第二章 发动机的换气过程

1、- 换气过程换气过程排气过程排气过程进气过程进气过程 减少换气损失减少换气损失方向与措施方向与措施/ 研究的内容研究的内容换气过程的进行情况换气过程的进行情况 分析影响充气量的各种因素分析影响充气量的各种因素 提高充气量提高充气量找出找出. 换气过程的任务换气过程的任务 排净缸内废气排净缸内废气吸足新鲜充量吸足新鲜充量尽可能小的换气损失尽可能小的换气损失第一节第一节 四冲程发动机的换气过程四冲程发动机的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 进气过程进气过程 燃烧室扫气燃烧室扫气 排气损失排气损失进气损失进气损失 下止点下止点上止点上止点一、换气过程一、换气过程 u 四冲程

2、发动机的换气过程包括从四冲程发动机的换气过程包括从的全过程，的全过程， 约占约占410480CA。 u 换气过程可分为换气过程可分为4个阶段个阶段 。四冲程发动机换气过程的典型曲线四冲程发动机换气过程的典型曲线kPa1、自由排气阶段、自由排气阶段自由排气阶段：从排气门打开到气缸压力自由排气阶段：从排气门打开到气缸压力p接近于排气管压力接近于排气管压力pr的这个时期。的这个时期。 kPa1、自由排气阶段、自由排气阶段自由排气阶段：从排气门打开到气缸压力自由排气阶段：从排气门打开到气缸压力p接近于排气管压力接近于排气管压力pr的这个时期。的这个时期。 排气提前角：排气提前角：BBDC3080CA。

3、 自由排气阶段废气的流动状态分为自由排气阶段废气的流动状态分为超临界超临界状态流动状态流动和和亚临界状态流动亚临界状态流动四冲程发动机换气过程的典型曲线四冲程发动机换气过程的典型曲线kPa超临界状态四冲程发动机换气过程的典型曲线四冲程发动机换气过程的典型曲线kPa（1）超临界状态流动）超临界状态流动 排气门刚开启时气缸内废气压力还很高，缸内压力排气门刚开启时气缸内废气压力还很高，缸内压力与排气管压力之比大于临界值与排气管压力之比大于临界值1.9，排气的流动处于超临，排气的流动处于超临界状态。界状态。 在超临界排气阶段，废气流量与排气管压力无关，在超临界排气阶段，废气流量与排气管压力无关，只取决

4、于气缸内的只取决于气缸内的气体状态气体状态和气门和气门最小开启截面最小开启截面。（2）亚临界状态流动）亚临界状态流动 随着废气大量流出，缸内压力迅速下降，废气流速小随着废气大量流出，缸内压力迅速下降，废气流速小于当地声速，排气的流动就转入亚临界状态。于当地声速，排气的流动就转入亚临界状态。 废气流量取决于气缸内和排气管内的压力差。废气流量取决于气缸内和排气管内的压力差。p/pr=1.9强制排气阶段：从缸内压力接近于排气管压强制排气阶段：从缸内压力接近于排气管压力到排气门关闭。力到排气门关闭。缸内平均压力缸内平均压力略高于略高于排气管平均压力。气流排气管平均压力。气流速度越高，压力差越大，克服排

5、气系统阻力速度越高，压力差越大，克服排气系统阻力所消耗的功越多。所消耗的功越多。排气迟闭角：排气迟闭角：ATDC1035CA。 （2）强制排气阶段）强制排气阶段ATDC1035CA进气过程：从进气门打开到进气门关闭。进气过程：从进气门打开到进气门关闭。进气提前角一般为进气提前角一般为BTDC 040CA进气迟闭角一般为进气迟闭角一般为ABDC 4070CA（3）进气过程）进气过程ABDC 4070CA（3）进气过程）进气过程BTDC 040CA气门重叠：进、排气门同气门重叠：进、排气门同时开启。时开启。气门重叠角：进、排气门气门重叠角：进、排气门同时开启时对应的曲轴转同时开启时对应的曲轴转角，

6、它是排气门迟闭角与角，它是排气门迟闭角与进气提前角之和。进气提前角之和。（4）燃烧室扫气）燃烧室扫气非增压发动机：非增压发动机：2060CA增压发动机：增压发动机： 80160CA 燃烧室扫气的作用燃烧室扫气的作用 ： 利用新鲜充量来帮助清除废气利用新鲜充量来帮助清除废气 降低燃烧室热区零件的温度降低燃烧室热区零件的温度 避碰坑避碰坑换换气气损损失失二、换气损失二、换气损失泵气损失泵气损失提前排气损失提前排气损失泵气损失：工质流动时需要克服的进、排气系统泵气损失：工质流动时需要克服的进、排气系统 阻力所消耗的功。阻力所消耗的功。 提前排气损失：因排气门在下止点前提前开启提前排气损失：因排气门在

7、下止点前提前开启 而产生的损失而产生的损失 。（自由排气损失）。（自由排气损失）uWWrrWW回忆回忆u换换气气损损失失排气排气损失损失进气进气损失损失X自由自由排气损失排气损失强制强制排气损失排气损失 YW排开排开排关排关进关进关1 1、排气损失、排气损失定义定义: :从排气门提前开启从排气门提前开启，直到进气过程开始，直到进气过程开始，缸缸内压力到达大气压力前内压力到达大气压力前 循环功的损失。循环功的损失。构成构成: : a. a.自由排气损失自由排气损失W W： 由于排气门提前打开由于排气门提前打开而引起的膨胀功的减少。而引起的膨胀功的减少。 b.b.强制排气损失强制排气损失Y Y：

8、活塞将废气推出所消活塞将废气推出所消耗的功。耗的功。排开排开排关排关 减少排气损失的主要方法：减少排气损失的主要方法：减小排气系统阻力减小排气系统阻力减小排气门处的流动损失减小排气门处的流动损失 最有利的排气提前角应使面积（最有利的排气提前角应使面积（W+Y）之）之和最小。和最小。 排气门截面小时，为减少排气损失，应适当排气门截面小时，为减少排气损失，应适当加大排气提前角。加大排气提前角。定义：定义：由于进气系统阻力的存在，使进气过程气缸由于进气系统阻力的存在，使进气过程气缸压力低于进气管压力而造成的损失压力低于进气管压力而造成的损失 。 2、进气损失、进气损失A换气损失：换气损失：( W+X

9、+Y )A泵气损失：泵气损失：(X+Y-u)增压发动机与非增压发动机换气损失对比增压发动机与非增压发动机换气损失对比换气损失：换气损失：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差。换气功之差。第二节第二节 四冲程发动机的充量系数四冲程发动机的充量系数p充量系数充量系数c进气终了状态压力进气终了状态压力pa进气终了状态温度进气终了状态温度Ta残余废气系数残余废气系数r配气相位配气相位压缩比压缩比进气状态进气状态 ps 、Tsp影响充量系数的因素影响充量系数的因素一、充量系数一、充量系数c定义定义：实际进入气缸的实际进入气缸的与与 进气状态下进气状态下 充满气缸工作容积的充满气缸工

10、作容积的的比值。的比值。sscVVmm11m1实际进入气缸的新鲜充量的质量；实际进入气缸的新鲜充量的质量；V1实际进入气缸的新鲜充量的体积；实际进入气缸的新鲜充量的体积；ms进气状态下充满气缸工作容积的新鲜充量的质量；进气状态下充满气缸工作容积的新鲜充量的质量；Vs进气状态下充满气缸工作容积的新鲜充量的体积。进气状态下充满气缸工作容积的新鲜充量的体积。充气效率或容积效率充气效率或容积效率柴油机：柴油机：0.90.75c汽油机汽油机：0.850.7c sscVVmm11m1实际进入气缸的新鲜充量的质量；实际进入气缸的新鲜充量的质量；V1实际进入气缸的新鲜充量的体积；实际进入气缸的新鲜充量的体积；

11、ms进气状态下充满气缸工作容积的新鲜充量的质量；进气状态下充满气缸工作容积的新鲜充量的质量；Vs进气状态下充满气缸工作容积的新鲜充量的体积。进气状态下充满气缸工作容积的新鲜充量的体积。二、充量系数二、充量系数 的表达式的表达式c排开排开排关排关进关进关二、充量系数二、充量系数 的表达式的表达式c1）进气门关闭时，缸内气体总质量）进气门关闭时，缸内气体总质量2）排气门关闭时，缸内残余废气的质量）排气门关闭时，缸内残余废气的质量3）充入气缸的新鲜充量的质量）充入气缸的新鲜充量的质量 ascaVVm)(进气终了时：进气终了时：进气状态下：进气状态下：aaaTp、sssTp、rrrVmrammm14）

12、残余废气系数）残余废气系数r1mmrr1)1 (mrma5）充量系数表达式）充量系数表达式ssascsascVVVrmmrmm)(11111assacccTTppr111进气终了状态压力进气终了状态压力pa进气终了状态温度进气终了状态温度Ta残余废气系数残余废气系数r配气相位配气相位压缩比压缩比进气状态进气状态 ps 、Ts影响充量影响充量系数的因素系数的因素c三、影响充量系数三、影响充量系数 的因素的因素c 1进气终了时的压力进气终了时的压力pa pa对对 有重要影响，有重要影响，pa愈高，愈高， 值愈大值愈大 pa气体流动时，克服进气系统阻力而引气体流动时，克服进气系统阻力而引起起 的压降

13、。的压降。 ccasappp 由流体力学可知：由流体力学可知： 式中式中 管道阻力系数；管道阻力系数； 进气状态下气体的密度；进气状态下气体的密度； v 管道内气体的流速。管道内气体的流速。 可见，可见，pa主要取决于各段管道的阻力系数和气体流主要取决于各段管道的阻力系数和气体流速。若速。若 大、大、 v 高时，高时，pa增加，使增加，使pa下降，下降， 减小。减小。22vpac转速和负荷对转速和负荷对 pa 的影响的影响1）转速转速 n增加，增加，v增大，增大，pa降低。降低。2）负荷负荷 汽油机：当节气门关小时，节流损失增加，引汽油机：当节气门关小时，节流损失增加，引起起 pa下降下降,

14、且且pa随转速的增加而下降的愈快，即曲随转速的增加而下降的愈快，即曲线变化愈陡。线变化愈陡。 柴油机：负荷调节为柴油机：负荷调节为“质调节质调节”，负荷减小时，负荷减小时pa变化很小。变化很小。22vpa 2进气终了时的温度进气终了时的温度Ta 进气终了时的温度进气终了时的温度Ta越高，充量系数越高，充量系数 越小。越小。 进气终了时的温度进气终了时的温度Ta高于进气状态温度高于进气状态温度Ts 。引起引起Ta升高的升高的原因原因: 1）新鲜工质进入发动机与高温零件接触而）新鲜工质进入发动机与高温零件接触而 被加热。被加热。 2）新鲜工质与高温残余废气混合而被加热。）新鲜工质与高温残余废气混合

15、而被加热。c 转速和负荷对转速和负荷对Ta 的影响的影响 1）转速）转速 当负荷不变而转速增加时，由于新鲜工质与缸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，所以壁等接触时间短，传热量少，所以Ta稍有下降。稍有下降。 2）负荷）负荷 当转速不变而增加发动机负荷时，缸壁等零件当转速不变而增加发动机负荷时，缸壁等零件温度升高，温度升高，Ta有所上升。有所上升。3.残余废气系数残余废气系数r 1）r 增加，增加， c降低，燃烧恶化，油耗、排放增降低，燃烧恶化，油耗、排放增加；加； 2）压缩比提高，）压缩比提高，r 减小；减小； 3) 进、排气门的叠开角越大，进、排气门的叠开角越

16、大，r 越小。越小。 一般，柴油机的一般，柴油机的 r 比汽油机要低。比汽油机要低。 由于进气门迟闭由于进气门迟闭 1 ,新鲜充量的容积减小新鲜充量的容积减小,但但pa值却可能因有气流惯性而使进气有所增加值却可能因有气流惯性而使进气有所增加,合适的配合适的配气相位应考虑气相位应考虑 pa具有最大值。具有最大值。6. 进气状态进气状态Ts、ps压力对压力对c影响不大。影响不大。5. 压缩比压缩比 压缩比增加压缩比增加, ,余隙容积减小余隙容积减小, ,残余废气量随之减小残余废气量随之减小, ,因而因而c c有所增加。有所增加。4. 配气相位配气相位scscVVVV第三节第三节 提高发动机充量系数

17、的措施提高发动机充量系数的措施措施措施降低进气系统的阻力降低进气系统的阻力减少对进气充量的加热减少对进气充量的加热降低排气系统的阻力降低排气系统的阻力合理选择配气相位合理选择配气相位谐振进气与可变进气支管谐振进气与可变进气支管一、降低进气系统的流动阻力一、降低进气系统的流动阻力u 发动机的进气系统是由空气滤清器、进气发动机的进气系统是由空气滤清器、进气管、进气道和管、进气道和 等组成。等组成。u 减少各段通道的阻力，增大其流通能力，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是提高充量系数，改善发动机性能的主要途径。途径。1减少进气门处的流动损失减少进气门处的流动损

18、失（1）进气马赫数）进气马赫数M 进气马赫数进气马赫数M是进气门处气流平均速度是进气门处气流平均速度vm与与该处音速该处音速a之比，即之比，即M=vm/ a 。 M是决定气流流动性质，影响充量系数的重是决定气流流动性质，影响充量系数的重要参数。要参数。 M0.5左右，左右， 急剧下降。急剧下降。c（2）减小气门处流动损失）减小气门处流动损失措措 施施增大进气门直径增大进气门直径增加进气门数目增加进气门数目改善气门处流体改善气门处流体动力性能动力性能改进配气凸轮型线改进配气凸轮型线适当增加气门升程适当增加气门升程 由于进气过程的重要性，一般应尽可能布置由于进气过程的重要性，一般应尽可能布置较大尺

19、寸的进气门，以降低流经进气门截面时的较大尺寸的进气门，以降低流经进气门截面时的气体流速，从而降低流动阻力气体流速，从而降低流动阻力。 目前在目前在2气门结构中，进气门直径气门结构中，进气门直径d与缸径与缸径D的的比值可达比值可达45%50%。面积比为。面积比为0.20.25，这样排，这样排气门不得不缩小，但过小的排气门又会导致排气气门不得不缩小，但过小的排气门又会导致排气阻力的增大。阻力的增大。 1) 增大进气门直径增大进气门直径通过增大进气门直径的方式来提高充量系数，通过增大进气门直径的方式来提高充量系数，是受到限制的。是受到限制的。 2)增加进气门数目增加进气门数目 增加增加进气门数进气门

20、数，可以增大进气门的有效流，可以增大进气门的有效流通截面积。通截面积。 3)改善气门处的流体动力性能改善气门处的流体动力性能 4)改进配气凸轮型线，适当增加气门升程改进配气凸轮型线，适当增加气门升程 在惯性力容许条件下，使气门开闭得尽可在惯性力容许条件下，使气门开闭得尽可能快，从而提高气门处的通过能力。能快，从而提高气门处的通过能力。 适当加大气门杆身与头部的适当加大气门杆身与头部的过渡圆弧过渡圆弧，减，减小气门座密封面的宽度等。小气门座密封面的宽度等。1)进气道、进气管：进气道、进气管：保证足够的流通面积，保证足够的流通面积，避免急转弯及截面突变，改善表面的光洁避免急转弯及截面突变，改善表面的光洁程度。程度。2)空气滤清器：空气滤清器：在保证滤清效果的前提下，在