汽车发动机原理 第二章 发动机换气过程

1、第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程Process in Engine Exchanging Gas 第一节第一节 四冲程发动机的换气过程四冲程发动机的换气过程第二节第二节 四冲程发动机的充量系数四冲程发动机的充量系数第三节第三节 提高发动机充量系数的措施提高发动机充量系数的措施 作业及复习题作业及复习题下止点上止点第一节第一节 四冲程发动机的换气过程四冲程发动机的换气过程一、一、换气过程换气过程： 四冲程发动机的换气过程包括四冲程发动机的换气过程包括从排气门从排气门开启到进气门关闭开启到进气门关闭的整个时期。约占的整个时期。约占410 480曲轴转角。曲轴转角。p25 换气过程可分

2、作换气过程可分作自由排气自由排气、强制排气、强制排气、进气进气和和燃烧室扫气燃烧室扫气四个阶段。四个阶段。1、自由排气阶段、自由排气阶段 从排气门开启到气缸压力接近于排气管内压力的从排气门开启到气缸压力接近于排气管内压力的时期，称为时期，称为。 排气提前角排气提前角：从排气门开启到活塞行至下止点：从排气门开启到活塞行至下止点所对应的曲轴转角，一般为所对应的曲轴转角，一般为3080曲轴转角。曲轴转角。2 2、强制排气阶段、强制排气阶段 自由排气阶段结束后，气缸内的废气将被上自由排气阶段结束后，气缸内的废气将被上行活塞强制推出，这一过程就是行活塞强制推出，这一过程就是。 排气迟闭角排气迟闭角：从上

3、：从上止点止点到排气门完全关闭终了所到排气门完全关闭终了所对应的曲轴转角，一般为对应的曲轴转角，一般为1035曲轴转角。曲轴转角。3 3、进气过程、进气过程从进气门开启到关闭的全过程从进气门开启到关闭的全过程准备进气准备进气：进气提前角一般为进气提前角一般为004040。正常进气正常进气 ：新鲜气体充入气缸。：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40407070。4 4、气门重叠和燃烧室扫气过程、气门重叠和燃烧室扫气过程 在排气行程上止点附近出现进、排气门同时开启在排气行程上止点附近出现进、排气门同时开启的特殊现象，称为的特殊现象，称为，相应的角度是气门重，相应

4、的角度是气门重叠角，它是排气迟闭角与叠角，它是排气迟闭角与 进气提前角之和。进气提前角之和。气门重叠角的选择以新鲜气门重叠角的选择以新鲜充量不流入排气管为原则充量不流入排气管为原则。 增压柴油机增压柴油机的气门重叠角的气门重叠角一般为一般为80160； 非增压柴油机非增压柴油机的气门叠开的气门叠开角在角在2060范围内。范围内。二、排气损失二、排气损失从排气门提前开启，直到进气行程开始、缸内压力到达大气压力之前, 所损失的循环功。 a.自由排气损失自由排气损失W：由于排气门提前打开而引起的膨胀功的减少。 b.强制排气损失强制排气损失Y：活塞上行强制推出废气所消耗的功。 三、进气损失三、进气损失

5、X 进气损失进气损失主要是指进气过程中，因进气系统的阻力面引起的功的损失，与排气损失相比进气损失较小小。合理调整配气定时，加大进气门的流通截面、合理调整配气定时，加大进气门的流通截面、正确设计进气管及进气道的流动路径以及降正确设计进气管及进气道的流动路径以及降低活塞平均速度等低活塞平均速度等，都会使进气损失减少。，都会使进气损失减少。 排气损失与进气损排气损失与进气损失之和称为失之和称为换气损换气损失失 (W十十Y十十X) 。 泵气损失泵气损失（X+Y-uX+Y-u）：）：在实际循环示功图在实际循环示功图中把面积中把面积(x+y- u u)相相当的负功称为泵气当的负功称为泵气损失。这部分损失损

6、失。这部分损失放在放在机械损失机械损失中加中加以考虑。以考虑。第二节第二节 四冲程发动机的充量系数四冲程发动机的充量系数 换气的目的是尽量排净废气，最大限度充入新气，以完善燃烧，提高效率。 评价发动机的换气质量，可用充量系充量系数数(充量效率、容积效率充量效率、容积效率) 、残余废气系数来衡量。一、一、充量系数充量系数c 定义定义：内燃机每缸每循环实际进入气缸的新内燃机每缸每循环实际进入气缸的新鲜空气质量与进气状态下理论计算充满气缸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比值。工作容积的空气质量比值。进气状态：进气状态：指指空气滤清器后进气管内的气体空气滤清器后进气管内的气体状

7、态状态，即，即进人气缸前气体的热力学状态，如进人气缸前气体的热力学状态，如温度与压力等。温度与压力等。 非增压：通常取为非增压：通常取为当地的大气状态当地的大气状态。 增增 压：增压器压：增压器出口状态出口状态。式中： ma 实际进入气缸的新鲜空气质量V1 实际进入气缸的新鲜空气在进气状态 下的体积ms 进气状态下理论计算充满气缸工作容 积的空气质量Vs 气缸工作容积ssacVVmm11充量系数充量系数一般非增压发动机在全负荷时的一般非增压发动机在全负荷时的c c汽油机汽油机顶置气门：顶置气门：0.750.85侧置气门：侧置气门：0.700.80柴油机柴油机0.750.90二、影响充气效率的因

8、素二、影响充气效率的因素:1进气终了时缸内压力进气终了时缸内压力Pa Pa对对c c有重要影响，有重要影响，Pa愈高，愈高，c c值愈大值愈大 Pa=PsPa式中，pa为气体流动时，克服进气系统阻力 而引起的压降(kPa)。一般可写成 式中 管道阻力系数； 进气状态下气体的密度； V管道内气体的流速（m/s）。22vpa 可见，pa主要取决于各段管道的阻力系数和气体流速。若 大、 V高时，pa增加，使pa下降。管道阻力系数、转速和负荷对进气压力的管道阻力系数、转速和负荷对进气压力的影响影响1）管道阻力系数）管道阻力系数管道阻力大，管道阻力系数大，管道阻力大，管道阻力系数大， pa大，大，Pa降

9、低。降低。2）管道内气体的流速）管道内气体的流速 负荷减小，发动机转速高，气体流速增负荷减小，发动机转速高，气体流速增加，加， pa大，引起大，引起Pa下降。下降。 2进气终了的温度进气终了的温度Ta Ta高于进气状态温度， Ta越高，充入气缸的工质密度越小，c值愈低。引起引起Ta升高的原因升高的原因是: 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。转速和负荷对转速和负荷对Ta的影响的影响 1）转速：当负荷不变而转速增加时，由于新鲜工质与缸壁等接触时间短，传热量少，所以Ta稍有下降。 2）负荷：当转速不变而增加发动机负荷时，缸壁等零件温度升高，Ta

10、有所上升。措施措施： 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， 降低Ta。3.残余废气系数残余废气系数 1） 增加，增加， c c降低降低，燃烧恶化，油耗、排放增加， 2）压缩比提高，残余废气系数减小。 3）排气压力高，废气多，充气效率降低。 4）排气系统阻力大，排气压力高，废气多。4进排气相位角进排气相位角 由于进气门迟闭而 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 压缩比增加,压缩容积减小,残余废气量随之减小,因而c c有所增加。6. 进气状态进气状态进气温度升高，进气压力下降

11、均会使进入气缸充量的密度减小，绝对进气量减少，但c是在同一进气状态下的相对值，对充量系数影响不大。 提高充量系数措施提高充量系数措施降低进气系统的阻力降低进气系统的阻力降低排气系统流通阻力降低排气系统流通阻力减少对进气充量的加热减少对进气充量的加热合理选择进、排气相位角合理选择进、排气相位角谐振进气与可变进气支管谐振进气与可变进气支管第三节第三节 提高发动机充量系数的措施提高发动机充量系数的措施一一、降低进气系统的流动阻力降低进气系统的流动阻力 1降低进气门处的流动损失降低进气门处的流动损失进气马赫数：进气门处气流平均速度进气马赫数：进气门处气流平均速度与该处声速之比与该处声速之比mVmVM

12、进气马赫数反映气体流动对充量系数进气马赫数反映气体流动对充量系数的影响。的影响。 当当M超过一定数值时，大约在超过一定数值时，大约在0.5左右，左右，充量系数充量系数急剧下降。急剧下降。 改善改善气门处气门处流体流体动力性能动力性能减少进气道的阻力：减少进气道的阻力：气道通路断面应有足够的面积，各断面要避免突变。气道通路断面应有足够的面积，各断面要避免突变。进气道内部过渡圆角半径应大一些，避免急剧转弯等。进气道内部过渡圆角半径应大一些，避免急剧转弯等。 减少进气管的阻力：减少进气管的阻力：进气管必须保证足够的流通截面积，管道表面光洁，进气管必须保证足够的流通截面积，管道表面光洁，避免急转弯及流

13、通截面突变，以减少阻力。为保证各气缸避免急转弯及流通截面突变，以减少阻力。为保证各气缸进气均匀，各缸进气管独立，长度尽可能一致。进气管的进气均匀，各缸进气管独立，长度尽可能一致。进气管的整体走势和内壁断面形状要满足使新鲜充量在气缸中形成整体走势和内壁断面形状要满足使新鲜充量在气缸中形成涡流的要求涡流的要求(汽油机和柴油机汽油机和柴油机)。减少空气滤清器的阻力：减少空气滤清器的阻力：加大通过断面，改进滤清性能，创制低阻高效滤清器加大通过断面，改进滤清性能，创制低阻高效滤清器等。在使用中要经常清洗滤清器，特别要避免纸芯的油污等。在使用中要经常清洗滤清器，特别要避免纸芯的油污堵塞，及时更换滤芯等。堵

14、塞，及时更换滤芯等。减少进气道、进气管和空气滤清器的阻力减少进气道、进气管和空气滤清器的阻力二二、减少对进气充量的加热减少对进气充量的加热新鲜充量在吸入过程中，受到进气管、新鲜充量在吸入过程中，受到进气管、进气道、气门、气缸壁和活塞等一系列受进气道、气门、气缸壁和活塞等一系列受热零件的加热，引起温升。热零件的加热，引起温升。进排气管两侧分开布置，可以避免或进排气管两侧分开布置，可以避免或减少高温排气管对进气的加热，有利提高减少高温排气管对进气的加热，有利提高充量系数。充量系数。 三三、降低排气系统的流通阻力降低排气系统的流通阻力降低排气系统流通阻力，使气缸内废气降低排气系统流通阻力，使气缸内废

15、气压力下降，减少泵气功。压力下降，减少泵气功。 将排气道的一部分做成扩压形，降低了将排气道的一部分做成扩压形，降低了气缸内与排气管内的压力差，降低了气缸内气缸内与排气管内的压力差，降低了气缸内废气压力，降低泵气功。废气压力，降低泵气功。 选择良好的排气支管的流型，避免排气选择良好的排气支管的流型，避免排气道内截面突变、急转弯和凸台，有助于降低道内截面突变、急转弯和凸台，有助于降低整个流通阻力。整个流通阻力。 在满足必要的消声效果要求下，降低消在满足必要的消声效果要求下，降低消声器的流通阻力。声器的流通阻力。 四四、合理选择进排气相位角合理选择进排气相位角 转速一定，存在相应的最佳进气门迟闭转速一定，存在相应的最佳进气门迟闭角度。角度。 利用气门可变正时技术，在全部转速范利用气门可变正时技术，在全部转速范围内提高充量系数。围内提高充量系数。具体措施：具体措施： 、。 、(VCS，Variable Camshaft System) 、(VVT，Variable Valve Timing )。五五、谐振进气与可变进气支管谐振进气与可变进气支管 谐振进气和可变进气支管，都是利用进谐振进气和可变进气支管，都是利用进气管的动态效应来提高