第6章 换气过程及循环充量(2003版)

1、 本章研究换气过程的进行情况，分本章研究换气过程的进行情况，分析影响充量的各种因素、从中寻找减少析影响充量的各种因素、从中寻找减少换气损失、提高充气量的措施。换气损失、提高充气量的措施。： 四冲程发动机的换气过程；掌握充四冲程发动机的换气过程；掌握充量系数的概念和影响充量系数的因素以量系数的概念和影响充量系数的因素以及提高充量系数的措施。及提高充量系数的措施。汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 6.1 6.1 四冲程发动机的换气过程四冲程发动机的换气过程 四行程发动机的换气过程包括从排气门开启到

2、进气门关四行程发动机的换气过程包括从排气门开启到进气门关闭的整个时期，进、排气门都闭的整个时期，进、排气门都、约占约占410410490490曲轴转角。曲轴转角。换气过程换气过程排气排气进气进气汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 换气过程分为排气和进气两部分换气过程分为排气和进气两部分1.1.排气阶段排气阶段 1 1）自由排气阶段）自由排气阶段2 2）强制排气阶段）强制排气阶段 3 3）惯性排气阶段）惯性排气阶段 2.2.进气阶段进气阶段 1 1）准备进气阶段）准备进气阶段 2 2）正常进气阶段）正常进气阶段 3 3）惯性进气阶段）惯性进气阶段 汽

3、车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 1自由排气阶段自由排气阶段 排气门开启到气缸压力接近了排气门开启到气缸压力接近了排气管压力排气管压力的这一时期，称的这一时期，称为为自由排气阶段。自由排气阶段。 排气提前角排气提前角：从排气门开启到活塞行至下止点所对应的曲：从排气门开启到活塞行至下止点所对应的曲轴转角称为，一般为轴转角称为，一般为3030-80-80曲轴转角。曲轴转角。自由排气阶段自由排气阶段超临界状态超临界状态亚临界状态亚临界状态 （1 1）超临界状态）超临界状态 排气门开启时，气缸内废气压力较高（排气门开启时，气缸内废气压力较高（0.2-0.5

4、Mpa0.2-0.5Mpa），缸内压），缸内压力与排气管压力之比力与排气管压力之比1.8931.893，排气流动处于，排气流动处于超临界状态超临界状态，可利用，可利用废气自身的压力自行排出。废气自身的压力自行排出。 通过排气门口废气的流速等于该状态下的通过排气门口废气的流速等于该状态下的音速音速（m/sm/s）式中式中 K K绝热指数；绝热指数； T T气体的绝对温度；气体的绝对温度； R R气体常数气体常数N Nm/m/（kgkgK K）。KRTc 在超临界排气时期，在超临界排气时期，废气流量与排气管内压力废气流量与排气管内压力p pr r无关无关，只与气缸内的气体状态及气门开启截面积有关。

5、并且因排气只与气缸内的气体状态及气门开启截面积有关。并且因排气流速甚高，在排气过程中伴有刺耳的流速甚高，在排气过程中伴有刺耳的噪声噪声，所以排气系统必，所以排气系统必须装有消声器。须装有消声器。 排出的废气量决定于气缸内及排气管内的排出的废气量决定于气缸内及排气管内的压力差压力差。压力。压力差越大排出废气越多。当到某一时刻差越大排出废气越多。当到某一时刻气缸内与排气管内压力气缸内与排气管内压力相等，自由排气阶段结束相等，自由排气阶段结束（一般下止点后（一般下止点后1010-30-30曲轴转曲轴转角）。此阶段虽然历程很短，但因排气流速甚高，排出废气角）。此阶段虽然历程很短，但因排气流速甚高，排出

6、废气量达量达60%60%以上。以上。（2 2）亚临界状态）亚临界状态 缸内压力与排气管内压力之比下降到缸内压力与排气管内压力之比下降到1.8931.893以下时，排气以下时，排气流动转入流动转入亚临界状态亚临界状态，废气流速降低，产生的噪音较小。，废气流速降低，产生的噪音较小。 2 2强制排气阶段强制排气阶段：活塞上行强制推出废气。缸内平活塞上行强制推出废气。缸内平均压力高于排气管平均压力：克服排气门、排气道处均压力高于排气管平均压力：克服排气门、排气道处的阻力，一般高出的阻力，一般高出10kpa10kpa左右。气体的流速越高，此压左右。气体的流速越高，此压差越大，消耗的功越多差越大，消耗的功

7、越多。汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 3 3、惯性排气阶段、惯性排气阶段。在接近上止点附近，废气还有一定。在接近上止点附近，废气还有一定的流动能量，可利用气流的惯性进一步排除废气。的流动能量，可利用气流的惯性进一步排除废气。排排气迟闭角气迟闭角一般为一般为1010-35-35曲轴转角。曲轴转角。汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 2 2、进气阶段、进气阶段进气阶段分为三个阶段进气阶段分为三个阶段 ： 准备进气准备进气 正常进气正常进气 惯性进气惯性进气 正常进气正常进气 ：活塞从上止点下行，残余废气

8、膨胀，新鲜气体充入：活塞从上止点下行，残余废气膨胀，新鲜气体充入气缸。气缸。 准备进气准备进气、进气提前角进气提前角：从进气门开启到活塞行至上止点，一：从进气门开启到活塞行至上止点，一般为般为0 0-30-30曲轴转角。曲轴转角。 汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 惯性进气惯性进气、进气迟闭角进气迟闭角：活塞由下止点上行至气门完全关闭活塞由下止点上行至气门完全关闭阶段，阶段，一般为一般为4040-80-80曲轴转角。曲轴转角。 汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 3.3.气门重叠和燃烧室扫气气门重叠和

9、燃烧室扫气 非增压发动机中，非增压发动机中，重叠角一般为重叠角一般为 20206060曲轴转曲轴转角角。 增压柴油机重叠角增压柴油机重叠角一般为一般为 8080160160曲轴曲轴转角转角 汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 气门重叠作用气门重叠作用作用作用：由于进气管、气缸、排气管互相连通，可：由于进气管、气缸、排气管互相连通，可以利用气流的压差、惯性或进、排气管压力波的以利用气流的压差、惯性或进、排气管压力波的帮助，帮助，清除残余废气清除残余废气，增加进气量增加进气量，降低高温零降低高温零件的温度件的温度，但注意不应产生废气倒流现象。，但注意不

10、应产生废气倒流现象。汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 换气损失换气损失换气损失换气损失排气损失排气损失进气损失进气损失强制排气损失强制排气损失自由排气损失自由排气损失汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 换气损失换气损失 1.1.从排气从排气门提前打开，直到进门提前打开，直到进气行程开始，缸内压气行程开始，缸内压力到达大气压力前循力到达大气压力前循环功的损失环功的损失 自由排气损失（自由排气损失（W W） 强制排气损失强制

11、排气损失 (Y)(Y)汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 1.1.排气损失排气损失（1 1）（图（图中面积中面积 ），是由于排气），是由于排气门提前打开而引起的膨门提前打开而引起的膨胀功的减少。胀功的减少。（2 2）（图（图中面积中面积 ），是活塞上行），是活塞上行强制推出废气所消耗的强制推出废气所消耗的功。功。汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 随着随着排气提前角增大排气提前角增大，自由排气损失面积增加自由排气损失面积增加，强制强制排气损失面积减小排气损失面积减小，如图中，如图中b b曲线，如曲线，如

12、则则，如图中，如图中 曲线。所以曲线。所以最有利的排气提最有利的排气提前角应使面积（前角应使面积（W+YW+Y）之和最小）之和最小。减少排气损失的主要措施是：减少排气损失的主要措施是：减小排气系统阻力和排气门减小排气系统阻力和排气门处的流动损失。处的流动损失。 图图6.56.5汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 2 2进气损失进气损失 进气损失进气损失：因进气系：因进气系统的阻力而引起的功的损统的阻力而引起的功的损失。失。 排气损失排气损失与与进气损失进气损失之和称之和称换气损失换气损失，即图中，即图中面积面积( () )。在实际循环。在实际循环示

13、功图中把面积示功图中把面积( () )相相当的负功称为当的负功称为泵气损失泵气损失。这部分损失放在机械损失这部分损失放在机械损失中加以考虑。中加以考虑。汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 换气损失：换气损失： 实际循环中，为了使循环重复进行，必须更实际循环中，为了使循环重复进行，必须更换工质，由此而消耗的功称为换工质，由此而消耗的功称为换气损失换气损失（P114P114） 泵气损失：泵气损失： 因工质流动时需要克服进、排气系统阻力所因工质流动时需要克服进、排气系统阻力所消耗的功，称为消耗的功，称为泵气损失泵气损失（P114P114）汽车发动机原理汽

14、车发动机原理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 6.2 6.2 四冲程发动机的充量系数四冲程发动机的充量系数 充量系数充量系数的概念的概念(充量效率充量效率或或容积效率容积效率) 每缸每循环每缸每循环实际吸入实际吸入气缸的新鲜空气质量与气缸的新鲜空气质量与进气状态下进气状态下理论计算理论计算充满气缸工作容积的空气充满气缸工作容积的空气质量比值质量比值 s1sacVVmm其中：其中：是实际进入汽缸的新鲜空气在进气状态下的体积；是实际进入汽缸的新鲜空气在进气状态下的体积；是气缸工作容积是气缸工作容积汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量

15、充量系数充量系数是衡量不同发动机动力性能和进是衡量不同发动机动力性能和进气过程完善程度的重要指标。气过程完善程度的重要指标。 随着随着值值提高提高，发动机的，发动机的功率功率和和转矩转矩都得都得到到提高提高。汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 充量系数表达式的推导充量系数表达式的推导 进气门关闭时气缸容积为进气门关闭时气缸容积为 排气门关闭时缸内工质的质量排气门关闭时缸内工质的质量 此时缸内工质的质量此时缸内工质的质量 假定气缸排气门关闭时关闭点体积为假定气缸排气门关闭时关闭点体积为 sVcVasca)(VVmrVrrrVm （6-1）(6-2)（

16、用图（用图6.36.3分析）分析）汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 每循环充入气缸的新鲜混合气质量每循环充入气缸的新鲜混合气质量 rrasc1)(VVVm由空燃比的关系得由空燃比的关系得 ba1gmm 进入气缸的进入气缸的混合气混合气质量质量 令则则 10a0aa)1(mLLm0a0aa1LLK)(rrascasscVVVKV混合气的空气量比例系数混合气的空气量比例系数aK(6-3)汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 考虑到进、排气门迟闭考虑到进、排气门迟闭，令，令 scscVVVVcrVV则则 假定

17、残余废气与新鲜充量的气体常数近似相等，假定残余废气与新鲜充量的气体常数近似相等，应用气体状态方程式应用气体状态方程式 ，代入上式，得代入上式，得)() 1(racscacKRTp)(1rraacssscacTpTppTK(6-5)(6-4)汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 )(1rraacssscacTpTppTK式中，式中，p p、T T的下标的下标s s、aa、r r 分别代表大气和进、排气分别代表大气和进、排气门关闭时气缸内压力和温度的状态。门关闭时气缸内压力和温度的状态。 (6-5)残余废气系数残余废气系数 ： 进气过程结束时气缸内残余废

18、气量与进入汽缸中新鲜空进气过程结束时气缸内残余废气量与进入汽缸中新鲜空气量的比值。气量的比值。 代入代入 (6-5)(6-5)，得，得 11100aacccacTppTK（6-6）汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 ：混合气中空气与燃料之间的质量的比例。混合气中空气与燃料之间的质量的比例。一般用每克燃料燃烧时所消耗的空气的克数来表示。一般用每克燃料燃烧时所消耗的空气的克数来表示。 发动机工作时，燃料必须和吸进的空气成适当的比例发动机工作时，燃料必须和吸进的空气成适当的比例，才能形成可以燃烧的混合气，这就是，才能形成可以燃烧的混合气，这就是。混合气中

19、燃料质量与空气质量之比，是混合气中燃料质量与空气质量之比，是空燃比的倒数。空燃比的倒数。汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 从从理论上说，每克燃料完全燃烧所需的最少的空气理论上说，每克燃料完全燃烧所需的最少的空气克数，叫做克数，叫做。各种燃料的理论空燃比。各种燃料的理论空燃比是不相同的：汽油为是不相同的：汽油为14.714.7，柴油为，柴油为14.314.3。 空燃比大于理论值的混合气叫做空燃比大于理论值的混合气叫做，气多，气多油少燃烧完全，油耗低污染小，但功率较小。油少燃烧完全，油耗低污染小，但功率较小。 空燃比小于理论值的混合气叫做空燃比小于理

20、论值的混合气叫做，气少，气少油多燃烧不完全，功率较大，油耗高污染大。油多燃烧不完全，功率较大，油耗高污染大。 汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 汽油机的汽油机的在在时功率最大，在时功率最大，在时油耗最低，在时油耗最低，在左右污染物浓度最低。左右污染物浓度最低。因此，为了降低油耗和减少污染，因此，为了降低油耗和减少污染，应当尽应当尽量使用空燃比大的稀混合气量使用空燃比大的稀混合气，只在需要时，只在需要时才提供浓混合气。这种做法，叫做才提供浓混合气。这种做法，叫做，已为当今多数汽油发动机采用。，已为当今多数汽油发动机采用。 汽车发动机原理汽车发动机原

21、理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 a燃料燃烧时实际空气量与理论空气量之比值。燃料燃烧时实际空气量与理论空气量之比值。 1 1：为：为稀混合气稀混合气 1 1：为：为浓混合气浓混合气 0La理论空气量实际空气量aaa（5-39）汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 6.2.2 6.2.2 影响充量系数的因素影响充量系数的因素 1 1. .进气门关闭时缸内压力进气门关闭时缸内压力 2 2. .进气门关闭时缸内气体温度进气门关闭时缸内气体温度 3.3.残余废气系数残余废气系数 4.4.配气相位配气相位 5.5.压缩比压缩比 6 6、进

22、气状态、进气状态ap aT c汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 p ap aT1 1. .进气门关闭时缸内压力进气门关闭时缸内压力22avp2 2. .进气门关闭时缸内气体温度进气门关闭时缸内气体温度进气门关闭时缸内气体温度进气门关闭时缸内气体温度 , c caspppa进气门关闭时缸内压力进气门关闭时缸内压力 , ,c c（6-7）汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 3. 3.残余废气系数残余废气系数 残余废气系数残余废气系数是进气过程结束时气缸内是进气过程结束时气缸内残余废气量与进入气缸中新鲜空气

23、的比值。残余废气量与进入气缸中新鲜空气的比值。 汽缸中残余废气增多会恶化燃烧，汽缸中残余废气增多会恶化燃烧， c c 汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 4. 4.配气相位配气相位 配气相位是用曲轴转角表示的进、排配气相位是用曲轴转角表示的进、排气门的开启时刻和开启延续时间气门的开启时刻和开启延续时间。 选择适当的配气相位，可获得较高的选择适当的配气相位，可获得较高的充量系数充量系数c c。汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 5. 5.压缩比压缩比 压缩比压缩比 增加，余隙容积减小，残余废气的增加，余隙

24、容积减小，残余废气的相对量就随之减少相对量就随之减少, ,c ccc 6. 6.进气状态进气状态 进气温度进气温度 、进气压力、进气压力 变化一般对充量系数变化一般对充量系数 影响不大。影响不大。dTdpc汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 6.2.3 6.2.3 提高发动机充量系数提高发动机充量系数 措施措施 1.1.降低进气系统的阻力降低进气系统的阻力 进气系统：空气滤清器或加进气消声器、进气系统：空气滤清器或加进气消声器、喷油器、节气门、进气管、进气道和进气门等喷油器、节气门、进气管、进气道和进气门等组成。组成。 减少各段通道的阻力，增大其流

25、通能力，减少各段通道的阻力，增大其流通能力，是提高充量系数，改善发动机性能的主要途径。是提高充量系数，改善发动机性能的主要途径。c汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 提高发动机充量系数措施提高发动机充量系数措施 1.1.降低进气系统的阻力降低进气系统的阻力 进气马赫数进气马赫数是进气门处气流平均速度与该处声速之比是进气门处气流平均速度与该处声速之比 /mVM 进气门处气流平均速度进气门处气流平均速度 定义为实际进入气缸的新鲜空气定义为实际进入气缸的新鲜空气与与进气门有效时间截面值进气门有效时间截面值F F(t)(t)之比之比 mV)(scmtFVV

26、（6-8）1) 1)减少进气门处的流动损失减少进气门处的流动损失汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 ntFtttFtFcece61)()()(mmmm有效时间截面值有效时间截面值F F(t)(t)(6)(mcsmmcscemcetFnVtttFVM)()(m2mmcemcemCdDtFFCM（6-10）（6-11）马赫数马赫数（6-9）汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 当进气当进气马赫数马赫数M M 超过超过一定数值时，大约在一定数值时，大约在0.50.5左右，左右，c c 便便急剧下降急剧下降。M

27、M 是影响充量系数是影响充量系数c c 的重要参数。的重要参数。 增大气门相对通过面积，提高气门处流量系增大气门相对通过面积，提高气门处流量系数以及合理的配气相位是限制数以及合理的配气相位是限制M M 值，是提高充量值，是提高充量系数的主要方法。系数的主要方法。 增加气门的数目增加气门的数目 改进配气凸轮型线改进配气凸轮型线 改善气门处的流体动力性能，改善气门处的流体动力性能，汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 2)2)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 保证足够的流通面积，避免转弯及截面突变，改保证足够的流通

28、面积，避免转弯及截面突变，改善表面的光洁程度。善表面的光洁程度。 汽油机汽油机：燃料的雾化、蒸发、分配、压力波的利燃料的雾化、蒸发、分配、压力波的利用用 柴油机：柴油机：形成进气涡流形成进气涡流 注意：注意：高转速、大功率时，进气管宜短粗；高转速、大功率时，进气管宜短粗； 中、低速，进气管宜细长。中、低速，进气管宜细长。汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 在保证滤清效果的情况下，尽可能减小空气在保证滤清效果的情况下，尽可能减小空气滤清器的阻力。例如加大通过断面，改进滤清性滤清器的阻力。例如加大通过断面，改进滤清性能，制造低阻高效滤清器等。在使用中要

29、经常清能，制造低阻高效滤清器等。在使用中要经常清洗滤清器，特别要避免纸芯的油污堵塞，及时更洗滤清器，特别要避免纸芯的油污堵塞，及时更换滤芯等。换滤芯等。2 2）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汽车发动机原理汽车发动机原理第第6 6章章 换气过程与循环充量换气过程与循环充量 2 2. .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、进新鲜充量在吸入过程中，受到进气管、进气道、气门、活塞和汽缸壁等一系列受热零件气道、气门、活塞和汽缸壁等一系列受热零件的加热，引起温升。的加热，引起温升。 从结构方面来看，从结构方面来看，进排气管两侧分开布置进排气管两侧分开布置，可以可以减少或避免高温排气管对进气的加热减少或避免高温