第四章 内燃机充量更换

1、第四章第四章 内燃机的充量更换内燃机的充量更换引言o 从排气门或排气口开启从排气门或排气口开启(对二冲程内燃机而言对二冲程内燃机而言)至进气门或排气口关闭的整个至进气门或排气口关闭的整个阶段，亦即为四冲程发动机的进排气过程或二冲程发阶段，亦即为四冲程发动机的进排气过程或二冲程发动机的扫气过程。动机的扫气过程。o 是将已燃气体排出并为是将已燃气体排出并为下一循环吸人新鲜充量。下一循环吸人新鲜充量。o ，是是，这，这取取决于与充量更换过程有关的各种附属系统的设计是否决于与充量更换过程有关的各种附属系统的设计是否合理、有效，合理、有效，也与发动机的运行状态有关。也与发动机的运行状态有关。o 采用采用

2、可以提高进气密度，改善换气质量，提高发可以提高进气密度，改善换气质量，提高发动机的升功率。动机的升功率。 图图4-14-1是四冲程内燃机在换气过程中，气缸压力、排气管中是四冲程内燃机在换气过程中，气缸压力、排气管中的压力随曲轴转角的变化情况以及相应的低速示功图的压力随曲轴转角的变化情况以及相应的低速示功图(p-V(p-V图图) )、从图中可以看出，、从图中可以看出，燃气从气缸急速，燃气从气缸急速流人排气管，气缸压力很快下降，直到排气下止点后的流人排气管，气缸压力很快下降，直到排气下止点后的某一位置排气门关闭为止。某一位置排气门关闭为止。，新，新鲜充量流人气缸，直到进气下止点后的某一位置关闭为鲜

3、充量流人气缸，直到进气下止点后的某一位置关闭为止。在排气上止点附近，近、排气门同时开启。四冲程止。在排气上止点附近，近、排气门同时开启。四冲程内燃机的换气过程可分为内燃机的换气过程可分为，本节分别介绍各阶段的特点，并在分，本节分别介绍各阶段的特点，并在分析换气损失的基础上提出提高析换气损失的基础上提出提高的措施。的措施。 排气提前提前开启的必要性分析排气提前提前开启的必要性分析 一、自由排气阶段一、自由排气阶段 由于受配气机构的结构限制，气门在开启过由于受配气机构的结构限制，气门在开启过程中只能逐渐加大其流通截面：如果排气门程中只能逐渐加大其流通截面：如果排气门刚好在膨胀行程下止点时开启，则排

4、气门流刚好在膨胀行程下止点时开启，则排气门流通截面增加过缓，气缸压力下降迟缓，活塞通截面增加过缓，气缸压力下降迟缓，活塞在向上止点回行时将造成较大的反压力，增在向上止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，内燃机的排加排气行程所消耗的功。所以，内燃机的排气门往往都在膨胀行程到达末期前，即活塞气门往往都在膨胀行程到达末期前，即活塞到达下止点前的某一位置提前开启，称为排到达下止点前的某一位置提前开启，称为排气提前：排气提前角为气提前：排气提前角为3080(CA)3080(CA)。一、自由排气阶段一、自由排气阶段 排气门刚打开时，缸内压力远高于排气排气门刚打开时，缸内压力远高于排气

5、管内压力，随着排气过程进行以及排气门管内压力，随着排气过程进行以及排气门流通截面的逐渐增大，排气管内的压力将流通截面的逐渐增大，排气管内的压力将逐渐升高，直至在某一时刻达到或接近缸逐渐升高，直至在某一时刻达到或接近缸内压力：这一阶段由于有正向压力差的存内压力：这一阶段由于有正向压力差的存在，排气可以自发地进行，故把从排气门在，排气可以自发地进行，故把从排气门开启到气缸压力达到排气背压开启到气缸压力达到排气背压( (排气管内排气管内压力压力) )的时期，称为的时期，称为自由排气阶段自由排气阶段。图 在气门开启时间内，流经气门的气体质量与气门前后的状在气门开启时间内，流经气门的气体质量与气门前后的

6、状态关系式为态关系式为 （4-1） 式中，下标式中，下标I I表示上游流动参数表示上游流动参数( (相应地，相应地，II II表示下游的流动表示下游的流动参数参数) )；与与A A分别为气门处的流量系数与流通截面积，可分别为气门处的流量系数与流通截面积，可分别根据试验结果和气门的几何参数确定；分别根据试验结果和气门的几何参数确定；为流函数，为流函数，与上、下游的流动状态有关，其计算式为与上、下游的流动状态有关，其计算式为 （4-2）1161pAnddm 在自由排气阶段的初期，由于排气门刚在自由排气阶段的初期，由于排气门刚刚开启，缸内压力较高，排气管压力与气刚开启，缸内压力较高，排气管压力与气缸

7、压力之比往往小于临界值缸压力之比往往小于临界值 ，流动呈，流动呈现现超临界状态超临界状态，缸内气体以当地声速流过，缸内气体以当地声速流过排气门。此时排气门。此时, ,排气质量流量只取决于缸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面的大小，内气体状态和排气门有效开启截面的大小，与排气管内的气体状态无关。与排气管内的气体状态无关。1)12(kkk 随着排气的进行，排气门流通截面不断随着排气的进行，排气门流通截面不断增大，排气管压力与气缸压力之比超过增大，排气管压力与气缸压力之比超过临界值临界值 之后，气体流动逐渐进入之后，气体流动逐渐进入亚临亚临界状态界状态；直到某一时刻气缸压力与排气；

8、直到某一时刻气缸压力与排气管内的气体压力接近相等，自由排气阶管内的气体压力接近相等，自由排气阶段结束。在该阶段中流出的气体质量，段结束。在该阶段中流出的气体质量，不仅与排气门的有效流通截面有关，还不仅与排气门的有效流通截面有关，还与缸内和排气管内的压力差有关。与缸内和排气管内的压力差有关。o 由此可见，自由排气阶段中排出的废气量与内燃由此可见，自由排气阶段中排出的废气量与内燃机的转速无关，但在高速时，同样的排气时间对机的转速无关，但在高速时，同样的排气时间对应的曲轴转角将大为增加。为使气缸压力及时下应的曲轴转角将大为增加。为使气缸压力及时下降，必须加大排气提前角，否则将使自由排气阶降，必须加大

9、排气提前角，否则将使自由排气阶段段( (以曲轴转角计以曲轴转角计) )延长、排气消耗功增加。所以，延长、排气消耗功增加。所以，随发动机转速的增加应相应增大排气提前角随发动机转速的增加应相应增大排气提前角。o 自由排气阶段虽然占整个排气时间的比例不大，自由排气阶段虽然占整个排气时间的比例不大，但由于排气流速很高，排出的废气量可达但由于排气流速很高，排出的废气量可达60%60%以以上，一般持续到下止点后上，一般持续到下止点后1030(CA)1030(CA)结束。结束。 自由排气阶段结束后，气缸内的废气将被上行活塞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，直到排气门关闭这一过程就是强制推

10、出，直到排气门关闭这一过程就是强制排强制排气阶段气阶段。由于气体在流动过程中要克服排气门、排。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压力，而且气体流速越高，要略高于排气管内的平均压力，而且气体流速越高，压力差也就越大。另一方面，由于气体在排气管内压力差也就越大。另一方面，由于气体在排气管内的压力波动，有可能形成压力逆差，即气缸压力低的压力波动，有可能形成压力逆差，即气缸压力低于排气管内的用力，这种情况往往出现在排气管较于排气管内的用力，这种情况往往出现在排气管较长时强制排气开始的初期。因

11、此，缸内气体的状态长时强制排气开始的初期。因此，缸内气体的状态由活塞的运动速度与位置、气门有效流通截面的变由活塞的运动速度与位置、气门有效流通截面的变化规律以及排气管内的气体状态等共同决定。化规律以及排气管内的气体状态等共同决定。 二、强制排气阶段二、强制排气阶段 随着活塞的上行，排气门流通截面开始逐渐减小，气体流随着活塞的上行，排气门流通截面开始逐渐减小，气体流经气门的节流作用加强，因而在上止点附近，气缸压力再经气门的节流作用加强，因而在上止点附近，气缸压力再次升高，其直接后果是，排气所消耗的功与缸内的残余废次升高，其直接后果是，排气所消耗的功与缸内的残余废气量都增加了，这对于换气与燃烧过程

12、都不利。因此，排气量都增加了，这对于换气与燃烧过程都不利。因此，排气门不允许刚好在活塞到达上止点时关闭，而应当在上止气门不允许刚好在活塞到达上止点时关闭，而应当在上止点后一定角度时关闭，这就是点后一定角度时关闭，这就是。排气迟闭期间，。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，但由于到达上止点后活塞已开始下行，气缸容过后排气，但由于到达上止点后活塞已开始下行，气缸容积不断增加，过大的排气迟闭会导致废气倒流。当废气从积不断增加，过大的排气迟闭会导致废气倒流。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

13、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，时刻，排气迟闭的必要性分析排气迟闭的必要性分析进气提前开启与迟后关闭的必要性分析进气提前开启与迟后关闭的必要性分析三三 进气过程进气过程 从进气门开启到关闭的全过程都是进气过程。为了使得在从进气门开启到关闭的全过程都是进气过程。为了使得在进气过程开始时，进气门有一定的流通截面，以减少进气进气过程开始时，进气门有一定的流通截面，以减少进气过程的阻力，增加进入气缸的新鲜无量，进气门一般也在过程的阻力，增加进入气缸的新鲜无量，进气门一般也在上止点前提前开启，称为上止点前提前开启，称为进气提前进气提前，进气提前角为，进气提前角为1040 (CA)

14、1040 (CA)。 尽管如此，新鲜充量的真正吸入，要等到气缸内残余废气尽管如此，新鲜充量的真正吸入，要等到气缸内残余废气膨胀至低于进气管内压力才开始。刚开始时，由于活塞的膨胀至低于进气管内压力才开始。刚开始时，由于活塞的下行运动造成缸内体积的膨胀，加上进气门开启还不充分，下行运动造成缸内体积的膨胀，加上进气门开启还不充分，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人创造了条件。随着进气门流通截面积的加大，进入气流人创造了条件。随着进气门流通截面积的加大，进入气缸的新鲜充量不断增加，加上已进入气缸的新鲜充量被温缸的新鲜充量不断增加，加

15、上已进入气缸的新鲜充量被温度较高的燃烧室表面和残余废气所加热，气缸压力逐渐升度较高的燃烧室表面和残余废气所加热，气缸压力逐渐升高。到进气终了，一部分充量的动能转变为压力能。高。到进气终了，一部分充量的动能转变为压力能。三三 进气过程进气过程o 另另部分动能由于涡流和湍流而转变为热能，从而加热进部分动能由于涡流和湍流而转变为热能，从而加热进气，于是新鲜充量的温度与压力都有所提高。为了利用在气，于是新鲜充量的温度与压力都有所提高。为了利用在吸气过程中形成的进气管内气流的流动惯性，实现气缸的吸气过程中形成的进气管内气流的流动惯性，实现气缸的过后充气，进气门不在下止点关闭，而是在下止点过后的过后充气，

16、进气门不在下止点关闭，而是在下止点过后的一定角度时延迟关闭，即一定角度时延迟关闭，即进气迟闭进气迟闭。这样有可能使得进。这样有可能使得进气过程终了时，缸内压力等于或略高于进气管压力。进气气过程终了时，缸内压力等于或略高于进气管压力。进气迟闭角一般为迟闭角一般为2060(CA)2060(CA)。高速时气流流动的惯性大，。高速时气流流动的惯性大，进气迟闭角应相应大一些。进气迟闭角应相应大一些。o 尽管利用过后充气可以有效地增加进入气缸的空气量，但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

17、管的现象，也会影响有效压缩比，从而影响压缩终了进气管的现象，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。十分重要的。 （参见下图） 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，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，通常将这一现象称为通常将这一现象称为，相应的角度是气门叠开角，它，相应的角度是气门叠开角，它是排气迟闭角与进气提前角之和。是排气迟闭角与进气提前角之和。 气门叠开将导致：气门叠开将导致： 如果进气管压力大于排气管压力，新鲜充量在正向压力差的作如果进气管压力

18、大于排气管压力，新鲜充量在正向压力差的作用下流入气缸，与缸内残余废气进行混合后，部分可以直接排用下流入气缸，与缸内残余废气进行混合后，部分可以直接排入排气管中。入排气管中。 有利于扫除缸内的残余废气，增加气缸充量，达到扫气有利于扫除缸内的残余废气，增加气缸充量，达到扫气目的；目的； 又可以降低燃烧室内气缸盖、排气门、活塞顶、缸套又可以降低燃烧室内气缸盖、排气门、活塞顶、缸套的温度。尽管带走的热量不多，但对于这些受热严重且冷却困的温度。尽管带走的热量不多，但对于这些受热严重且冷却困难的关键零件，其效果却是显著的。难的关键零件，其效果却是显著的。 四、气门叠开和燃烧室扫气过程四、气门叠开和燃烧室扫

19、气过程配气相位图 对于对于而言，由于它是采用节气门来调节内燃而言，由于它是采用节气门来调节内燃机的功率，进气管内压力总是低于大气压，特别是在小开度机的功率，进气管内压力总是低于大气压，特别是在小开度时更是如此。叠开角过大时高温废气有可能倒流进入进气管时更是如此。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，由于新鲜充量乃至燃料供应系统中，引起进气管回火同时，由于新鲜充量中含有燃料，利用新鲜充量进行扫气将导致燃料的损失以及中含有燃料，利用新鲜充量进行扫气将导致燃料的损失以及未燃碳氢排放物的增加，因此，这类内燃机的气门叠开角一未燃碳氢排放物的增加，因此，这类内燃机

20、的气门叠开角一般都是比较小的。般都是比较小的。 在在中，其进气管内压力始终接近大气压力，因中，其进气管内压力始终接近大气压力，因此可以允许采用较大的气门叠开角，增强扫气效果，以达到此可以允许采用较大的气门叠开角，增强扫气效果，以达到提高内燃机在常用转速范围内充量质量的目的。统计显示，提高内燃机在常用转速范围内充量质量的目的。统计显示，一般非增压柴油机的气门叠开角在一般非增压柴油机的气门叠开角在2050(CA)2050(CA)范围内。范围内。对于对于而言：而言：1 1、增压柴油机进气管内的压力在气门叠开朗内总是高于排、增压柴油机进气管内的压力在气门叠开朗内总是高于排气管内的压力，因此总有一定数量

21、的新鲜无量在正向压气管内的压力，因此总有一定数量的新鲜无量在正向压力差的作用下由进气管通过燃烧室后流入排气管中，以力差的作用下由进气管通过燃烧室后流入排气管中，以达到扫除燃烧室内残余气体的目的。达到扫除燃烧室内残余气体的目的。2 2、增压柴油机的热负荷较非增压柴油机严重，适当的扫气、增压柴油机的热负荷较非增压柴油机严重，适当的扫气冷却既有助于降低受热零件（如排气门）表面的温冷却既有助于降低受热零件（如排气门）表面的温度提高其可靠性，还可以降低增压器涡轮的进口温度。度提高其可靠性，还可以降低增压器涡轮的进口温度。 正因为燃烧室扫气有如此有利的作用，增压柴油机正因为燃烧室扫气有如此有利的作用，增压

22、柴油机都采用比非增压柴油机大的气门叠开角，一般为都采用比非增压柴油机大的气门叠开角，一般为80140(CA)80140(CA)；3 3、对于、对于机械增压柴油机机械增压柴油机，由于进、排气压差大，且过多，由于进、排气压差大，且过多的扫气会加重压气机的负担而使机械效率降低，故其的扫气会加重压气机的负担而使机械效率降低，故其叠开角一般取较小值；叠开角一般取较小值；4 4、对于、对于涡轮增压柴油机涡轮增压柴油机，由于进、排气压差小，叠开角，由于进、排气压差小，叠开角可取较大的值。但是，过大的叠开角可能会排气门与可取较大的值。但是，过大的叠开角可能会排气门与活塞发生相撞，活塞上的气旧让坑相应地要加深，

23、从活塞发生相撞，活塞上的气旧让坑相应地要加深，从而直接影响燃烧空气体运动的合理组织以及压缩比的而直接影响燃烧空气体运动的合理组织以及压缩比的大小。而且，过多的扫气空气也会加重涡轮增压器的大小。而且，过多的扫气空气也会加重涡轮增压器的负担。负担。o 换气损失是实际循环所不可避免的损失，换气损失换气损失是实际循环所不可避免的损失，换气损失定义为理论循环换气功与实际循环换气功之差。定义为理论循环换气功与实际循环换气功之差。o 对于不同类型的发动机而言，换气损失是不同的。对于不同类型的发动机而言，换气损失是不同的。图图4 42 2是四冲程内燃机在非增压与增压条件下的换是四冲程内燃机在非增压与增压条件下

24、的换气损失示意图。气损失示意图。o 在非增压内燃机中，理论循环的换气过程在非增压内燃机中，理论循环的换气过程( (图图4 42a)2a)是排气行程线与进气行程线重合，换气功为零；而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，从排气门开启直到进气门关闭，发在实际循环中，从排气门开启直到进气门关闭，发动机消耗在换气上的功动机消耗在换气上的功( (其值为负其值为负) )如阴影面积所示如阴影面积所示( (图图4 42b)2b)，它代表了有效功在换气过程中的损失。，它代表了有效功在换气过程中的损失。 第二节第二节 四冲程内燃机换气损失四冲程内燃机换气损失o 对于对于增压内燃机增压内燃机而言

25、，理论的换气过程而言，理论的换气过程( (图图4 42c)2c)是经是经过压缩的新鲜充量以增压压力过压缩的新鲜充量以增压压力p pb b等压地流人气缸，而等压地流人气缸，而排气则以排气则以p pT T等压地排出，进气与排气压力值均高于大等压地排出，进气与排气压力值均高于大气压力，且气压力，且p pb bp pT T。这样，换气过程所获得的功。这样，换气过程所获得的功( (其值其值为正为正) )为图中的矩形面积所示；而实际的换气过程中为图中的矩形面积所示；而实际的换气过程中( (图图4 42d)2d)，换气过程所获得的功却是图中的，换气过程所获得的功却是图中的封闭曲线面封闭曲线面积积，小于理论循

26、环值，两者之差就是换气损失，其大，小于理论循环值，两者之差就是换气损失，其大小可由图小可由图4 42d2d中的阴影面积来表示。中的阴影面积来表示。o 由于换气过程主要是由进气过程和排气过程所组成，由于换气过程主要是由进气过程和排气过程所组成，因而其损失也是由进气损失和排气损失两部分组成。因而其损失也是由进气损失和排气损失两部分组成。从排气门提前开启，直到吸气行程开始、气缸内从排气门提前开启，直到吸气行程开始、气缸内压力达到或接近进气管压力之前压力达到或接近进气管压力之前, ,在此阶段所损失的功在此阶段所损失的功称为排气损失。称为排气损失。它又可以分为两部分，即膨胀损失和推出损失，它又可以分为两

27、部分，即膨胀损失和推出损失，在图在图4 42b2b和图和图4 42d2d上分别以面积上分别以面积ww和和x x来表示，前者来表示，前者是有效膨胀功的减少，后者是把排气推出所消耗的功。是有效膨胀功的减少，后者是把排气推出所消耗的功。(1) (1) 随着随着排气提前角排气提前角的增大，膨胀损失增加，而推出损失的增大，膨胀损失增加，而推出损失功减小，这可以从功减小，这可以从图图4 43 3所示的一台增压内燃机的示所示的一台增压内燃机的示例中可以清楚地看出。因此，最有利的排气提前角，例中可以清楚地看出。因此，最有利的排气提前角，应当是使两者损大之和为最小。应当是使两者损大之和为最小。一排气损失一排气损

28、失 除了排气提前角以外，发动机的转速对排气损除了排气提前角以外，发动机的转速对排气损失影响也较大失影响也较大( (图图4 43b)3b)。一般而言，转速增高一般而言，转速增高时，发动机膨胀损失的增加幅度远远小于推出时，发动机膨胀损失的增加幅度远远小于推出损失的增加幅度，而两者之和在总体上呈现增损失的增加幅度，而两者之和在总体上呈现增加的趋势。加的趋势。 降低排气损失的主要方法降低排气损失的主要方法: : 合理确定排气提前角，以有效地减少排气过程合理确定排气提前角，以有效地减少排气过程中的损失。中的损失。o 与排气过程不同的是，进气损失不仅体观在与排气过程不同的是，进气损失不仅体观在，更重要的是

29、体现在进气过程中，更重要的是体现在进气过程中，因为前者对于内燃机的，因为前者对于内燃机的影响不影响不大，而后者对大，而后者对有显著的影响。有显著的影响。o 如图如图4 42b2b和图和图4 42d2d所示，由于进气道、进气门等处存所示，由于进气道、进气门等处存在流动阻力损失，进气压力线位于大气压力线在流动阻力损失，进气压力线位于大气压力线p pT T( (非增压非增压机机) )或增压压力线或增压压力线p p b b( (增压机增压机) )之下，两者之差围成的阴影之下，两者之差围成的阴影部分面积可分别用部分面积可分别用y y表示。将它与排气过程中的损失相比，表示。将它与排气过程中的损失相比，其值

30、明显相对较小其值明显相对较小( (图图4 44)4)。o 合理调整配气定时，加大进气门的流通截面、正确设计进合理调整配气定时，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低活塞平均速度等，都会气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。使进气损失减少。二进气损失二进气损失o 换气损失由进气损失与排气损失所组成，对应图换气损失由进气损失与排气损失所组成，对应图4 42 2中面中面积积、y y与与x x之和。从实际循环示功图的分析中可以发现，之和。从实际循环示功图的分析中可以发现，面积面积以及掺杂在面积以及掺杂在面积x x和和y y中的一小部分中的一小部分u(

31、u(图中以交叉线图中以交叉线表示表示) )所表示的功损失，已经在求取平均有效压力时包括进所表示的功损失，已经在求取平均有效压力时包括进去，故将换气损失中剩余的由面积去，故将换气损失中剩余的由面积x+y-ux+y-u所表示的功损失，所表示的功损失，定义为定义为。o 在在中，泵气损失是由中，泵气损失是由p pV V图中换气过程封闭图中换气过程封闭曲线面积所代表的负功来表示的，如以曲线面积所代表的负功来表示的，如以WWP P表示泵气损失，表示泵气损失，则有：则有： 式中，式中，L pL p为示功图的比例系数。为示功图的比例系数。ppLuyxW)(3泵气功与泵气损失泵气功与泵气损失，由于进气压力高于大

32、气压力，所以，由于进气压力高于大气压力，所以p pV V图下换气过程的封闭面积并非泵气损失，而是有图下换气过程的封闭面积并非泵气损失，而是有用功，它将对内燃机的效率产生正面的影响。增压内用功，它将对内燃机的效率产生正面的影响。增压内燃机的泵气损失越小，则这块面积就越大。因此，泵燃机的泵气损失越小，则这块面积就越大。因此，泵气损失就应当是由增压压力和涡轮排气压力所围成的气损失就应当是由增压压力和涡轮排气压力所围成的矩形面积与实际换气过程所围成的封闭曲线面积之差，矩形面积与实际换气过程所围成的封闭曲线面积之差，共计算式如下共计算式如下o 一般用平均泵气压力一般用平均泵气压力p pb b来表示泵气损

33、失的大小，其定来表示泵气损失的大小，其定义为义为 (4(43)3)psTbpLuyxVppW)()(sppVWpo 一般而言，所有减少换气损失的措施以及以后一般而言，所有减少换气损失的措施以及以后将要讨论到的提高充量系数的途径，对降低泵将要讨论到的提高充量系数的途径，对降低泵气损失都是有利的。另外，气损失都是有利的。另外，一、四冲程内燃机的充量系数一、四冲程内燃机的充量系数第三节第三节 提高内燃机充量系数的措施提高内燃机充量系数的措施 衡量内燃机充气性能的一个重要指标是衡量内燃机充气性能的一个重要指标是，其定义为：，其定义为： 这里所指的这里所指的，是指进人气缸前气，是指进人气缸前气体的热力学

34、状态，如温度与压力等。由于充体的热力学状态，如温度与压力等。由于充量系数对于评价进气系统如此重要首先应量系数对于评价进气系统如此重要首先应导出充量系数的理论分析式，以便用来分析导出充量系数的理论分析式，以便用来分析提高充量系数的各种措施。提高充量系数的各种措施。 记残余废气系数为记残余废气系数为r r，进气终了时的缸内残进气终了时的缸内残余废气质量为余废气质量为r rmm1 1，进气门关闭时（以下，进气门关闭时（以下标标a a表示）缸内气体的总质量为表示）缸内气体的总质量为 根据充量系数的定义，并引入气体状态方程根据充量系数的定义，并引入气体状态方程以及压缩比的定义式可得以及压缩比的定义式可得

35、 式中，下标式中，下标s s表示进气管内的状态。表示进气管内的状态。11)1 (mmmmrrasaasccrsssaaarsharshappTTVpRTRTVpmmmmm11111111 从分析式不难看出，在发动机的结构参数从分析式不难看出，在发动机的结构参数( (如压缩比如压缩比c c) )确定的前提下充量系数的措施可以归结为以下几点：确定的前提下充量系数的措施可以归结为以下几点： 1) 1)降低进气系统的阻力损失，提高气缸内进气终了时的降低进气系统的阻力损失，提高气缸内进气终了时的 2) 2)降低排气系统的阻力损失，以减小缸内的降低排气系统的阻力损失，以减小缸内的 3) 3)减少高温零件在

36、进气系统中对新鲜充量的加热，以降低减少高温零件在进气系统中对新鲜充量的加热，以降低进气终了时的进气终了时的4 4）合理选择配气定时和气门升程规律，在减小）合理选择配气定时和气门升程规律，在减小mmr r的同时，的同时，增加增加mm1 1，减小，减小二、提高充量系数的措施二、提高充量系数的措施 研究表明，在上述影响因素中，研究表明，在上述影响因素中，。换言之，。换言之，降低进气过程的流动阻力损失、降低进气过程的流动阻力损失、提高进气终了压力，是提高充量提高进气终了压力，是提高充量系数最有效的措施，故重点讨论。系数最有效的措施，故重点讨论。提高充量系数的措施提高充量系数的措施o ( (一一) )降

37、低进气系统的流动阻力降低进气系统的流动阻力o ( (二二) )采用可变配气系统技术采用可变配气系统技术o ( (三三) )合理利用进气谐振合理利用进气谐振o ( (四四) )降低排气系统的阻力降低排气系统的阻力o ( (五五) )减小对进气充量的加热减小对进气充量的加热 进气系统的流动阻力，按其性质可分为两类：o 一类是，实际上是管道牵擦阻力，与管长和管内流动面上的表面质量有关；o 另一类是，它是由于流通截面大小、形状以及流动方向变化，在局部产生涡流损失所引起的。( (一一) )降低进气系统的流动阻力降低进气系统的流动阻力o在内燃机进气流动中，由于管道较短，壁在内燃机进气流动中，由于管道较短，

38、壁面比较光滑、其面比较光滑、其；，它由一，它由一系列的局部阻力叠加而成，尤其在进气门系列的局部阻力叠加而成，尤其在进气门座处、空气滤清器和流道转弯处，流动损座处、空气滤清器和流道转弯处，流动损失更为明显，失更为明显， 降低局部阻力损失降低局部阻力损失, ,对降低进气系统的流动对降低进气系统的流动阻力阻力, ,提高充量系数有显著的意义。提高充量系数有显著的意义。降低进气系统的流动降低进气系统的流动阻力阻力的措施的措施1 1降低进气门处的流动损失降低进气门处的流动损失2 2采用可变进气系统技术采用可变进气系统技术o 进气门座处的流通截面，是进气流道中截面最进气门座处的流通截面，是进气流道中截面最小

39、、流速最高的地方，因而该处的局部阻力最小、流速最高的地方，因而该处的局部阻力最大该阻力除了与阻力系数大该阻力除了与阻力系数有关外，还与该有关外，还与该处的流动速度处的流动速度v vs s的平方成正比。即的平方成正比。即o 这样，降低进气门处的流动损失，可以从降低这样，降低进气门处的流动损失，可以从降低气门座处的流速和改善气门座处的流动情况以气门座处的流速和改善气门座处的流动情况以提高流量系数入手解决。提高流量系数入手解决。2sssvpo 过高的气体流速，还会发生气体阻塞现象。考过高的气体流速，还会发生气体阻塞现象。考察气门座处的流动情况，并定义平均进气马赫察气门座处的流动情况，并定义平均进气马

40、赫数数MMa a，并结合流量方程，可得，并结合流量方程，可得 (4(45)5)o 式中，式中，v vs s为进气门座处气流的平均速度；为进气门座处气流的平均速度；c cs s为进为进气门流通截面处的气体声速；气门流通截面处的气体声速；s s为进气门在开为进气门在开启期间的平均流量系数，其求法是：以气门盘启期间的平均流量系数，其求法是：以气门盘面积为参考面积，通过稳流吸风试验测得在面积为参考面积，通过稳流吸风试验测得在不同曲轴转角不同曲轴转角( (即个同升程即个同升程) )下的流量系数，求出下的流量系数，求出其平均值其平均值o即可见，进气平均马赫数即可见，进气平均马赫数MMa a综合了综合了进气

41、门大小、形状、升程规律以及进气门大小、形状、升程规律以及活塞速度等因素，并且其大小与发活塞速度等因素，并且其大小与发动机的转速成正比。研究发现，动机的转速成正比。研究发现，( (图图4 45)5)。这一结论，对于设计和评价气门机这一结论，对于设计和评价气门机构是很有用的。构是很有用的。减小进气门流通截面处流动损失的具体措施 由于进气过程的重要性，一般应尽可能布置较大由于进气过程的重要性，一般应尽可能布置较大尺寸的进气门，以降低流经进气门截面时的气体尺寸的进气门，以降低流经进气门截面时的气体流速，从而降低局部流动阻力流速，从而降低局部流动阻力。在现代高速内燃在现代高速内燃机机2 2气门结构中，进

42、气门直径气门结构中，进气门直径d d与缸径与缸径D D的比值可的比值可达达45%50%45%50%。面积比为。面积比为0.20.250.20.25，这样排气门，这样排气门不得不缩小，但过小的排气门又会导致排气阻力不得不缩小，但过小的排气门又会导致排气阻力的增大。因此，通过加大进气门直径的方式来提的增大。因此，通过加大进气门直径的方式来提高充量系数，是受到限制的。高充量系数，是受到限制的。 增加进气门数，可以取得与加大进气门直径同样的效果，增加进气门数，可以取得与加大进气门直径同样的效果，即增大了进气门的有效流通截面积。高速柴油机以往仅即增大了进气门的有效流通截面积。高速柴油机以往仅在缸径大于在

43、缸径大于120mm120mm时才考虑采用两进时才考虑采用两进（进气门进气门) )、两排、两排( (排气门排气门) )即即4 4气门的可能性；现在对于气门的可能性；现在对于D=8090mmD=8090mm的柴的柴油机，也认为采用油机，也认为采用4 4气门利大于弊。气门利大于弊。o 除了换气损失小、充量系数高以外，喷油器的垂直中冒除了换气损失小、充量系数高以外，喷油器的垂直中冒对混合气形改极为有利。对混合气形改极为有利。o 4 4气门柴油机对具有进气中冷的高增压系统也非常合适气门柴油机对具有进气中冷的高增压系统也非常合适o 对于汽油机来说其效果也是相当好的对于汽油机来说其效果也是相当好的( (表表

44、4 41) 1)。 采用两进、两排的气门结构后，进气门面积之和采用两进、两排的气门结构后，进气门面积之和可以达到气缸面积的可以达到气缸面积的30%30%，几乎比，几乎比2 2气门提高气门提高30%50%30%50%。表。表4 4l l列出了采用双顶置凸轮轴列出了采用双顶置凸轮轴(DOHC(DOHC，Double Overhead Camshaft)4Double Overhead Camshaft)4气门发气门发动机的优、缺点，总的结论是优点大于缺点。动机的优、缺点，总的结论是优点大于缺点。 近年来，几乎所有强化程度高的车用发动机均近年来，几乎所有强化程度高的车用发动机均采用了这一技术，发动机

45、转速可达采用了这一技术，发动机转速可达6000r6000rminmin或更高，平均有效压力达或更高，平均有效压力达1.0MPa1.0MPa以上。最小的以上。最小的4 4气门发动机，其缸径仅为气门发动机，其缸径仅为80mm80mm。 图图4 46 6是一个是一个2L2L排排量的量的4 4气门发动机气门发动机与同排量与同排量2 2气门发气门发动机的性能比较，动机的性能比较，显然，采用顶置凸显然，采用顶置凸轮轴轮轴4 4气门技术气门技术, ,可可以便发动机的功率以便发动机的功率提高约提高约15%30%15%30%，转矩增大约转矩增大约5%10%5%10%。经济。经济性能也得到改善性能也得到改善。u

46、对于对于D D80mm80mm的点燃式内燃机，若采用两进、两排的点燃式内燃机，若采用两进、两排的的4 4气门结构在气缸盖缸中间部位往往难以布置即便是气门结构在气缸盖缸中间部位往往难以布置即便是最小尺寸的火花塞，这时只好适当缩小进气门直径。最小尺寸的火花塞，这时只好适当缩小进气门直径。若采用三进二排的气门结构，既能充分利用气缸外围若采用三进二排的气门结构，既能充分利用气缸外围尺寸，又能利用气缸中心布置火花塞。尺寸，又能利用气缸中心布置火花塞。u 图图4 47 7是采用是采用5 5气门气门( (三个进气门，两个排气门三个进气门，两个排气门) )的发的发动机与动机与4 4气门发动机的比较情况，可见其

47、高速性能进一气门发动机的比较情况，可见其高速性能进一步改善。对于排量较小步改善。对于排量较小(1.5L(1.5L以下以下) )的的4 4缸小型轿车用汽缸小型轿车用汽油机来说，也有采用油机来说，也有采用进、二排的进、二排的3 3气门结构，这样既气门结构，这样既能发挥多气门的优越性，结构又相对简单。能发挥多气门的优越性，结构又相对简单。 从获得最大充量系数的角度出发，比较理想的配气系统从获得最大充量系数的角度出发，比较理想的配气系统应当要满足以下要求：应当要满足以下要求： 1) 1)低速时，采用较小的气门叠开角以及较小的气门升程，低速时，采用较小的气门叠开角以及较小的气门升程，防止出现缸内新鲜无量

48、向进气系统的倒流，以便增加防止出现缸内新鲜无量向进气系统的倒流，以便增加转矩，提高燃油经济性。转矩，提高燃油经济性。 2)2)高速时应具有最大的气门升程和进气门迟闭角，以最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，提高充大限度地减小流动阻力，充分利用过后充气，提高充量系数，以满足动力性要求。量系数，以满足动力性要求。 3 3）配合以上变化，进气门从开启到关闭的进气持续角）配合以上变化，进气门从开启到关闭的进气持续角也进行相应调整，以实现最佳正时，将泵气损失降到也进行相应调整，以实现最佳正时，将泵气损失降到最低。最低。（二）（二）采用可变配气系统技术采

49、用可变配气系统技术 总之，理想的气门定时应当是根据总之，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，发动机的工作情况及时作出调整，应具有应具有 一一定程度的灵活性。显然，定程度的灵活性。显然，对于传统的凸轮挺杆气门机构，由对于传统的凸轮挺杆气门机构，由于在工作中无法作出相应的调控，于在工作中无法作出相应的调控，也就难也就难于于达到达到上上述要求，因而限制述要求，因而限制了发动机性能的进一步提高。了发动机性能的进一步提高。 完全满足上述各项要求的机构是相当复杂的，目前完全满足上述各项要求的机构是相当复杂的，目前还仅仅处于研究阶段如还仅仅处于研究阶段如(GM(GM汽车公司推出的汽车公司推

50、出的以及以及FordFord汽车公司的汽车公司的。由于制造成本和可靠性等原因，若将。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气门要时间。这种全电控的技术应用于实际发动机中气门要时间。 目前较为常见的商品化系统可以分成两大类，即目前较为常见的商品化系统可以分成两大类，即(VCS，Variable Camshaft System)和和(VVT，Variable Valve Timing )。除此除此之外，也有可变气门升程、可变气门作用角等其他之外，也有可变气门升程、可变气门作用角等其他形式，其原理基本相近，只是实现方式不同而已。形式，其原理基本相近，只是实现方式不同而已。

51、o 1 1、可变凸轮机构可变凸轮机构 可变凸轮机构技术一般都是通可变凸轮机构技术一般都是通过两套凸轮或摇臂来实现的，即在高速时采用高过两套凸轮或摇臂来实现的，即在高速时采用高速凸轮，其升程与作用角都较大；而在低速时切速凸轮，其升程与作用角都较大；而在低速时切换到低速凸轮，升程与作用角均较小，如图换到低速凸轮，升程与作用角均较小，如图4 48a8a所示。图所示。图4 48b8b是采用可变凸轮机构后，发动机的是采用可变凸轮机构后，发动机的性能与传统配气机构的性能比较，显然低速转矩性能与传统配气机构的性能比较，显然低速转矩和高速动力性能都得到了改善。和高速动力性能都得到了改善。o (2)(2)可变气

52、门定时可变气门定时 相对于可变凸轮机构，可变气门定时相对于可变凸轮机构，可变气门定时技术的应用较多一些：对于技术的应用较多一些：对于DOHCDOHC系统而言，由于进、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，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。根据实现机构的不向，从而达到改变进气相位的目的。根据实现机构的不向，这种改变又可以分成分级可变与连续可变两类，调节这种改变又可以分成分级可变与连续可变两类，调节范围最高可达范围最高可达60(CA)60

53、(CA)。由于技术上相对成熟，很多高。由于技术上相对成熟，很多高性能的汽油发动机均采用了这一技术。从图性能的汽油发动机均采用了这一技术。从图4 49 9可以可以看出采用看出采用VVTVVT技术可以使得发功机的低速转矩性能得技术可以使得发功机的低速转矩性能得到大幅度的改善。某到大幅度的改善。某3L3L排量的排量的6 6缸车用发动机上运用这缸车用发动机上运用这一技术，油耗最大降低了一技术，油耗最大降低了4.5%4.5%，HCHC及及NONO2 2排放下降排放下降幅度分别达到幅度分别达到10%10%和和4%4%。 在进气过程中，活塞的下行运动可导致进气管内在进气过程中，活塞的下行运动可导致进气管内产

54、生膨胀波，该膨胀波将在进气管的开口端反射，产生膨胀波，该膨胀波将在进气管的开口端反射，然后产生正向压力波向气缸传播：在合适的条件然后产生正向压力波向气缸传播：在合适的条件下下( (如转速、出气管长度等如转速、出气管长度等) )，这个正向压力波可，这个正向压力波可以使得进气过程结束时，进气门处的压力高于正以使得进气过程结束时，进气门处的压力高于正常的运气压力这样发动机就可以多进气，从而常的运气压力这样发动机就可以多进气，从而使充量系数得到提高，即是图中充量系数峰值所使充量系数得到提高，即是图中充量系数峰值所在。在。o 为了追求最佳的充量系数值，可以采用为了追求最佳的充量系数值，可以采用，以充分利

55、用进气谐振的效果，达到高，以充分利用进气谐振的效果，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面的方式系统是通过改变进气管长度或流通截面的方式来实现，如图来实现，如图4 41111所示。在低速时控制阀保持所示。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、副两个气道同时速时控制阀打开，气体从主、副两个气道同时流入气缸中。控制阀关闭时，相当于进气管流流入气缸中。控制阀关闭时，相当于进气管流通截面减小，相应提高了低速充量系数通截面减小，相应提高了

56、低速充量系数( (图图4 411b)11b)。o ( (一一) )降低进气系统的流动阻力降低进气系统的流动阻力o ( (二二) )采用可变配气系统技术采用可变配气系统技术o ( (三三) )合理利用进气谐振合理利用进气谐振o ( (四四) )降低排气系统的阻力降低排气系统的阻力o ( (五五) )减小对进气充量的加热减小对进气充量的加热 排气道排气道排气歧管排气歧管o 降低排气系统阻力，可以使气缸内的残余废气压力下降，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，有利于提高充量系数，这样不仅可以减少残余废气系数，有利于提高充量系数，而且可以减少泵气损失，提高指

57、示效率。而且可以减少泵气损失，提高指示效率。：。o 与进气系统一样，排气流通截面最小处是排气门座处，此与进气系统一样，排气流通截面最小处是排气门座处，此处的流速最高、压降最大，故在设计时应保证气门及其座处的流速最高、压降最大，故在设计时应保证气门及其座面的良好结构。排气道应当是渐扩型，以保证排出气体的面的良好结构。排气道应当是渐扩型，以保证排出气体的充分膨胀，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，使得气缸内的废气压力得以迅速下降，达到提高充量系数和降低泵内的废气压力得以迅速下降，达到提高充量系数和降低泵气损失的目的。气损失的目的。 ( (四四) )降

58、低排气系统的流动阻力降低排气系统的流动阻力o 与进气管一样，排气管也存在与进气管一样，排气管也存在，只不过所希，只不过所希望的调谐效果是使得排气门处压力降低，以利于排气。望的调谐效果是使得排气门处压力降低，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，对于高速二冲程内燃机，这一点尤其的排气管长度，对于高速二冲程内燃机，这一点尤其重要重要（补充排气动态效应管结构下页）（补充排气动态效应管结构下页）。o 良好的歧管流型与结构也有助于降低整个流动阻力，良好的歧管流型与结构也有助于降低整个流动阻力，特别是对于高速多缸发动机，为避免

59、排气压力波的互特别是对于高速多缸发动机，为避免排气压力波的互相干涉，用多枝型排气管或多排气管结构来替代单排相干涉，用多枝型排气管或多排气管结构来替代单排气管，可以获得的低速转矩与充量系数值。气管，可以获得的低速转矩与充量系数值。o 在排气管中往往还有消声器和排气后处理器（催化转在排气管中往往还有消声器和排气后处理器（催化转化器），设计时应该保证足够的消声与降污效果的前化器），设计时应该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。提下，尽可能降低流动阻力。o ( (一一) )降低进气系统的流动阻力降低进气系统的流动阻力o ( (二二) )采用可变配气系统技术采用可变配气系统技术o (

60、(三三) )合理利用进气谐振合理利用进气谐振o ( (四四) )降低排气系统的阻力降低排气系统的阻力o ( (五五) )减小对进气充量的加热减小对进气充量的加热 在进气的过程中，进入气缸的新鲜充量将在进气的过程中，进入气缸的新鲜充量将会被各种高温表面所加热而温度升高。从会被各种高温表面所加热而温度升高。从而导致进气密度下降，充量系数减小，还而导致进气密度下降，充量系数减小，还可能促使发功机整体热负荷提高和不正常可能促使发功机整体热负荷提高和不正常燃烧的发生。进气温升受到各种结构与运燃烧的发生。进气温升受到各种结构与运行参数的影响，如进气管结构、发动机转行参数的影响，如进气管结构、发动机转速、负