发动机原理第二章发动机换气过程

1、1第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程发动机原理发动机原理发动机换气过程2第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程 n发动机换气过程包括排气过程和进气过程，其任务是排除缸内废气并充入尽可任务是排除缸内废气并充入尽可能多的新鲜充量能多的新鲜充量n每循环进入气缸的新鲜充量愈多，燃烧后才能放出更多的热，从而增大发动机功率和转矩，这是保证发动机动力性能的前提和关键发动机原理发动机原理发动机换气过程3n1kg汽油-14.7kg空气n1kg柴油-14.5kg空气n1L汽油-10000L空气n燃料所占容积很小，且为强制进入，由喷油器多供燃料容易，而更多地充入空气则相对较难，若能多进空气，则可

2、多供燃料，从而进入气缸的新鲜工质量愈多n对解决高、低速性能的矛盾，汽油机混合气组成和均匀分配，柴油机缸内气体流动等问题，起着重要作用，因此也影响到汽车的经济性、排放、噪声及乘坐的舒适性等发动机原理发动机原理发动机换气过程4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 n一、 换气过程n四行程发动机换气过程包括从排气门开启直到进气门关闭的整个时期，约占410480曲轴转角(CA)。一般将换气过程分作自由排气、强制排气、进气和燃烧室扫气四个阶段 发动机原理发动机原理发动机换气过程5发动机原理发动机原理发动机换气过程61. 自由排气阶段（超临界与亚临界状态） n从排气门打开到气缸压力接

3、近了排气管压力的这个时期称为自由排气阶段 n排气门是在活塞到达下止点之前开启，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3080CA。此时缸内废气压力约为0.20.5MPa，缸内压力与排气管压力之比往往大于临界值 1.9，排气的流动处于超临界状态，废气以当地声速c流过排气门开启截面， ，当排气温度为 700-1100K时，声速可达500-700msn排气提前角的选择：不要使自由排气阶段拖得过长，否则会增加强制排气活塞推出功，使排气损失增加。因此，对于高速机，应加大排气提前角。RTC发动机原理发动机原理发动机换气过程7n在超临界排气时期，废气流量与排气管内压力无关，只决定于气缸

4、内气体的状态和气门有效开启面积n随废气的大量流出，缸内压力迅速下降，排气流动转入亚临界状态，此时废气流量决定于气缸内和排气管内的压力差。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n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n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 发动机原理发动机原理发动机换气过程8n2. 强制排气阶段n此阶段废气是由活塞上行强制推出。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。

5、 n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。n为何需要排气迟闭角：n否则，产生较大的节流作用，致使缸内压力上升，结果排气消耗的功和残余废气量增加；n利用惯性继续排气发动机原理发动机原理发动机换气过程9n3. 进气过程 进气提前角：进气门一般在上止点前040CA开始打开，以保证活塞在下行时有足够大的开启面积，新鲜工质可以顺利流入气缸。进气迟闭角：进气门一般在下止点后4070CA才关闭，利用高速气流的惯性，在下止点后继续充气，以增加进气量。由图中压力线看到，在进气行程初期，由于气门开启面积小，节

6、流很大，活塞又向下运动，因此缸内产生很大的负压，新鲜工质流入气缸，同时在进气管内引起负压力波，在管内往复传播与反射。 发动机原理发动机原理发动机换气过程10n4气门叠开 n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n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，但注竟不应产生废气倒流现象。在非增压发动机中，叠开角一般为2080曲轴转角n将进、排气门开、关角度以及相对上、下止点的位置画出，称为配气定时图。 发动机原理发动机原理发动机换气过程11发动机原理发动机原理发动机换气过

7、程12 n二、换气损失 n换气损失是由排气损失和进气损失两部分组成，如下图所示（W+X+Y)发动机原理发动机原理发动机换气过程13n1. 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 ，包括W+Yn自由排气损失（W） ：因排气门提前打开，排气压力线从b点开始偏离理想循环膨胀线，引起膨胀功的减少 n强制排气损失（Y）：活塞将废气推出所消耗功n随着排气提前角的增大，W增加，Y减小，最有利的排气提前角应使面积（WY）之和为最小n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。排气背压每升高 3.39kPa（25.4mmHg），非增压柴油机耗油率平均

8、增加1发动机原理发动机原理发动机换气过程14发动机原理发动机原理发动机换气过程15n2. 进气损失（X） ：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，损失的功相当于X所表示的面积，称为进气损失n泵气损失：（X+Y）n换气损失：（X+Y+w)发动机原理发动机原理发动机换气过程16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 n一、充气效率v的定义n式中 m1、V1-实际进入气缸的新鲜工质的质量、体积（进气状态） nms、Vs-进气状态下理论计算充满工作容积的新鲜工质的质量、气缸工作容积 n柴油机： v=0.75-0.9n汽油机： v=0.7-0.85ssvVVmm11发

9、动机原理发动机原理发动机换气过程17 n二、影响因素（首先推导公式）n排气门关闭时缸内残余废气量：mr=Vrr n进气门关闭时缸内总量：ma=(VC+VS)a n因为m1=v ms = v Vssn同时m1= ma- mr= (VC+VS)a- Vrr n所以v = （(VC+VS)a- Vrr ）/ Vssn考虑进气门迟闭角的影响：n考虑排气门迟闭角的影响：n压缩比：=VaVc=(Vs+Vc)Vc=1+Vs/Vcn残余废气系数：SCSCVVVVCrVVrarrcaarcrrascrrssvrVVVVVVVVm) (发动机原理发动机原理发动机换气过程18 n经过整理：n影响v的因素有n进气（或

10、大气的状态（ps、Ts）n进气终了时气体压力（pa）n进气终了的气体温度（Ta）n残余废气系数（）n压缩比（）n气门正时（）111aassvTppT发动机原理发动机原理发动机换气过程19 nl. 进气终了的压力pa n影响最大，pa愈高，v值愈大 npa=ps-pa npa为气体流动时，克服进气系统阻力而引起的压降 npa主要取决于各段管道的阻力系数和气体流速。若大、高时，pa增加，使pa下降 ， v下降22vpa111aassvTppT发动机原理发动机原理发动机换气过程20n发动机速度特性：例如驾驶员总维持加速踏板不动，而汽车下坡则此时车速增加发动机转速n增加，气流流速v随之加大，进气终了的

11、压力 pa迅速下降n发动机负荷特性：例如驾驶员总想维持车速不变（同一档位下），而汽车下坡则负荷减小加速踏板减小n在柴油机上，调节负荷是通过改变喷入气缸的燃料量而进入气缸的空气量基本不变，在进气系统一般不设调节负荷的节流装置，故流动阻力基本不变，进气终了的压力随负荷的变化很小n在汽油机上，进入气缸的是空气和燃料的可燃混合气，调节负荷是通过改变节气门开度来调节进入气缸混合气量的多少。加速踏板减小则节气门关小，节流损失增加，引起pa下降发动机原理发动机原理发动机换气过程21发动机原理发动机原理发动机换气过程22 n2. 进气终了的温度Ta nTa高，v值小，应尽量降低 Tan一般进气终了的温度Ta高

12、于进气状态温度Tsn1）新鲜工质进入发动机与高温零件接触而被加热 n2）新鲜工质与高温残余废气混合而被加热 n3）在化油器式汽油机上，为了使液体燃料在进气管中蒸发，以便均匀地与空气混合而进入气缸，一般都利用废气或冷却水热量对进气管加热，故空气经过进气管时受热而温度升高。 在电控燃油喷射发动机上，进气管和排气管往往布置在发动机两侧n发动机速度特性：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n发动机负荷特性：当转速不变而增加发动机负荷时，缸壁等零件温度升高，Ta有所上升 111aassvTppT发动机原理发动机原理发动机换气过程23 n3. 残余废气系数 n

13、大，v下降 ，同时燃烧恶化 ，特别是在汽油机低负荷运转时 n排气管内废气压力pr=ps+panpa为气体流动时，克服排气系统阻力而引起的压降n转速n增高则气体流速v增加，pr增加，r增加， 增加，v下降22vpa111aassvTppT发动机原理发动机原理发动机换气过程24 n4. 配气定时 n进气门迟闭VS VS，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 n5. 压缩比 n压缩比增加压缩容积减小，残余废气量随之减少，因而v有所增加n6. 进气（或大气）状态ps、Ts n进气或大气压力高，pa也随之增加，新鲜工质密度增大，虽然v变化

14、不大，但实际进气量增多 n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 111aassvTppT发动机原理发动机原理发动机换气过程25第三节 减少进气系统的阻力 n大气空气滤清器节气门进气管进气道进气门气缸发动机原理发动机原理发动机换气过程26n一、空气滤清器n结构不同，阻力不同n保证滤清效果的前提下，尽可能减小阻力，经常清洗滤清器，更换滤芯n二、节气门n汽油机n柴油机 发动机原理发动机原理发动机换气过程27n三、进气管n要求：足够的流通面积，变化平缓，避免转弯及截面突变，圆角应大，管道表面光洁，以减小阻力，提高v n在汽油机上，还必须考虑燃料的雾化、蒸发、分配

15、以及压力波的利用等问题n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n高速、高功率，进气管应粗而短n中、低速，进气管应细而长发动机原理发动机原理发动机换气过程28n四、进气道 n要求：同进气管n进气道位于气缸盖内，形状复杂，受气门导管凸台影响，截面形状往往有突变，对进气阻力影响大n考虑动力性能，减少阻力n考虑经济性能与排放，应使新鲜充量在气缸中形成涡流，改善混合气形成与燃烧n互相矛盾，应在气道试验台上进行试验设计发动机原理发动机原理发动机换气过程29n五、进气门n1. 时面值 n2. 进气马赫数Ma n3. 气门直径和气门数 n4. 气门升程 n5. 减少气门处

16、的流动损失 发动机原理发动机原理发动机换气过程30n时面值（时间-段面值）n时面值表示了气门的通过能力 n时面值与角面值fdtvmfdnfdt61发动机原理发动机原理发动机换气过程312. 进气马赫数Man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n平均速度vm是实际进入气缸的新鲜充量与进气门有效时面值之比n当Ma 超过一定数值(0.5左右)时，v 便急剧下降n限制Ma值对于高速发动机尤为重要n减小Ma值的主要措施：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，合理的配气相位发动机原理发动机原理发动机换气过程323. 气门直径和气门数n增大进气门直径可以扩大气流

17、通路截面积n在双气门（一进一排）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0.20.25，进气门比排气门一般大15%20% n进一步增大进气门流通截面，可采用多气门结构。保证高速进气量 发动机原理发动机原理发动机换气过程33发动机原理发动机原理发动机换气过程34发动机原理发动机原理发动机换气过程354. 气门升程n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 n气门升程 最大气门升程与阀盘直径之比 L/d取0.260.28发动机原理发动机原理发动机换气过程365. 减少气门处的流动损

18、失n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发动机原理发动机原理发动机换气过程37改善配气机构的措施发动机原理发动机原理发动机换气过程38第四节 合理选择配气定时 n一、进气门迟闭角对充气效率影响最大 发动机原理发动机原理发动机换气过程39n1）图中每条曲线相当于在一定的配气定时下，v随转速变化的关系。v是在某一转速下达到最高值 n2）不同v曲线相当于在不同的配气定时下，v随转速变化的关系。不同的进气迟闭角，v最大值相当的转速不同，一般迟闭角增大，一般迟闭角增大，v最最大值相当的转速也增加大值相当的转速也增加 发动机原理发动机原理发动机换气过程40n二、排气提前

19、角n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，应增加排气应增加排气提前角提前角 n三、气门叠开 n利用排气管的压力波增加v，新鲜工质流过高温零件，降低热负荷，减少NOx，故应安排适当的气门叠开角。在高速发动机，特别是二气门机中，为保证足够的进、排气门时面值，也会有较大的叠开角 发动机原理发动机原理发动机换气过程41第五节 进气管的动态效应 n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 发动机原理发动机原理发

20、动机换气过程42 n一、惯性效应（本循环波动效应）n在开口端为负反射；在闭口端为正反射； n二、波动效应（前面循环波动效应）n周而复始，在进气门处的压力产生压力波动发动机原理发动机原理发动机换气过程43 n三、转速与管长n压力波的固有频率f1n发动机转速为n时，进气频率f2为nf1与f2之比为波动次数q2，说明进气管内压力波的固有频率与发动机进气频率的配合关系 n对波动效应 Lcf411202602nnfnLcffq30212发动机原理发动机原理发动机换气过程44发动机原理发动机原理发动机换气过程45n当q2=3/2，5/2时，下一次气门开启期间，正好与正的压力波相重合，使v增加。当q2=1，

21、2时，进气频率与压力波固有频率合拍，下一次气门开启期间正好与负的压力波重合，使v减小 n若q2一定，管长与转速成反比，即高转速所需进气管短，低转速所需进气管长 发动机原理发动机原理发动机换气过程46n四、排气管动态效应n排气管内也存在压力波，且排气能量大，废气温度高，故与进气相比，排气压力波的振幅大，传播速度快n若能在排气过程后期，特别是气门叠开期，使排气管的气门端形成稳定的负压，便可减少缸内残余废气和泵气损失，并有利于新气进入气缸发动机原理发动机原理发动机换气过程47第六节 可变技术 n定义：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 n包含：可变进气管、可变气门定时、可

22、变气门升程、可变进气涡流 发动机原理发动机原理发动机换气过程48 n一、可变进气管n要求：n高转速、大功率时应配装粗短的进气管粗短的进气管；中、低速，大转矩时，应配装细长的进气管细长的进气管 n实现：见图2-18，2-19发动机原理发动机原理发动机换气过程49可变进气管使所有转速的转矩均增加，平均可增加 8%，最大转矩可增大 12%14%。 发动机原理发动机原理发动机换气过程50n二、可变气门定时 n要求：n进气迟闭角、排气提前角应随转速的提高而加大转速的提高而加大，即n低转速时，进、排气门应接近下止点关闭和打开；n高转速时，进、排气门应远离下止点关闭和打开。n怠速时，气门叠开角要小，随着转速

23、上升，气门叠开角应加大 n实现：n凸轮相位可变：见图2-20n进气持续期可变 ：见图2-21发动机原理发动机原理发动机换气过程51 在气缸盖上装有油压切换阀，由计算机控制开关，将油供给可变机构。在油压作用下，具有螺纹花键2的活塞3便作轴向移动，使传动的正时齿形皮带轮与凸轮轴4分开并将凸轮轴转动一个角度，从而改变齿形皮带轮与凸轮的相对位置。一般可转动2030曲轴转角。 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，但气门叠开角减小，这是它的缺点。 发动机原理发动机原理发动机换气过程52发动机原理发动机原理发动机换气过程53可实现高速、低速和可变排量三种方式动作的机构。高

24、速时，高速摇臂是靠油压控制活塞（T形连杆内）与T形连杆相连接，高速凸轮驱动力借助于T形连杆传递到气门。低速时，高速摇臂与T形连杆的连接断开，而低速摇臂靠油压控制活塞和T形连杆相连接，低速凸轮传力到气门。在低速、小负荷工作时，1、4两气缸的高速、低速两摇臂均与T形连杆断开，气门停止工作，只有2、3缸按低速方式运转，切换工况如图所示。高、低速凸轮切换是在发动机转速为5000r/min时，在同一气门开度，两个凸轮输出达到一致点进行切换。 发动机原理发动机原理发动机换气过程54第七节 二行程发动机的换气过程 n一、二行程发动机的换气过程及示功图n以曲轴箱扫气二行程发动机为例n二行程发动机是曲轴回转一圈

25、，活塞上下两个行程，就完成一个工作循环，它与四行程发动机的不同之处主要在于换气过程。 发动机原理发动机原理发动机换气过程55发动机原理发动机原理发动机换气过程56n活塞由下止点向上运动，当活塞上行关闭排气口后（a）即开始压缩过程，a-c段；n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，c-z段即燃烧过程；n继而高温、高压气体推动活塞下行，即作功的膨胀行程，如z-b段，活塞下行至b点，开启排气口（b），膨胀行程结束，排气行程开始。n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

26、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排气，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（f）这一段，又称先期排气（b-f），必须保证先期排气时面值，以避免废气倒流。发动机原理发动机原理发动机换气过程57n当扫气口打开，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（h）。由于此阶段是利用新气扫除废气，故称为扫气过程，如示功图中的f-d-h段。n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，如示功图中的a点。从扫气口关闭到排气口关闭这段是额外排气阶段（h-a），其中有大量新鲜工质排出，是要尽量避免的阶段。n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，即示功图上的b-d-a曲线，为二行程发动机的换气过程，大约占130150曲轴转角。发动机原理发动机原理发动机换气过程58 n1. 横流扫气 n扫气口与排气口对称布置，扫气口比排气口早关，产生额外排气，而且在A区易于残留废气，又可能如B所示产生扫气短路现象（即新鲜充量直接由排气口流出），所以换气效果较差 n二、扫气系统的基本形式发动机原理发动机原理发动机换气过程59n2. 回流扫气 n扫气口不正对排气口，而位于气缸