速的变化而变化，开启、关闭的时间随发动机转速的变化而变化，以提高充气效率，增加发动机功率。以提高充气效率，增加发动机功率。i-VETC：它与：它与VTEC系统相比较是在系统相比较是在VTEC系系统上增加了统上增加了VTC机构，机构，i-VTEC=VTEC+VTC。具备了气门相位升程无级变化，动力输出效率具备了气门相位升程无级变化，动力输出效率高，低速扭矩大等特点高，低速扭矩大等特点 VVTi是可变配气正时系统，偏重低转速是可变配气正时系统，偏重低转速时的特性，但实际低转速高挡行车更有扭力不时的特性，但实际低转速高挡行车更有扭力不足的感觉

22、。这是因为足的感觉。这是因为VVTi的运作并不能覆盖的运作并不能覆盖低转速的范围，只能靠挡位的配合。而丰田的低转速的范围，只能靠挡位的配合。而丰田的排挡太注重行驶的平顺，也就导致了整合车的排挡太注重行驶的平顺，也就导致了整合车的行驶并没有任何激情可言。但起步加速阶段的行驶并没有任何激情可言。但起步加速阶段的冲力不错，这也是特意调校用来满足城市驾驶冲力不错，这也是特意调校用来满足城市驾驶的特点。的特点。第三节第三节 发动机的增压发动机的增压 1、提高发动机功率的途径：、提高发动机功率的途径：31030inVpPhee一、概述一、概述(1)(1)改变结构参数。增加改变结构参数。增加i i、V Vh

23、 h(D(D、S)S)，但体积和重量增，但体积和重量增加；减少加；减少，热效率下降，排气污染上升。，热效率下降，排气污染上升。(2)(2)提高转速。但充气效率和机械效率减少，机件寿命提高转速。但充气效率和机械效率减少，机件寿命减少，噪音大。减少，噪音大。(3)(3)提高平均有效压力提高平均有效压力p pe e。方法：。方法： 减少过量系数减少过量系数 提高充气效率提高充气效率 增加充气密度（增压）增加充气密度（增压） 2、增压的概念、增压的概念 为提高平均有效压力而增加气缸内封存气体为提高平均有效压力而增加气缸内封存气体密度的方法。密度的方法。 广义上，凡是能够将内燃机进气密度提高到广义上，凡

24、是能够将内燃机进气密度提高到高于周围环境密度的一切方法，都称为增压。高于周围环境密度的一切方法，都称为增压。 3、目的、目的 通过增加充气量，以提高功率，改善经济性通过增加充气量，以提高功率，改善经济性和排放性。和排放性。4、增压的衡量指标、增压的衡量指标1）增压度）增压度k：发动机在增压后增长的功率与增压前：发动机在增压后增长的功率与增压前功率之比。功率之比。k为范围为范围10%60%。大部分为。大部分为20%30%。发动机排量1.41.61.8非增压63KW/5000(POLO)77KW/5250(POLO)108KW/6200(英朗)增压96KW/5000(速腾)135KW/5800(英

25、朗)120KW/5700(领驭)4、增压的衡量指标、增压的衡量指标2）增压比）增压比 k：进入气缸的气体压力与大气压力之比：进入气缸的气体压力与大气压力之比增压的范围增压的范围: 低增压：低增压： k 1.31.6（内燃机平均有效压力（内燃机平均有效压力pe0.71.0MPa） 中增压：中增压： k 1.62.5（内燃机平均有效压力（内燃机平均有效压力pe1.01.5MPa） 高增压：高增压： k 2.5 （pe 1.5MPa）；）； 超高增压：超高增压： k 3.5（pe2.0MPa）。）。5、内燃机增压的优缺点、内燃机增压的优缺点 改善了发动机性能：改善了发动机性能： 提高了内燃机机械效率

26、；提高了内燃机机械效率； 提高了内燃机的指示热效率；提高了内燃机的指示热效率； 改善了燃烧过程。改善了燃烧过程。 增加了发动机的比功率；增加了发动机的比功率； 扩大了内燃机高原适应性：扩大了内燃机高原适应性： 有利于降低噪声和有害气体排放。有利于降低噪声和有害气体排放。 增加了柴油机的增加了柴油机的机械负荷；机械负荷； 增加了柴油机的增加了柴油机的热负荷。热负荷。优点：优点：缺点：缺点： 按照实现增压所提供的能量可分：按照实现增压所提供的能量可分： 机械增压；机械增压； 废气涡轮增压；废气涡轮增压； 气波增压；气波增压； 谐波增压（汽油机）谐波增压（汽油机） 复合增压复合增压6、发动机增压的类

27、型、发动机增压的类型6、发动机增压的类型、发动机增压的类型）机械增压）机械增压 由曲轴经过齿轮由曲轴经过齿轮增速箱驱动压气增速箱驱动压气机。机。 机械增压压力高，机械增压压力高，压气机消耗的功压气机消耗的功率大。为使内燃率大。为使内燃机机械效率不要机机械效率不要过分下降，增压过分下降，增压压力压力P Pk k不能过高。不能过高。 P Pk k 160-170KPa 160-170KPa 主要用途：提高主要用途：提高发动机低速扭矩发动机低速扭矩）废气涡轮增压）废气涡轮增压 废气涡轮增压利用内燃废气涡轮增压利用内燃机排气中能量来实现增机排气中能量来实现增压，比机械增压经济性压，比机械增压经济性好，

28、比非增压自然吸气好，比非增压自然吸气式内燃机燃油好率可低式内燃机燃油好率可低5%5%10%10%。 质量功率和体积功率比质量功率和体积功率比非自然吸气内燃机明显非自然吸气内燃机明显改善，因而在内燃机上改善，因而在内燃机上得到广泛应用。得到广泛应用。6、发动机增压的类型、发动机增压的类型）气波增压）气波增压 气波增压是通过气波增压器气波增压是通过气波增压器利用气体质点和压力波的反利用气体质点和压力波的反射特性，使排气和进气之间射特性，使排气和进气之间进行直接的能量交换，以增进行直接的能量交换，以增大进气密度。大进气密度。 气波增压对内燃机工况反映气波增压对内燃机工况反映迅速，使气波增压的加速性迅