柴油机换气过程

1、第四章第四章 换气机构与增压换气机构与增压第一节第一节 换气过程及换气质量评定参数换气过程及换气质量评定参数第二节第二节 换气机构换气机构第三节第三节 废气涡轮增压废气涡轮增压第四节第四节 废气涡轮增压器废气涡轮增压器第五节第五节 增压器故障与维护管理增压器故障与维护管理第一节第一节 柴油机的换气过程及换柴油机的换气过程及换气质量评定参数气质量评定参数一、气阀与气口的角面值和时面值一、气阀与气口的角面值和时面值二、四冲程柴油机的换气过程二、四冲程柴油机的换气过程三、二冲程柴油机的换气过程三、二冲程柴油机的换气过程四、评定换气过程质量的参数四、评定换气过程质量的参数一、气阀与气口的角面值和时面一

2、、气阀与气口的角面值和时面值值u换气过程的定义换气过程的定义u换气的意义换气的意义u评定换气过程好坏的标志评定换气过程好坏的标志 气阀与气口的角面值和时面值气阀与气口的角面值和时面值u四冲程柴油机气阀开启的流通面积四冲程柴油机气阀开启的流通面积u二冲程柴油机气阀开启的流通面积二冲程柴油机气阀开启的流通面积u角面值、时面值角面值、时面值u进、排气气流的流通能力进、排气气流的流通能力换气过程的定义换气过程的定义从排气过程、扫气过程到进气终止的整从排气过程、扫气过程到进气终止的整个气体更换过程。个气体更换过程。换气的意义换气的意义换气过程质量直接影响柴油机的动力性、换气过程质量直接影响柴油机的动力性

3、、经济性、可靠性及排气污染，是柴油机经济性、可靠性及排气污染，是柴油机工作优劣的先决条件。工作优劣的先决条件。评定换气过程好坏的标志评定换气过程好坏的标志 废气排除是否干净废气排除是否干净 新鲜空气充入量新鲜空气充入量 新鲜空气消耗量新鲜空气消耗量四冲程柴油机气阀开启的流通面积四冲程柴油机气阀开启的流通面积w在换气过程在换气过程中，中，气阀的气阀的开度是由配开度是由配气凸轮形线气凸轮形线控制控制而变化，而变化，其流通面积其流通面积fv是变化的。是变化的。二冲程柴油机气阀开启的流通面积二冲程柴油机气阀开启的流通面积iipinpiphlfsinsin=w在换气过程中，在换气过程中，气阀的气阀的开度

4、是由配气凸轮形线开度是由配气凸轮形线控制而变化，气口的流控制而变化，气口的流通面积由活塞运动决定通面积由活塞运动决定，他们的流通面积他们的流通面积fv或或fp也也是变化的。是变化的。角面值和角面值和时面值时面值w角面值：气阀或气口流通面积角面值：气阀或气口流通面积f f 的曲线与横坐标的曲线与横坐标 的所的所围的面积（流通面积曲线对曲柄转角的积分值），称为围的面积（流通面积曲线对曲柄转角的积分值），称为角面值。角面值。w时面值的定义时面值的定义：流通面积：流通面积f f与时间与时间t t所围的面积所围的面积 w当转速当转速n n不变时，即有不变时，即有w角面值不随柴油机转速的变化，而时面值则会

5、相应的变化（如角面值不随柴油机转速的变化，而时面值则会相应的变化（如转速升高，时面值减小）。转速升高，时面值减小）。fd30fdtnfdfdt进排气气流的流通能力（流量）进排气气流的流通能力（流量）tttfdtcfdtcdG000=Gw当流道前后的压力差为定值时，当流道前后的压力差为定值时，即流速即流速c为常数时，时面值越为常数时，时面值越大，流量越大；大，流量越大；w当流量为定值时，时面值越大，当流量为定值时，时面值越大，所需流速越小，即流道压力差所需流速越小，即流道压力差越小。越小。w结论：时面值表示了气阀与气结论：时面值表示了气阀与气口的流通能力。口的流通能力。n注意：柴油机在工作时，气

6、口、注意：柴油机在工作时，气口、气阀结炭，脏污，开度不足都会气阀结炭，脏污，开度不足都会引起时面值减小，柴油机工作性引起时面值减小，柴油机工作性能变差。能变差。二、四冲程柴油机的换气过程二、四冲程柴油机的换气过程换气过程：换气过程：自由排气阶段自由排气阶段强制排气阶段强制排气阶段进气阶段进气阶段气阀叠开和燃气阀叠开和燃烧室扫气烧室扫气四冲程柴油机的四冲程柴油机的定时图定时图自由排自由排气阶段气阶段I.排气阀排气阀在下止点前在下止点前3080打开，直到打开，直到下止点后下止点后气缸压力接近气缸压力接近排气管压力排气管压力为止。由于废气的排出是在压差的作用下排出，故为止。由于废气的排出是在压差的作

7、用下排出，故称为自由排气阶段。称为自由排气阶段。压差排气。压差排气。在此阶段根据气缸内外压差是在此阶段根据气缸内外压差是否超过临界值，可分为超临界阶段（排气管压力与气缸压力之否超过临界值，可分为超临界阶段（排气管压力与气缸压力之比小于临界值（比小于临界值（2/（k+1）k/（k-1）和亚临界阶段。）和亚临界阶段。 II.排气阀开启提前角要大，以便使排气阀在下止点的开度和下止排气阀开启提前角要大，以便使排气阀在下止点的开度和下止点前的时面值足够大。但也不能太大，点前的时面值足够大。但也不能太大，若太大将引起膨胀功的若太大将引起膨胀功的损失过多损失过多。III.自由排气一般在自由排气一般在BDC后

8、后1030A结束。结束。结束愈晚，下一阶段结束愈晚，下一阶段活塞排气消耗的功愈大活塞排气消耗的功愈大。IV.自由排气阶段虽然占整个排气时间的比例不大，但由于废气流自由排气阶段虽然占整个排气时间的比例不大，但由于废气流速很高，排出的废气量占可达速很高，排出的废气量占可达60%以上以上。强制排气阶段强制排气阶段从自由排气结束到排气阀关闭这一阶段从自由排气结束到排气阀关闭这一阶段n排气过程是由排气过程是由活塞的推挤活塞的推挤造成的，故称为强制排气造成的，故称为强制排气阶段。阶段。 n当活塞到达上止点后向下运行的初期，由于排气行当活塞到达上止点后向下运行的初期，由于排气行程中形成的高速排气流的程中形成

9、的高速排气流的惯性作用惯性作用下，废气继续排下，废气继续排出气缸，故称为惯性排气。出气缸，故称为惯性排气。 n因此排气阀在上止点后滞后关闭，一般排气迟闭角因此排气阀在上止点后滞后关闭，一般排气迟闭角为为1070(CA)。实现了过后排气，延长了排气时间，。实现了过后排气，延长了排气时间，增大了气阀的时面值，可使废气排得干净，排气功增大了气阀的时面值，可使废气排得干净，排气功减小，排气流的惯性得到充分利用。但过大的排气减小，排气流的惯性得到充分利用。但过大的排气迟闭角会导致废气倒流，最理想的关闭角是当废气迟闭角会导致废气倒流，最理想的关闭角是当废气从气缸流出的流动刚好停止时。从气缸流出的流动刚好停

10、止时。进气阶段进气阶段w从进气阀开启到进气阀关闭的阶段（活塞的抽吸从进气阀开启到进气阀关闭的阶段（活塞的抽吸+进进气气流的惯性）气气流的惯性）w进气提前开启角进气提前开启角(1040)和进气延后关闭角的目和进气延后关闭角的目的是为了尽力吸入新鲜空气。的是为了尽力吸入新鲜空气。进气提前开启角过大会造成废气倒灌进气提前开启角过大会造成废气倒灌进气提前开启角过小则影响进气；进气提前开启角过小则影响进气；进气延后关闭角过小会影响空气流动惯性而减小进气量，进气延后关闭角过小会影响空气流动惯性而减小进气量，进气延后关闭角过大则使新鲜空气倒流出气缸并使有效压进气延后关闭角过大则使新鲜空气倒流出气缸并使有效压

11、缩比减小。缩比减小。w实际进气时刻：是气缸内压力低于进气管压力时才实际进气时刻：是气缸内压力低于进气管压力时才真正进入气缸。非增压柴油机的实际进气时刻在上真正进入气缸。非增压柴油机的实际进气时刻在上止点后。止点后。气阀叠开和气阀叠开和燃烧室扫气燃烧室扫气w气阀重叠角的定义：在上止点前后，从进气阀开启到气阀重叠角的定义：在上止点前后，从进气阀开启到排气阀关闭这段时间进气阀和排气阀同时开启所对应排气阀关闭这段时间进气阀和排气阀同时开启所对应的曲轴转角称为气阀重叠角。一般非增压机为的曲轴转角称为气阀重叠角。一般非增压机为2050CA，增压机为，增压机为80140CAw燃烧室扫气：在气阀叠开期间新鲜空

12、气对燃烧室的清燃烧室扫气：在气阀叠开期间新鲜空气对燃烧室的清扫称为燃烧室扫气（一般只有增压四冲程柴油机才能扫称为燃烧室扫气（一般只有增压四冲程柴油机才能实现燃烧室扫气实现燃烧室扫气 ）意义：意义：n新鲜空气将燃烧室中残存的废气清扫到排气管新鲜空气将燃烧室中残存的废气清扫到排气管n新鲜冷空气对新鲜冷空气对燃烧室壁面进行冷却燃烧室壁面进行冷却三、二冲程柴油机的换气过程三、二冲程柴油机的换气过程扫气压力扫气压力pkpd-自由排气阶段自由排气阶段强制排气强制排气和扫气阶段和扫气阶段过后排气阶段过后排气阶段w二冲程柴油机换气的特点二冲程柴油机换气的特点以弯流扫气为例以弯流扫气为例二冲程柴油机换气的特点二

13、冲程柴油机换气的特点与四冲程机比较：与四冲程机比较：1)换气时间少（换气时间少（120150A）2)换气依靠压差进行，由于存在掺混、死角及短路，换气依靠压差进行，由于存在掺混、死角及短路，换气质量差换气质量差3)扫气耗功较多扫气耗功较多4)气缸容积利用率低（由于气缸下端开有气口）气缸容积利用率低（由于气缸下端开有气口）I.失效行程失效行程h：活塞在下止点位置时的活塞上平面到气口上：活塞在下止点位置时的活塞上平面到气口上边沿的距离。边沿的距离。II.行程失效系数行程失效系数 s：失效行程：失效行程h与活塞行程与活塞行程S之比，即之比，即shs= 自由排气阶段自由排气阶段（B-R） 从从排气口排气

14、口(阀阀)开启点开启点B起到缸内压力与起到缸内压力与扫气压力扫气压力pk相等的点相等的点R（进气开始点）（进气开始点）为止的这一阶段，叫做自由排气阶段。为止的这一阶段，叫做自由排气阶段。在此阶段中废气主要借缸内与排气管中在此阶段中废气主要借缸内与排气管中的压力差的压力差(p-pr)经排气口高速流入排气经排气口高速流入排气管。在此阶段根据气缸内外压差是否超管。在此阶段根据气缸内外压差是否超过临界值，也可分为超临界阶段和亚临过临界值，也可分为超临界阶段和亚临界阶段。界阶段。 强制排气和扫强制排气和扫气阶段气阶段(R-C) 从进气开始从进气开始R到活塞经下止点再上行而到活塞经下止点再上行而在在C点点

15、关闭扫气口关闭扫气口为止的阶段，叫做强为止的阶段，叫做强制排气和扫气阶段。制排气和扫气阶段。在此阶段主要靠新气与缸内废气的压力在此阶段主要靠新气与缸内废气的压力差，利用新气清扫废气，把废气从气缸差，利用新气清扫废气，把废气从气缸中强制排出。显然，在此阶段内新气与中强制排出。显然，在此阶段内新气与废气发生掺混，并有部分新气经排气口废气发生掺混，并有部分新气经排气口排出排出 过后排气阶段过后排气阶段(C-E) 从扫气口关闭的从扫气口关闭的C点到排气口关闭的点到排气口关闭的E点（压缩点（压缩开始点）为止的阶段，叫做开始点）为止的阶段，叫做过后过后排气阶段。排气阶段。在此阶段缸内的部分新气将经仍开启着

16、的排气在此阶段缸内的部分新气将经仍开启着的排气口排至排气管，因而这是一个损失新气阶段。口排至排气管，因而这是一个损失新气阶段。希望此阶段越短越好。希望此阶段越短越好。 若使它与进气口同时关闭或早于进气口关闭，若使它与进气口同时关闭或早于进气口关闭，则可避免过后排气损失或则可避免过后排气损失或实现过后充气实现过后充气。四、评定换气过程质量的参数四、评定换气过程质量的参数w残余废气系数残余废气系数 rn定义定义 n降低降低 r值的措施值的措施 w充量系数充量系数(充气效率充气效率) v n定义定义 n影响因素影响因素 w扫气效率扫气效率 s w扫气过量空气系数扫气过量空气系数 k w扫气系数扫气系

17、数 S w小结小结G0-换气结束后留在气缸内的新鲜空气量换气结束后留在气缸内的新鲜空气量；Gs-进气口环境条件下充满气缸工作容积进气口环境条件下充满气缸工作容积Vs的理论新鲜空气量的理论新鲜空气量；Gk-每一循环流过扫气口的新鲜空气量每一循环流过扫气口的新鲜空气量；Gr-留在气缸内的残余废气量留在气缸内的残余废气量作业作业定义定义 充气系数充气系数 v为换气结束后留在气缸内的新鲜空气为换气结束后留在气缸内的新鲜空气量量G0与在进气口环境条件与在进气口环境条件(对非增压四冲程柴油机为大气压力对非增压四冲程柴油机为大气压力p0，温度温度T0；对于二冲程柴油机为扫气箱扫气压力；对于二冲程柴油机为扫气

18、箱扫气压力ps，温度，温度Ts；对于增压柴油机；对于增压柴油机则为中间空气冷却器后的公共扫气箱压力则为中间空气冷却器后的公共扫气箱压力pk，温度，温度Ts)下充满气缸工下充满气缸工作容积作容积Vs的理论新鲜空气量的理论新鲜空气量Gs之比值，即：之比值，即：显然在大多情况下显然在大多情况下G0Gs，因而，因而 vl，只有在某些增压柴油机，只有在某些增压柴油机中，采用良好的增压技术达到中，采用良好的增压技术达到G0Gs，则，则 vl。四冲程柴油机的四冲程柴油机的 v大于二冲程；四冲程增压柴油机的大于二冲程；四冲程增压柴油机的 v大于非增压；二冲程柴油机中直流扫气的大于非增压；二冲程柴油机中直流扫气

19、的 v最大。最大。()()rassarassasasssaaarsrarrasssvTTppTTppVVRTVpRTVpGGGGGGVVVVGG+111=+11=+11=+1=+1=+=0000000-影响因素影响因素 1.柴油机构造：柴油机构造：1)主要有进、排气通道的形状，表面状况，通流截面的大小：要使主要有进、排气通道的形状，表面状况，通流截面的大小：要使进、排气通道畅通，流阻下降，排气背压较低，残余废气减少，进、排气通道畅通，流阻下降，排气背压较低，残余废气减少，可使可使 v提高。为此，应选择合理的气口形状和尽可能大的进、排提高。为此，应选择合理的气口形状和尽可能大的进、排气阀直径。气

20、阀直径。2)S/D是柴油机的一个重要结构参数。是柴油机的一个重要结构参数。I.对不同机型的比较：若对不同机型的比较：若S/D=常数，则随着常数，则随着S与与D的增加，气缸的相对散的增加，气缸的相对散热面积热面积F/V下降，则新气进入气缸后与缸壁的热交换减弱，温升减小，下降，则新气进入气缸后与缸壁的热交换减弱，温升减小，有利于提高有利于提高 v，为此，为此中、大型柴油机的中、大型柴油机的 v较高较高。II.当当Vs一定而一定而S/D增加时，相应地增加时，相应地S增加或增加或D减少，则减少，则F/V增加、热交换强增加、热交换强烈烈(传热路径加长传热路径加长)，残余废气增加，则，残余废气增加，则 v

21、下降，下降，对目前发展中的长行对目前发展中的长行程柴油机不利程柴油机不利。w运转条件：运转条件：I.转速对转速对 v(n2)影响极大，一般存在一个使影响极大，一般存在一个使 v 最大的最佳转速。最大的最佳转速。II.柴油机负荷增加后，使缸壁温度升高，则柴油机负荷增加后，使缸壁温度升高，则 v下降。下降。III.气缸活塞的冷却条件改变时，也将使气缸活塞的冷却条件改变时，也将使 v变化。变化。w运转管理质量：促使运转管理质量：促使 v下降的原因下降的原因w v / /f2当进、排气道及设备污染、阻塞、积炭严重，会使进气阻当进、排气道及设备污染、阻塞、积炭严重，会使进气阻力系数力系数增加，流通面积增

22、加，流通面积f下降下降w进气温度上升进气温度上升2.气阀定时的改变或调整不当时也将影响气阀定时的改变或调整不当时也将影响 v 定义定义 w残余废气系数残余废气系数 r 为换气结束后留在气缸内的为换气结束后留在气缸内的残余废气量残余废气量Gr与换气结束后留在气缸内的新与换气结束后留在气缸内的新鲜空气量鲜空气量G0之比值，即：之比值，即：w四冲程柴油机决定四冲程柴油机决定 r的主要因素是燃烧室扫气的主要因素是燃烧室扫气过程，扫气过程进行得越好，废气清除得越过程，扫气过程进行得越好，废气清除得越干净，则干净，则 r 越小。越小。w通常增压柴油机的通常增压柴油机的 r值在值在00.15之间。四冲程之间

23、。四冲程增压柴油机的增压柴油机的 r值最小，甚至为值最小，甚至为0，二冲程回，二冲程回流扫气流扫气 r值较大。值较大。0=GGrr降低降低 r值的措施值的措施 改善气道形状改善气道形状改变扫气形式改变扫气形式清洁扫、排气口及其通道，降低排气背压清洁扫、排气口及其通道，降低排气背压使排气通畅使排气通畅加大进、排气阀重叠角，采用燃烧室扫气加大进、排气阀重叠角，采用燃烧室扫气(此时有新气流失此时有新气流失)。提前打开排气阀提前打开排气阀(有膨胀功损失有膨胀功损失)扫气效率扫气效率 s 扫气效率扫气效率 s是指扫气结束后留在气缸中的新鲜空气量是指扫气结束后留在气缸中的新鲜空气量G0与气缸内全部与气缸内

24、全部气体量气体量Ga之比。之比。扫气效率扫气效率 s 与残余废气系数与残余废气系数 r的关系，由于的关系，由于Ga= G0+Gr扫气效率扫气效率 s 是衡量扫气效果好坏的重要标志，也表示换气结束时是衡量扫气效果好坏的重要标志，也表示换气结束时气缸气缸内新鲜空气的浓度内新鲜空气的浓度(或干净程度或干净程度)，主要用于二冲程柴油机。，主要用于二冲程柴油机。 s 越大，越大，扫气效果越好。一般情况下扫气效果越好。一般情况下 s 小于小于1，在理想情况下，当在理想情况下，当 r =0时，时， s =1。 s 值最大为值最大为1。 rasGG+11=0扫气过量空气系数扫气过量空气系数 k又称给气比又称给气比扫气过量空气系数扫气过量空气系数 k 表示每一循环流表示每一循环流过扫气口的新鲜空气量过扫气口的新鲜空气量Gk(kg)与在进气与在进气状态下充满气缸工作容积的理论空气量状态下充满气缸工作容积的理论空气量Gs(kg)之比。即：之比。即：显然，扫气过量空气