内燃机的换气过程

1、1第四章第四章 内燃机的换气过程内燃机的换气过程2第四章第四章 内燃机的换气过程内燃机的换气过程3四冲程发动机四冲程发动机从从排气门开启排气门开启 至至进气门关闭进气门关闭 的整个进排气阶段。的整个进排气阶段。二冲程发动机二冲程发动机从从排气口开启排气口开启 至至排气口关闭排气口关闭 的整个扫气过程。的整个扫气过程。内燃机的换气过程内燃机的换气过程将已燃气体排出并为下一循环吸入新鲜充量。将已燃气体排出并为下一循环吸入新鲜充量。与充。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，量更换过程有关的各种附属系统的设计是否合理、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。41Pi

2、tLcmsaKn cLP,CiCn进气阻力要使n又使，必须研究换气过程目前中小功率向高速发展目前中小功率向高速发展四冲程内燃机的换气过程四冲程内燃机的换气过程从从排气门提前开启排气门提前开启 至至进气门推后关闭进气门推后关闭 的整个进排气阶段。的整个进排气阶段。分为以下几个过程：分为以下几个过程：（占（占380430曲轴转角）曲轴转角）567 图图4-14-1是四冲程内燃机在换气过程中，气缸压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应的低速示功图( (p-Vp-V图图) )、从图中可以看出，、从图中

3、可以看出，燃气从气缸急速流入排气管，气缸压力，燃气从气缸急速流入排气管，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很快下降，直到排气下止点后的某一位置排气门关闭为止。闭为止。，新鲜充量流人气，新鲜充量流人气缸，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，进、排气门同时开启。四冲程内燃气上止点附近，进、排气门同时开启。四冲程内燃机的换气过程可分为机的换气过程可分为8一、自由排气阶段一、自由排气阶段1、定义、定义从从排气门提前开启排气门提前开启到到气缸压力接近排气管内压力气缸压力接近排气管内压力的时期，的时期，称为自由排气阶段。称为自

4、由排气阶段。2、排气门为什么要提前开启？、排气门为什么要提前开启？(1)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。截面。早开启为了增大流通截面积早开启为了增大流通截面积。(2)如果排气门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，如果排气门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，活塞在向上止点回行时将造成较大的反压力，增加排气缸压力下降迟缓，活塞在向上止点回行时将造成较大的反压力，增加排气行程所消耗的功。气行程所消耗的功。排气提前角过大时，膨胀功损失过大。排气提前角需通

5、过实验确排气提前角过大时，膨胀功损失过大。排气提前角需通过实验确定最佳值。排气提前角的范围为定最佳值。排气提前角的范围为3080(CA)。注：注：9一、自由排气阶段一、自由排气阶段3、自由排气特点：、自由排气特点：(1)(1)在自由排气阶段的初期，在自由排气阶段的初期，由于排气门刚刚开启，缸内压力由于排气门刚刚开启，缸内压力较高，排气管压力与气缸压力之比往往小于临界值，流动呈现较高，排气管压力与气缸压力之比往往小于临界值，流动呈现超临界状态超临界状态，缸内气体以当地声速流过排气门。，缸内气体以当地声速流过排气门。(2)(2)排气质量流量排气质量流量只取决于只取决于缸内气体状态缸内气体状态和和排

6、气门有效开启截排气门有效开启截面的大小面的大小，与排气管内的气体状态无关。与排气管内的气体状态无关。(3)(3)当流通截面不够大时，当流通截面不够大时，自由排气会拖到整个排气阶段。自由排气会拖到整个排气阶段。101161pAnddm一、自由排气阶段一、自由排气阶段4、流出的废气量确定：、流出的废气量确定：在气门开启时间内，流经气门的气体在气门开启时间内，流经气门的气体质量与气门前后的状态关系式为质量与气门前后的状态关系式为:式中，下标式中，下标I表示上游流动参数表示上游流动参数(相相应地，应地，II表示下游的流动参数表示下游的流动参数)；与与A分别为气门处的流量系数与分别为气门处的流量系数与流

7、通截面积，可分别根据试验结果流通截面积，可分别根据试验结果和气门的几何参数确定；和气门的几何参数确定；为流函为流函数，与上、下游的流动状态有关，数，与上、下游的流动状态有关，其计算式为其计算式为流动呈现流动呈现超临界状态超临界状态11n由此可见，自由排气阶段中排出的废气量与内由此可见，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，同样的排气时燃机的转速无关，但在高速时，同样的排气时间对应的曲轴转角将大为增加。为使气缸压力间对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，否则将使自及时下降，必须加大排气提前角，否则将使自由排气阶段由排气阶段( (以曲轴转角计以曲轴

8、转角计) )延长、排气消耗功延长、排气消耗功增加。所以，增加。所以，随发动机转速的增加应相应增大随发动机转速的增加应相应增大排气提前角排气提前角。n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%以上，一般持续到下止点后以上，一般持续到下止点后1030(1030(CA)CA)结束。结束。12二、强制排气阶段二、强制排气阶段1、定义、定义活塞强行将废气推出阶段。活塞强行将废气推出阶段。2、特点、特点(1)(1) 消耗功，循环中消耗功，循环中x x面积。面积。(2)(2)由于气体

9、在流动过程中要克服排气门、排气道以及消声器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，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缸内的气体压力要略高于排气管内的平均压力，力，而且气体流速越高，压力差也就越大。存在压力波动。而且气体流速越高，压力差也就越大。存在压力波动。X13二、强制排气阶段二、强制排气阶段3.排气门为什么要迟关？排气门为什么要迟关？（1）随着活塞的上行，排气门流通截面开始逐渐减小，气体）随着活塞的上行，排气门流通截面开始逐渐减小，气体流经气门流经气门的节流作用加强，的节流作用加强，因而在上止点附近，因而在上止点附近，气缸压力再次升高气缸压力再

10、次升高，其直接后，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都不利。燃烧过程都不利。（2）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）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，多排气。气，多排气。注：注：过大的排气迟闭会导致废气倒流。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时刻，门关闭时刻，14三三 进气过程进气过程1、定义、定义从从进气门提前开启进气门提前开启 到到进气

11、门迟后关闭进气门迟后关闭 的全过程。的全过程。2.进气门早开晚关进气门早开晚关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，以减少进气过程的阻力，增加进入气缸的新鲜充量，进气门一般也在上止点前提前开启，的阻力，增加进入气缸的新鲜充量，进气门一般也在上止点前提前开启，称为称为进气提前进气提前，进气提前角为，进气提前角为1040 (CA)。为了利用在吸气过程中形成的进气管内气流的流动惯性，实现气缸的过为了利用在吸气过程中形成的进气管内气流的流动惯性，实现气缸的过后充气，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后充气，

12、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，即关闭，即进气迟闭进气迟闭。这样有可能使得进气过程终了时，缸内压力等于。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。进气迟闭角一般为或略高于进气管压力。进气迟闭角一般为2060(CA)。15三三 进气过程进气过程n高速时气流流动的惯性大，进气迟闭角应相应大一些。高速时气流流动的惯性大，进气迟闭角应相应大一些。但过大的进气迟闭角，使发动机的冷起动困难。但过大的进气迟闭角，使发动机的冷起动困难。1.当转速降低时（起动时），气流惯性小，进气不足。当转速降低时（起动时），气流惯性小，进气不足。因为：因为：2.低速时，发生缸内

13、气流倒流进入进气管的现象，会影低速时，发生缸内气流倒流进入进气管的现象，会影响有效压缩比，从而使压缩终了温度、压力降低，影响响有效压缩比，从而使压缩终了温度、压力降低，影响起动。起动。n因此，合理的进气定时是十分重要的。因此，合理的进气定时是十分重要的。1617四、气门叠开和燃烧室扫气过程四、气门叠开和燃烧室扫气过程1、气门叠开、气门叠开进、排气门同时开进、排气门同时开启，进排气门和燃启，进排气门和燃烧室三者联通烧室三者联通排气迟闭角与进气排气迟闭角与进气提前角之和。提前角之和。18四、气门叠开和燃烧室扫气过程四、气门叠开和燃烧室扫气过程1、气门叠开、气门叠开气门叠开将导致：气门叠开将导致：如

14、果进气管压力大于排气管压力，新鲜充量在正向压力差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用下流入气缸，与缸内残余废气进行混合后，部分可的作用下流入气缸，与缸内残余废气进行混合后，部分可以直接排入排气管中。以直接排入排气管中。 有利于扫除缸内的残余废气，增加气缸充量，达有利于扫除缸内的残余废气，增加气缸充量，达到扫气目的；到扫气目的； 又可以降低燃烧室内气缸盖、排气门、活塞顶、又可以降低燃烧室内气缸盖、排气门、活塞顶、缸套的温度。缸套的温度。尽管带走的热量不多，但对于这些受热严重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。且冷却困难的关键零件，其效

15、果却是显著的。 19四、气门叠开和燃烧室扫气过程四、气门叠开和燃烧室扫气过程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，特别是在小开度时。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在小开度时。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，引起进气管系统中，引起进气管回火回火。同时，利用新鲜充量进行扫气将导致。同时，利用新鲜充量进行扫气将导致燃料的损燃料的损失失以及以及未燃碳氢排放物的增加未燃碳氢排放物的增加。气门叠开角一般都是比较小的。气门叠开角一般都是比较小的。气门叠开角可稍大些，气门叠开角

16、可稍大些，在在2050(CA)范围内。范围内。进气管内压力始终接近大气压力，不存在回火现象。进气管内压力始终接近大气压力，不存在回火现象。采用比非增压大的气门叠开角，采用比非增压大的气门叠开角，一般为一般为80140(CA)。增压柴油机进气管内的压力在气门叠开期内总是高于排气管内的压力，可增压柴油机进气管内的压力在气门叠开期内总是高于排气管内的压力，可以用新气扫除废气，使进入气缸的新鲜充量增加，同时可降低热负荷。以用新气扫除废气，使进入气缸的新鲜充量增加，同时可降低热负荷。20四、气门叠开和燃烧室扫气过程四、气门叠开和燃烧室扫气过程一般汽油机不组织扫气（有燃料损失）。一般汽油机不组织扫气（有燃

17、料损失）。可组织扫气。可组织扫气。,rasmTm 则21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换气损失换气损失n理论循环理论循环换气功与换气功与实际循环实际循环换气功之换气功之差。差。换气损失：换气损失：x+y+ww:膨胀损失膨胀损失x:推出损失；推出损失；y:进气损失；进气损失；22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一、排气损失一、排气损失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进气损失和排气损失气损失和排气损失两部分组成。两部分组成。从排气门提前开启，直到吸气行从排气门

18、提前开启，直到吸气行程开始、气缸内压力达到或接近程开始、气缸内压力达到或接近进气管压力之前，在此阶段所损进气管压力之前，在此阶段所损失的功称为排气损失。失的功称为排气损失。（1）自由排气损失（）自由排气损失（w:膨胀膨胀损失损失），是由于排气门提前打），是由于排气门提前打开而引起的膨胀功的减少。开而引起的膨胀功的减少。（2）强制排气损失（）强制排气损失（ x:推出推出损失；损失；），是活塞上行强制推），是活塞上行强制推出废气所消耗的功。出废气所消耗的功。X23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一、排气损失一、排气损失排气提前角的影响排气提前角的影响 所以最有利的排气提前角应

19、所以最有利的排气提前角应使使面积（面积（W+Y）之和最小。）之和最小。排气提前角增大：排气提前角增大：w面积增加，面积增加，x面积减小，面积减小，如图如图b曲线曲线排气提前角减少：排气提前角减少：x面积增加面积增加，如图中，如图中c曲线。曲线。24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一、排气损失一、排气损失发动机转速的影响发动机转速的影响转速转速增高增高时，发动机膨胀损失时，发动机膨胀损失的增加幅度远远小于的增加幅度远远小于推出损失推出损失的增加幅度，而两者之和在总的增加幅度，而两者之和在总体上呈现体上呈现增加增加的趋势。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:

20、合理确定排气提前角，以有效合理确定排气提前角，以有效地减少排气过程中的损失。地减少排气过程中的损失。25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二、进气损失二、进气损失从开始吸气到进气门关闭所损从开始吸气到进气门关闭所损失的功，称为进气损失。失的功，称为进气损失。y:进气损失；进气损失；Y与排气损失相比，相对较小。与排气损失相比，相对较小。n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，都会使进气损失减少。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。2627第

21、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三、泵气功和泵气损失三、泵气功和泵气损失换气损失换气损失:u1.泵气损失：泵气损失：x+y+w与理论循环相比，发动机的与理论循环相比，发动机的活塞在泵气过程中所造成的活塞在泵气过程中所造成的功的损失。功的损失。再计算再计算Pm时，面积时，面积W和掺杂在面积和掺杂在面积x和和y中的一小部分中的一小部分u(图中以交叉线表图中以交叉线表示示)所表示的功损失，已经考虑到丰满系数所表示的功损失，已经考虑到丰满系数i中，故将换气损失中剩余的面中，故将换气损失中剩余的面积积x+y-u所表示的功损失，定义为所表示的功损失，定义为。x+y-u28第二节第二节

22、四冲程内燃机换气损失四冲程内燃机换气损失ppLuyxW)(三、泵气功和泵气损失三、泵气功和泵气损失2.泵气功：泵气功：x+y-uL p为示功图的比例系数为示功图的比例系数psTbpLuyxVppW)()(泵气功泵气损失泵气功泵气损失为负为负缸内气体对活缸内气体对活塞在强制排气塞在强制排气过程和吸气行过程和吸气行程中所做的功。程中所做的功。泵气功理论循环泵气损失泵气功理论循环泵气损失为正为正29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三、泵气功和泵气损失三、泵气功和泵气损失3.平均泵气压力：平均泵气压力：n一般用平均泵气压力一般用平均泵气压力Pp来表示泵气损失的大小，其定义为来表示

23、泵气损失的大小，其定义为sppVWp n一般而言，所有减少换气损失的措施以及以后将要讨论到一般而言，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，对降低泵气损失都是有利的。另的提高充量系数的途径，对降低泵气损失都是有利的。另外，外， 30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rramm111cshshsmMVmMV11rarararmmmmmmm一、四冲程内燃机的充量系数一、四冲程内燃机的充量系数1(1)armm31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1(1)armm111cshshsmMVmMV1(1)arcshshmmmm一

24、、四冲程内燃机的充量系数一、四冲程内燃机的充量系数aaaaap VmR Tssshssp VmR T1aaaccacsacccVVVVVVVVVV(1)1crsaccasTpTp下标下标a表示缸内气体的状态，下标表示缸内气体的状态，下标s表示进气管内的状态表示进气管内的状态32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二、影响充量系数的因数二、影响充量系数的因数(1)1crsaccasTpTp1、使用因素、使用因素（1）转速）转速nn进气流速进气流速 流动阻力流动阻力 Pa c n过低过低,惯性进气惯性进气 c 。一定的进气系统，一定负荷下，有一定的进气系统，一定负荷下，有

25、一个转速对应的充量系数最大。一个转速对应的充量系数最大。不同节气门开度、不同转速时的进气压力不同节气门开度、不同转速时的进气压力33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二、影响充量系数的因数二、影响充量系数的因数(1)1crsaccasTpTp1、使用因素、使用因素（2）负荷）负荷汽油机汽油机的负荷调节属于的负荷调节属于量调节量调节，负荷负荷 ，节气门开度，节气门开度 ，进气阻力进气阻力 ，进气终点压力，进气终点压力Pa c 。柴油机柴油机的负荷调节属于的负荷调节属于质调节质调节，负荷的变化对充气系数无明显负荷的变化对充气系数无明显的影响。的影响。汽油机的充量系数随负

26、荷的变化关系汽油机的充量系数随负荷的变化关系 1-全负荷全负荷 2、3、4、5、部分负荷、部分负荷34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二、影响充量系数的因数二、影响充量系数的因数(1)1crsaccasTpTp1、使用因素、使用因素（3）大气状态）大气状态大气压力：大气压力：P0Pa ，但，但Pa/P0基本不变，故充量系数不变。基本不变，故充量系数不变。 大气温度大气温度To：To变化，变化，Ta也变化，也变化，To/Ta基本不变，故充量系数不变基本不变，故充量系数不变但但P0(To) 0 ma 发动机功率发动机功率 。35第三节第三节 提高内燃机充量系数的措施提

27、高内燃机充量系数的措施二、影响充量系数的因数二、影响充量系数的因数(1)1crsaccasTpTp2、结构因素、结构因素(1)进气系统进气系统一般包括进气门、进气管、空滤器、化油器、进气道一般包括进气门、进气管、空滤器、化油器、进气道等部件。等部件。要尽量减少各部件的流动阻力，以增大进气要尽量减少各部件的流动阻力，以增大进气终了的压力，提高充量系数终了的压力，提高充量系数。 试验证明，增大进气终了的压力比降低残余废气系试验证明，增大进气终了的压力比降低残余废气系数对充量系数的影响大，所以设计成数对充量系数的影响大，所以设计成进气门直径大于进气门直径大于排气门直径，排气门直径，气门顶部的形状呈气

28、门顶部的形状呈流线型流线型。 ，Vc，r， c 。（2）压缩比）压缩比 36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二、影响充量系数的因数二、影响充量系数的因数(1)1crsaccasTpTp2、结构因素、结构因素（3）配气相位）配气相位 配气相位中，进气滞后角对的配气相位中，进气滞后角对的c影响最大。改变进气滞影响最大。改变进气滞后角可以改变后角可以改变c随转速变化的趋向，用以调整发动机的扭矩随转速变化的趋向，用以调整发动机的扭矩和有效功率。和有效功率。 高速发动机进气滞后角较大，以提高高速下的充量系数。高速发动机进气滞后角较大，以提高高速下的充量系数。 配气相位是靠选

29、定的凸轮型线来进行控制的。配气相位是靠选定的凸轮型线来进行控制的。37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三、提高充量系数的措施三、提高充量系数的措施(1)1crsaccasTpTp在发动机的结构参数在发动机的结构参数(如压缩比如压缩比c)确定的前提下：确定的前提下：1.提高气缸进气终点提高气缸进气终点降低进气系统的阻力损失。降低进气系统的阻力损失。（关键）（关键）2.减小缸内的减小缸内的降低排气系统的阻力损失，合理降低排气系统的阻力损失，合理选择配气定时和气门升程规律，在减小选择配气定时和气门升程规律，在减小mr的同时，增加的同时，增加m1 。3.降低进气终点降低进

30、气终点减少高温零件在进气系统中对新鲜充量的加热。减少高温零件在进气系统中对新鲜充量的加热。38提高充量系数的措施提高充量系数的措施n( (一一) )降低进气系统的流动阻力降低进气系统的流动阻力n( (二二) )采用可变配气系统技术采用可变配气系统技术n( (三三) )合理利用进气谐振合理利用进气谐振n( (四四) )降低排气系统的流动阻力降低排气系统的流动阻力n( (五五) )减小对进气充量的加热减小对进气充量的加热 39三、提高充量系数的措施三、提高充量系数的措施(一一)降低进气系统的流动阻力降低进气系统的流动阻力进气系统的流动阻力，按其性质可分为两类：进气系统的流动阻力，按其性质可分为两类

31、：管道摩擦阻力，与管长和管内流动面上的管道摩擦阻力，与管长和管内流动面上的表面质量有关；表面质量有关；由于流通截面大小、形状以及流动方向变化，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。在局部产生涡流损失所引起的。内燃机进气流动中，由于管道较短，壁面比内燃机进气流动中，由于管道较短，壁面比较光滑、其较光滑、其；，它由一系列，它由一系列的局部阻力叠加而成，尤其在的局部阻力叠加而成，尤其在进气门座处、空进气门座处、空气滤清器和流道转弯处气滤清器和流道转弯处，流动损失更为明显。，流动损失更为明显。40三、提高充量系数的措施三、提高充量系数的措施（一）降低进气系统的流动阻力（一

32、）降低进气系统的流动阻力进气门座处的流通截面，是进气流道中截面最小、流速进气门座处的流通截面，是进气流道中截面最小、流速最高的地方，因而该处的局部阻力最大最高的地方，因而该处的局部阻力最大2sssssQApv阻力除了与阻力系数阻力除了与阻力系数有关外，还与该处的流动速度有关外，还与该处的流动速度vs的平方成正比的平方成正比过高的气体流速，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数定义平均进气马赫数Ma41三、提高充量系数的措施三、提高充量系数的措施（一）降低进气系统的流动阻力（一）降低进气系统的流动阻力进气

33、平均马赫数进气平均马赫数Ma综合了进气综合了进气门大小、形状、升程规律以及门大小、形状、升程规律以及活塞速度等因素，并且其大小活塞速度等因素，并且其大小与发动机的转速成正比。研究与发动机的转速成正比。研究发现，发现，(图图45)。这一结论，。这一结论，对于设计和评价气门机构是很对于设计和评价气门机构是很有用的。有用的。42三、提高充量系数的措施三、提高充量系数的措施（一）降低进气系统的流动阻力（一）降低进气系统的流动阻力减小进气门流通截面处的流动损失具体措施：具体措施：43三、提高充量系数的措施三、提高充量系数的措施（一）降低进气系统的流动阻力（一）降低进气系统的流动阻力增大进气门直径增大进气

34、门直径d进进，适当配置排气门直径。，适当配置排气门直径。进气门直径增大进气门直径增大d，扩大流通截面积，扩大流通截面积f，降低局部流动阻力，提高充量系数，降低局部流动阻力，提高充量系数c 。在现代高速内燃机在现代高速内燃机2 2气门结构中，气门结构中，进气门直径进气门直径d d与缸径与缸径D D比值可达比值可达45%45%50%50%。面面积比为积比为0.20.20.250.25。这样排气门不得不缩小，但过小排气门会导致排气阻力的。这样排气门不得不缩小，但过小排气门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高充量系数，是受到限制的。增大。因此，通过加大进气门直径的方式来提高充量系

35、数，是受到限制的。2.增加进气门数目增加进气门数目可采用三气门结构（进可采用三气门结构（进2排排1）、四气门结构（进）、四气门结构（进2排排2）、五气门结构）、五气门结构（进（进3排排2），是增大进气门流通面积，降低排气损失的有效措施。），是增大进气门流通面积，降低排气损失的有效措施。442.增加进气门数目增加进气门数目不同进气门数的方案比较I进气门 E排气门45（一）降低进气系统的流动阻力（一）降低进气系统的流动阻力2.增加进气门数目增加进气门数目四气门机与二气门机相比的优缺点：四气门机与二气门机相比的优缺点：优点：优点：进排气面积大，充量系数提高，泵气损失小，动力性能提高。进排气面积大，充

36、量系数提高，泵气损失小，动力性能提高。利于将火花塞或喷油器布置在中央，有利于提高压缩比（汽油利于将火花塞或喷油器布置在中央，有利于提高压缩比（汽油机）和改善燃油雾化质量（柴油机），经济性提高。机）和改善燃油雾化质量（柴油机），经济性提高。缺点：缺点：1.气门机构零件数目增加气门机构零件数目增加,制造成本增加。制造成本增加。2.顶置凸轮轴使缸盖高度增加，发动机尺寸加大。顶置凸轮轴使缸盖高度增加，发动机尺寸加大。46（一）降低进气系统的流动阻力（一）降低进气系统的流动阻力2.增加进气门数目增加进气门数目采用顶置凸轮轴采用顶置凸轮轴4气门技术气门技术,可以便发动可以便发动机的功率提高约机的功率提高约

37、15%30%，转矩增大，转矩增大约约5%10%。经济性能也得到改善。经济性能也得到改善。采用采用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)的发动机与的发动机与4气门发动机的比较情况，气门发动机的比较情况，可见其高速性能进一步改善。可见其高速性能进一步改善。472.增加进气门数目增加进气门数目多气门结构多气门结构 ：缸径大于：缸径大于80mm时，采用二进二排结构；时，采用二进二排结构； 缸径小于缸径小于80mm时，采用三进二排结构。时，采用三进二排结构。对于排量较小对于排量较小(1.5L以下以下)的的4缸小型轿车用汽油机来说，也有采用缸小型轿车用汽油机来说，也有采用进、二排的进、

38、二排的3气门气门结构，这样既能发挥多气门的优越性，结构又相对简单。结构，这样既能发挥多气门的优越性，结构又相对简单。48三、提高充量系数的措施三、提高充量系数的措施（一）降低进气系统的流动阻力（一）降低进气系统的流动阻力3.改善进气门和气门座处的流体动力性能改善进气门和气门座处的流体动力性能气门和气门座的结构型式影响气流流经的流气门和气门座的结构型式影响气流流经的流动特性，从而对流动损失有一定的影响。动特性，从而对流动损失有一定的影响。较小可加大流通截面积，减小气流流动损较小可加大流通截面积，减小气流流动损失。失。 太小，使涡流损失加大，减小气门盘太小，使涡流损失加大，减小气门盘刚度，增加气门

39、座压力。刚度，增加气门座压力。气门座合面锥角气门座合面锥角大都采用大都采用30或或45过渡圆弧半径过渡圆弧半径R适当加大过渡圆弧半径适当加大过渡圆弧半径R，减小流动阻力。，减小流动阻力。49三、提高充量系数的措施三、提高充量系数的措施（一）降低进气系统的流动阻力（一）降低进气系统的流动阻力4.改进凸轮廓线设计和进气门的升程规律改进凸轮廓线设计和进气门的升程规律5.采用较小的采用较小的S/D值值以增大时面值，提高充气效率。以增大时面值，提高充气效率。30mS nC50三、提高充量系数的措施三、提高充量系数的措施（二）采用可变配气系统技术（二）采用可变配气系统技术 从获得最大充量系数的角度出发，比

40、较理想的配气系统应当要满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：足以下要求： 1)1)低速时低速时，采用，采用较小的气门叠开角以及较小的气门升较小的气门叠开角以及较小的气门升程，程，防止出现缸内新鲜充量向进气系统的倒流，以便防止出现缸内新鲜充量向进气系统的倒流，以便增加转矩，提高燃油经济性。增加转矩，提高燃油经济性。 2) 2)高速时高速时应具有应具有最大的气门升程和进气门迟闭角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，增加进气量，提高充量以最大限度地减小流动阻力，增加进气量，提高充量系数，以满足动力性要求。系数，以满足动力性要求。 3 3）配合以上变

41、化，进气门从开启到关闭的进气持）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，将泵气损失续角也进行相应调整，以实现最佳正时，将泵气损失降到最低。降到最低。51 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( (GMGM汽车公司推出的汽车公司推出的以及以及FordFord汽车公司的汽车公司的。由于制造成本和可靠性等原因，若将这种全电控的。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。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

42、大类，即目前较为常见的商品化系统可以分成两大类，即( (VCSVCS，Variable Camshaft System)Variable Camshaft System)和和( (VVTVVT，Variable Valve Timing )Variable Valve Timing )。除此之外，除此之外，也有可变气门升程、可变气门作用角等其他形式，其原也有可变气门升程、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。理基本相近，只是实现方式不同而已。（二）采用可变配气系统技术（二）采用可变配气系统技术三、提高充量系数的措施三、提高充量系数的措施52（二）采用可变配气系统技术（

43、二）采用可变配气系统技术1、可变凸轮机构、可变凸轮机构一般都是通过两套凸轮或摇臂来实现的，即在一般都是通过两套凸轮或摇臂来实现的，即在高速高速时采用高速凸轮，其升程与作用角都较大；而在低时采用高速凸轮，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。速时切换到低速凸轮，升程与作用角均较小。n发动机的性能与传统配气机构的性能比较，显然发动机的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低速转矩和高速动力性能性能都得到了改善。都得到了改善。53三三菱菱MIVEC可可变变配配气气技技术术54（二）采用可变配气系统技术（二）采用可变配气系统技术2、可变气门定时、可变气门定时

44、(VVT)进排气门分别通过两根凸轮轴单独驱动的，可以通过专门机构将进排气门分别通过两根凸轮轴单独驱动的，可以通过专门机构将进气凸轮轴进气凸轮轴按要求转过一定的角度按要求转过一定的角度，从而达到改变，从而达到改变进气进气相位的目的。根据实现机构的不相位的目的。根据实现机构的不同，又可以分成同，又可以分成分级可变与连续可变分级可变与连续可变 两类，调节范围最高可达两类，调节范围最高可达60(CA)。发功机的发功机的低速转矩低速转矩性能得到性能得到大幅度的大幅度的改善。改善。55（二）采用可变配气系统技术（二）采用可变配气系统技术2、可变气门定时、可变气门定时(VVT)VVT-i系统是丰田公司的智能

45、可变气门正时系统的英系统是丰田公司的智能可变气门正时系统的英文缩写。丰田的文缩写。丰田的VVT-i系统系统可连续调节气门正时可连续调节气门正时，但，但不能调节气门升程不能调节气门升程。它的工作原理是：当发动机由低。它的工作原理是：当发动机由低速向高速转换时，电子计算机就自动地将速向高速转换时，电子计算机就自动地将机油压向进机油压向进气凸轮轴驱动齿轮壳旋转一定的角度气凸轮轴驱动齿轮壳旋转一定的角度，从而使凸轮轴从而使凸轮轴在在60的范围内向前或向后旋转，从而的范围内向前或向后旋转，从而改变进气门改变进气门开启的时刻，达到连续调节气门正时的目的开启的时刻，达到连续调节气门正时的目的。VVT-i系统

46、系统56VVTi系统由传感器、ECU和凸轮轴液压控制阀、控制器等部分组成。ECU储存了最佳气门正时参数值，曲轴位置传感器、进气歧管空气压力传感器、节气门位置传感器、水温传感器和凸轮轴位置传感器等反馈信息汇集到ECU并与预定参数值进行对比计算，计算出修正参数并发出指令到控制凸轮轴正时液压控制阀，控制阀根据ECU指令控制机油槽阀的位置，也就是改变液压流量，把提前、滞后、保持不变等信号指令选择输送至VVTi控制器的不同油道上。57（二）采用可变配气系统技术（二）采用可变配气系统技术2、可变气门定时、可变气门定时(VVT)宝马的宝马的VANOS系统系统由发动机管理系统操纵的液由发动机管理系统操纵的液压

47、和机械相结合的凸轮轴控压和机械相结合的凸轮轴控制设备。制设备。VANOS系统基于一系统基于一个能够个能够调整进气凸轮轴与曲调整进气凸轮轴与曲轴相对位置轴相对位置的调整机构。的调整机构。VANOS系统根据系统根据发动机转速和加速踏板位置发动机转速和加速踏板位置来操作进气凸轮轴。在发动来操作进气凸轮轴。在发动机机转速达到最低转速达到最低时，时，进气门将随后开启以改善怠速质量及平稳度进气门将随后开启以改善怠速质量及平稳度。发动机。发动机处于处于中等转速中等转速时，时，进气门提前开启以增大扭矩并允许废气在燃烧室中进行进气门提前开启以增大扭矩并允许废气在燃烧室中进行再循环从而减少耗油量和废气的排放。再循

48、环从而减少耗油量和废气的排放。最后，当发动机最后，当发动机转速很高转速很高时，进气时，进气门门开启将再次延迟，从而发挥出最大功率开启将再次延迟，从而发挥出最大功率。58发动机可变气门正时系统，是通过微机控制可变气门调节器上升和下降发动机可变气门正时系统，是通过微机控制可变气门调节器上升和下降获得齿形皮带轮与进气凸轮（进气门）的相对位置变化，这种结构属于获得齿形皮带轮与进气凸轮（进气门）的相对位置变化，这种结构属于凸轮轴配气相位可变结构，一般可调整凸轮轴配气相位可变结构，一般可调整2030曲轴转角。由于这种机构曲轴转角。由于这种机构的凸轮轴、凸轮形线及进气持续角均不变，虽然高速时可以加大进气迟的

49、凸轮轴、凸轮形线及进气持续角均不变，虽然高速时可以加大进气迟闭角，但是气门叠开角却减小，这是它的缺点。闭角，但是气门叠开角却减小，这是它的缺点。59（二）采用可变配气系统技术（二）采用可变配气系统技术2、可变气门定时、可变气门定时(VVT)VTEC系统系统VTEC系统全称是系统全称是可变气门正时和升程可变气门正时和升程的电子控制系统，的电子控制系统，是本田的专有技术，它能随发动机转速、负荷、水温等是本田的专有技术，它能随发动机转速、负荷、水温等运行参数的变化，而适当地调整气门正时和气门升程，运行参数的变化，而适当地调整气门正时和气门升程，使发动机在高、低速下均能达到最高效率。使发动机在高、低速

50、下均能达到最高效率。60可变配气相位控制系统VTECn中凸轮中凸轮升程最大，次凸轮次凸轮升程最小。n主凸轮主凸轮的形状适合发动机低速时单气门工作的配气相位要求；中凸轮中凸轮的形状适合发动机高速时双进气门工作的配气相位要求。61四个活塞安装处VTEC工作原理62VTEC工作原理n发动机低速时，发动机低速时，电磁阀断电，油道关闭。在弹簧作用下，各活塞均回到各自孔内，三个摇臂彼此分离。此时，主凸轮通过主摇臂驱动主进气门，中间摇臂驱动中间摇臂空摆（不起作用），次凸轮升程非常小，通过次摇臂驱动次进气门微量开闭，以防止进气门附近积聚燃油。配配气机构处于单进、双排气门工作状态气机构处于单进、双排气门工作状态

51、。n发动机高速运转，且发动机转速、负荷、冷却液温度及车速均达到设发动机高速运转，且发动机转速、负荷、冷却液温度及车速均达到设定值时定值时，电磁阀通电，油道打开。在机油作用下，同步活塞A和同步活塞B分别将主摇臂与中间摇臂、次摇臂与中间摇臂插接成一体，成为一个同步工作的组合摇臂。此时，由于中凸轮升程最大，组合摇臂由中凸轮驱动，两个进气门同步工作，进气门配气相位和升程与发动机低速时相比，气门的升程、提前开启角度和迟后关闭角度均较大。此时配气机构处于双进、双排气门工作状态配气机构处于双进、双排气门工作状态。63三、提高充量系数的措施三、提高充量系数的措施在进气过程中，活塞的下行运动可在进气过程中，活塞

52、的下行运动可导致进气管内产生膨胀波，该膨胀导致进气管内产生膨胀波，该膨胀波将在进气管的开口端反射，然后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：在合产生正向压力波向气缸传播：在合适的条件下适的条件下(如转速、出气管长度如转速、出气管长度等等)，这个正向压力波可以使得进气，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过程结束时，进气门处的压力高于正常的进气压力。这样发动机就可正常的进气压力。这样发动机就可以多进气，从而使充量系数得到提以多进气，从而使充量系数得到提高，即是图中充量系数峰值所在。高，即是图中充量系数峰值所在。这与发动机进气管的长度和管径有关。这与发动机进气

53、管的长度和管径有关。644-12发动机进气管的长度增加或管径的减小，可使充量系数的峰值向发动机低发动机进气管的长度增加或管径的减小，可使充量系数的峰值向发动机低速一侧移动，反之则向高速移动，这是进气谐振的结果。速一侧移动，反之则向高速移动，这是进气谐振的结果。65三、提高充量系数的措施三、提高充量系数的措施与发动机进气管的长度和管径有关。与发动机进气管的长度和管径有关。通过改变通过改变进气管长度或流通截面进气管长度或流通截面的方式来实现。的方式来实现。以充分利用进气谐振的效果，达到高速与低速性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。能的最优化。664-13在在低速时低速时控制阀保

54、持控制阀保持关闭状态关闭状态，气体从主气道流入发动机中；而，气体从主气道流入发动机中；而高速时高速时控控制阀制阀打开打开，气体从主、副两个气道同时流入气缸中。控制阀关闭时，相当，气体从主、副两个气道同时流入气缸中。控制阀关闭时，相当于进气管流通截面减小，相应提高了低速充量系数于进气管流通截面减小，相应提高了低速充量系数。6768 当发动机中、低速运转时，电脑发出指令，转换阀控制机构关闭转换阀，当发动机中、低速运转时，电脑发出指令，转换阀控制机构关闭转换阀，此时空气沿着左图箭头所示的路径，经过细而长的进气歧管进入气缸，使此时空气沿着左图箭头所示的路径，经过细而长的进气歧管进入气缸，使进气增多；当

55、发动机高转速时，转换阀开启，空气沿右上角图中箭头所示进气增多；当发动机高转速时，转换阀开启，空气沿右上角图中箭头所示的路径，经过粗而短的进气歧管进入气缸，使进气增多。的路径，经过粗而短的进气歧管进入气缸，使进气增多。69n( (一一) )降低进气系统的流动阻力降低进气系统的流动阻力n( (二二) )采用可变配气系统技术采用可变配气系统技术n( (三三) )合理利用进气谐振合理利用进气谐振n( (四四) )降低排气系统的阻力降低排气系统的阻力n( (五五) )减小对进气充量的加热减小对进气充量的加热 70排气道排气道排气歧管排气歧管71三、提高充量系数的措施三、提高充量系数的措施(四四)降低排气

56、系统的流动阻力降低排气系统的流动阻力降低排气系统阻力，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，这样不仅可以减这样不仅可以减少残余废气系数，有利于提高充量系数，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，提高指而且可以减少泵气损失，提高指示效率。示效率。：。措施措施:a.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，使得气缸内的废气压力得以迅速下降，达到提高充量系气管内的压力差，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气损失的目的

57、。数和降低泵气损失的目的。b.选择良好的排气支管的流形，避免排气道内截面突变、急转弯和凸台，选择良好的排气支管的流形，避免排气道内截面突变、急转弯和凸台，有助于降低整个流通阻力；有助于降低整个流通阻力；c.在满足必要的消声效果要求下，应尽可能降低消声器的流通阻力。在满足必要的消声效果要求下，应尽可能降低消声器的流通阻力。72n( (一一) )降低进气系统的流动阻力降低进气系统的流动阻力n( (二二) )采用可变配气系统技术采用可变配气系统技术n( (三三) )合理利用进气谐振合理利用进气谐振n( (四四) )降低排气系统的阻力降低排气系统的阻力n( (五五) )减小对进气充量的加热减小对进气充

58、量的加热 73三、提高充量系数的措施三、提高充量系数的措施(五五)减少对进气充量的加热减少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会在进气的过程中，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。从而导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，还可能促致进气密度下降，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燃烧的发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行参数的影生。进气温升受到各种结构与运行参数的影响，如进气管结构、发动机转速、负荷、冷响，如进气管结构、发动机转速、负荷、冷却水温度。却水温度。74三、提高充量系

59、数的措施三、提高充量系数的措施(五五)减少对进气充量的加热减少对进气充量的加热措施措施: 尽量避免新鲜空气同高温零件接触。尽量避免新鲜空气同高温零件接触。 降低活塞顶及气门处的温度降低活塞顶及气门处的温度。（采用第一道环在水道内的热流型活塞）。（采用第一道环在水道内的热流型活塞），均采用，均采用进、排气管两侧布置进、排气管两侧布置 的方案，以的方案，以提高充量系数。对于提高充量系数。对于来说，由于需要进气加热来保证部分来说，由于需要进气加热来保证部分液态燃料在进气管中的蒸发。所以进气管与排气管布置在同一侧。液态燃料在进气管中的蒸发。所以进气管与排气管布置在同一侧。 对于对于，有时也采用进气冷却

60、技术，以降低进气温度。，有时也采用进气冷却技术，以降低进气温度。 组织燃烧扫气。组织燃烧扫气。 增压机进气中冷。增压机进气中冷。75第四节第四节 二冲程内燃机的换气二冲程内燃机的换气一、二冲程内燃机的换气过程一、二冲程内燃机的换气过程二冲程内燃机与四冲程内燃机同样具有进气、压缩、燃烧、膨胀和排气过程，二冲程内燃机与四冲程内燃机同样具有进气、压缩、燃烧、膨胀和排气过程，不同的是四冲程内燃机用两个活塞行程来完成，二冲程内燃机用一个活塞行不同的是四冲程内燃机用两个活塞行程来完成，二冲程内燃机用一个活塞行程来完成。其中差别最大的是程来完成。其中差别最大的是换气过程换气过程。在膨胀行程的末期，活塞下行。