第二章发动机的换气过程

1、 究竟究竟 进气过程有多少空气进入气缸进气过程有多少空气进入气缸 ？ 如何评价如何评价 ？ 分析影响因素分析影响因素 及改善方法及改善方法 研究的基本思路 第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程深入研究换气过程的进行情况深入研究换气过程的进行情况 减少换气损失减少换气损失 提高充气量提高充气量方向与措施方向与措施。找出找出引入冲量系数引入冲量系数 的概念的概念 c建立建立 数学数学 模型模型 c 燃烧是做功之本。燃烧是做功之本。 燃烧需要空气与燃料。燃烧需要空气与燃料。 燃料受机械控制，容易加入。而汽缸容积就燃料受机械控制，容易加入。而汽缸容积就那么大，要想多加空气就要困难得多。那么大

2、，要想多加空气就要困难得多。 因此，对发动机换气过程的研究就显得尤因此，对发动机换气过程的研究就显得尤为重要了。为重要了。换气过程有多重要换气过程有多重要 ？ 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换气过程的任务换气过程的任务 排除废气排除废气充入尽可能多的新鲜工质充入尽可能多的新鲜工质 60%缸内压力缸内压力 占占410480曲轴转角曲轴转角3080换气过程简述换气过程简述 压力压力 曲轴转角曲轴转角 1自由排气阶段自由排气阶段 排气门开启到排气门开启到气缸压力接近了排气管压力气缸压力接近了排气管压力的这一时期，的这一时期，称为自由排气阶段。称为自由排气阶段。 排气提前角

3、：从排气门开启到活塞行至下止点所对应排气提前角：从排气门开启到活塞行至下止点所对应的曲轴转角称为，一般为的曲轴转角称为，一般为3080曲轴转角。曲轴转角。 以气流速度以气流速度把自由排气阶段分为把自由排气阶段分为 超临界状态超临界状态亚临界状态亚临界状态 （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（0.20.5Mpa），），缸内压力与排气管压力之比缸内压力与排气管压力之比1.9，排气流动处于，排气流动处于超临界超临界状态状态，可利用废气自身的压力自行排出，可利用废气自身的压力自行排出。 排出的废气量决定于气缸内及排气管内的压力差。排出的废气

4、量决定于气缸内及排气管内的压力差。压力压力差越大排出废气越多。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当到某一时刻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（一般下止点后下止点后1030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，排出废气量达量达60%以上。以上。（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1.9以下时，排气流动以下时，排气流动转入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强制

5、排气阶段：强制排气阶段：活塞上行强制推出废气活塞上行强制推出废气。 缸内缸内平均压力高于排气管平均压力平均压力高于排气管平均压力：克服排气门、：克服排气门、排气道处的阻力，一般高出排气道处的阻力，一般高出10kpa左右。气体的流速越左右。气体的流速越高，此压差越大，消耗的功越多。高，此压差越大，消耗的功越多。惯性排气。排气迟闭角，一般为惯性排气。排气迟闭角，一般为1035曲轴转角。曲轴转角。 正常进气正常进气 ：活塞下行残余废气膨胀，新鲜气体充入：活塞下行残余废气膨胀，新鲜气体充入气缸。气缸。惯性进气。进气迟闭角：一般为惯性进气。进气迟闭角：一般为4070曲轴转角。曲轴转角。 准备进气。进气提

6、前角：一般为准备进气。进气提前角：一般为030曲轴转角曲轴转角 3、进气过程、进气过程 上止点上止点 进排气相位图进排气相位图 4.气门叠开气门叠开 ：进、排气门同时开启：进、排气门同时开启 作用：由于作用：由于进气管、气进气管、气缸、排气管互相连通缸、排气管互相连通，可以利用气流的压差、惯性或可以利用气流的压差、惯性或进、排气管压力波的帮助，清进、排气管压力波的帮助，清除残余废气，增加进气量，降除残余废气，增加进气量，降低高温零件的温度，但注意不低高温零件的温度，但注意不应产生废气倒流现象。应产生废气倒流现象。 叠开角：进、排气门同叠开角：进、排气门同时开启时对应的曲轴转角，时开启时对应的曲

7、轴转角，一般为一般为2080曲轴转角。曲轴转角。在增压发动机可达在增压发动机可达80160的曲轴转角。因其进气压的曲轴转角。因其进气压力高。力高。 工作过程动画工作过程动画 1. 排气损失排气损失 排气损失是从排气门提排气损失是从排气门提前打开，直到进气行程开始，前打开，直到进气行程开始，气缸内压力到达大气压力之气缸内压力到达大气压力之前，循环功的损失。前，循环功的损失。 （1）自由排气损失（图中）自由排气损失（图中面积面积W），是由于排气门提），是由于排气门提前打开而引起的膨胀功的减前打开而引起的膨胀功的减少。少。 （2）强制排气损失（图）强制排气损失（图中面积中面积Y），是活塞上行强），是

8、活塞上行强制推出废气所消耗的功。制推出废气所消耗的功。 xy 二、换气损失二、换气损失 （排气损失排气损失和进气损失和进气损失） 减少排气损失减少排气损失的主要措施是：的主要措施是：减小排气系统阻减小排气系统阻力和排气门处的力和排气门处的流动损失流动损失。 随着排气提前角增大，自由排气损失面积随着排气提前角增大，自由排气损失面积增加，强制排气损失面积减小，如图中增加，强制排气损失面积减小，如图中b曲线，曲线，如排气提前角减少则强制排气损失面积增加，如排气提前角减少则强制排气损失面积增加，如图中如图中c曲线。所以最有利的排气提前角应使曲线。所以最有利的排气提前角应使面面积（积（W+Y）之和最小）

9、之和最小。 进气损失：因进气系进气损失：因进气系统的阻力而引起的功的统的阻力而引起的功的损失。损失。 排气损失与进气损排气损失与进气损失之和称失之和称换气损失换气损失，即，即面积面积(W+X+Y)。在实际。在实际循 环 示 功 图 中 把 面 积循 环 示 功 图 中 把 面 积(x+y-d)相当的负功称为相当的负功称为泵气损失。泵气损失。这部分损失这部分损失放在机械损失中加以考放在机械损失中加以考虑虑。 2进气损失进气损失 第二节第二节 四行程发动机的充量系数四行程发动机的充量系数 究竟究竟 进气过程有多少空气进入气缸进气过程有多少空气进入气缸 ？ 如何评价如何评价 ？ 建立数学模型建立数学

10、模型 分析影响因素分析影响因素 及改善方法及改善方法 基本思路 VrVcVsVs究竟究竟 进气过程有多少空气进入气缸进气过程有多少空气进入气缸 ？ 排气门关闭排气门关闭 进气门关闭进气门关闭 PrTrrTaaP a进气状态下 工质密度工质密度压力压力 温度 空气能否把它完全充满空气？空气能否把它完全充满空气？气缸的总容积？气缸的总容积？Vc+Vs究竟跟那些因素有关究竟跟那些因素有关 ？把废气排干净把废气排干净 ！气门的开关时刻气门的开关时刻 ！ 气体的状态气体的状态 ！ 气流惯性！等气流惯性！等 pRTT气体的绝对温度；气体的绝对温度； R气体常数气体常数Nm/（kgK）满足气体状态方程满足气

11、体状态方程 一、冲量系数一、冲量系数 （冲量效率或容积效率）（冲量效率或容积效率） 充气效率是充气效率是实际的进入气缸的新鲜空气质量与进实际的进入气缸的新鲜空气质量与进气状态下理论计算充满气缸工作容积的空气质量的比气状态下理论计算充满气缸工作容积的空气质量的比值值.式中式中 ma、V1实际进入气缸的新鲜空气的质量、体实际进入气缸的新鲜空气的质量、体积（积（进气状态进气状态）；）； ms 、Vs 进气状态下进气状态下充满工作容积的空气质量、充满工作容积的空气质量、气缸工作容积。气缸工作容积。 ca1cssmV=mV 为了对发动机的进气状况为了对发动机的进气状况进行评价，我们引入冲量系数进行评价，

12、我们引入冲量系数 arscscarakTp -1p p(-)T TCVrVcVsVs经推导得经推导得 式中式中 ：Ka为混合气的空气量比例系数，与混合气浓度有关为混合气的空气量比例系数，与混合气浓度有关 Vc+VsVc+Vs=VrVcPrTrrTaaP a 为进气门迟关比率为进气门迟关比率 为排气门迟关比率为排气门迟关比率 气体状态参数气体状态参数 P T Ps、Ts为大气压力为大气压力 、温度、温度 二、影响充气效率的因素二、影响充气效率的因素 ram m=Vr rka(Vc+Vs) a-Vr r=残余废气系数残余废气系数 VrVcVsVsTaaP a PrTrr气缸内残余废气量气缸内残余废

13、气量 进入气缸中新鲜空气量进入气缸中新鲜空气量 引入引入 影响充气效率的因素影响充气效率的因素 1进气终了时的压力进气终了时的压力Pa 而而 Pa =PsPa 式中，式中，pa为气体流动时，克服进气系统阻力而引起的为气体流动时，克服进气系统阻力而引起的压降压降(kPa)。一般可写成。一般可写成 式中式中 可见，可见，pa主要取决于各段管道的阻力系数和气体流速。若主要取决于各段管道的阻力系数和气体流速。若大、大、v高时，高时，pa增加，使增加，使pa下降。下降。arscscarakTp -1p p(-)T TCcc Pa 对 有重要影响，有重要影响，Pa愈高，愈高， 值愈大值愈大22vpa 管道

14、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； 管道内气体的流速（管道内气体的流速（m/s）。）。V转速和负荷对进气压力的影响转速和负荷对进气压力的影响2）负荷）负荷:1）转速）转速:当节气门位置一定时，当节气门位置一定时，n增加，增加，Pa降低。降低。Pa =PsPa 汽油机：当节气门关小时，节流损失增加，引起汽油机：当节气门关小时，节流损失增加，引起Pa下降。下降。 且且Pa 随转速的增加而下降的愈快，即曲线变化愈陡。随转速的增加而下降的愈快，即曲线变化愈陡。对于汽油机，对应不同的节气门开度；对柴油机，则对应油量调节齿杆位置。对于汽油机，对应不同的节气门开度；对柴油

15、机，则对应油量调节齿杆位置。 2进气终了的温度进气终了的温度Ta 进气终了的温度进气终了的温度Ta高于进气状态温度。引起高于进气状态温度。引起Ta升高升高的原因是的原因是: 1）新鲜工质进入发动机与高温零件接触而被加热。）新鲜工质进入发动机与高温零件接触而被加热。 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而被加热。 3）在化油器式汽油机上，为了使液体燃料在进气）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，管中蒸发，以便均匀地与空气混合而进入气缸，一般都采用废气或冷却水热量对进气管加热，故一般都采用废气或冷却水热量对进气管加热，故

16、空气经过进气管时受热而温度升高。空气经过进气管时受热而温度升高。 arscscarak Tp -1p p(-)T TC 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，所以与缸壁等接触时间短，传热量少，所以Ta稍有下降。稍有下降。 2）负荷：当转速不变而增加发动机负荷时，缸壁等）负荷：当转速不变而增加发动机负荷时，缸壁等零件温度升高，零件温度升高，Ta有所上升。有所上升。 3.残余废气系数残余废气系数r 2）压缩比提高，）压缩比提高，Vc小，则残余废气系数减小。小，则残余废气系数

17、减小。 3）排气压力高，废气多，充气效率降低。）排气压力高，废气多，充气效率降低。 4）排气系统阻力大，排气压力高，废气多。）排气系统阻力大，排气压力高，废气多。c 1） 增加，增加， 降低，燃烧恶化，油耗、排放增加，降低，燃烧恶化，油耗、排放增加，4.进排气相位角进排气相位角 计算公式计算公式5.压缩比压缩比 压缩比增加压缩比增加,压缩容积减小压缩容积减小,残余废气量随之残余废气量随之减小减小,因而有所增加。因而有所增加。arscscarakTp -1p p(-)T TC由于进气门迟闭而由于进气门迟闭而 1 ,新鲜充量的容积减小新鲜充量的容积减小,但但Pa值值却却可能因有气流惯性可能因有气流

18、惯性而使进气有所增加而使进气有所增加,合适的配气定时应考合适的配气定时应考虑虑Pa具有最大值具有最大值 第三节第三节 提高充气效率的措施提高充气效率的措施 进气系统的组成？进气系统的组成？ 空气滤清器、化油器或喷油器、节空气滤清器、化油器或喷油器、节气门、进气管、进气道和进气门等组成。气门、进气管、进气道和进气门等组成。 减少各段通道的阻力，增大其流通减少各段通道的阻力，增大其流通能力，是提高充气效率，改善发动机性能力，是提高充气效率，改善发动机性能的主要途径。能的主要途径。 一、降低进气系统的阻力一、降低进气系统的阻力 1、减小进气门处的流动损失、减小进气门处的流动损失 虽然虽然充量系数的表

19、达式中不反映进气流动过程充量系数的表达式中不反映进气流动过程，而所有，而所有损失恰恰是由于流动造成的。损失恰恰是由于流动造成的。 按进气系统流动阻力的性质可分为两类，一类是按进气系统流动阻力的性质可分为两类，一类是沿程阻力，即沿程阻力，即管道摩擦阻力，它与流速、管长、管壁表面质量等有关；另一类管道摩擦阻力，它与流速、管长、管壁表面质量等有关；另一类是局部阻力，它是由于流通截面大小、形状以及流动方向的变化是局部阻力，它是由于流通截面大小、形状以及流动方向的变化造成局部产生涡流所引起的损失造成局部产生涡流所引起的损失。在内燃机进气流动中，由于进。在内燃机进气流动中，由于进气的管道粗短，壁面比较光滑

20、，其沿程阻力并不大。因而局部阻气的管道粗短，壁面比较光滑，其沿程阻力并不大。因而局部阻力损失是流动过程中的主要损失，它由一系列的局部阻力叠加而力损失是流动过程中的主要损失，它由一系列的局部阻力叠加而成，尤其是在空气滤清器、流道转弯处和进气门座圈处，因此，成，尤其是在空气滤清器、流道转弯处和进气门座圈处，因此，降低这些部位的局部阻力损失，对降低进气系统的流动阻力，提降低这些部位的局部阻力损失，对降低进气系统的流动阻力，提高充量系数有显著的作用。高充量系数有显著的作用。 进气门座处是进气流道中截面积最小、流速最高的进气门座处是进气流道中截面积最小、流速最高的地方，因而该处的局部阻力最大。地方，因而

21、该处的局部阻力最大。 由于现代发动机的转速越来越高，即使在进气过程由于现代发动机的转速越来越高，即使在进气过程中也可能发生气体流动的中也可能发生气体流动的阻塞现象阻塞现象，导致进气阻力，导致进气阻力增加，充量系数大大降低，影响发动机的高速性能。研增加，充量系数大大降低，影响发动机的高速性能。研究发现，究发现，可以用进气门处气体流动的平均马赫数来衡量可以用进气门处气体流动的平均马赫数来衡量考察气门座处的流动情况考察气门座处的流动情况。为此，引入进气马赫数为此，引入进气马赫数M 进气马赫数进气马赫数M是进气门气流平均速度是进气门气流平均速度Vm与该处音速与该处音速之比，即之比，即M=Vm/ 。 M

22、是决定气流流动性质的重要参数。是决定气流流动性质的重要参数。 M值值反映气体流动和气门结构尺寸的反映气体流动和气门结构尺寸的关系，对充气效率有重要的影响。关系，对充气效率有重要的影响。 scscV6VnM=( )( - )( )()mecmecF t ttF t2M()( )()()mmmecmecFCDCF td ( )F t气门平均开启面积气门平均开启面积 m进气门开启期间的平均流量系数进气门开启期间的平均流量系数 ee进气门开关角度进气门开关角度 推导得数学模型推导得数学模型 与气门升程与气门升程 有关有关 与气门相位有关与气门相位有关 活塞平均速度活塞平均速度 活塞直径与气门直径之比活

23、塞直径与气门直径之比 的平方的平方 根据一系列试验可知根据一系列试验可知，在正常的配气定时，在正常的配气定时条件下，当超过一定数值时，条件下，当超过一定数值时，M大约在大约在0.5左右，充气效率急剧下降左右，充气效率急剧下降。因此在可能条。因此在可能条件下应控制在最高转速时不超过一定数值，件下应控制在最高转速时不超过一定数值，以达到提高充气效率的目的。以达到提高充气效率的目的。2M()( )()()mmmecmecFCDCF td 可见，可见， 进气门直径增大进气门直径增大,扩大气流通路截面积增加，扩大气流通路截面积增加，c提高。提高。 双气门（一进一排）：进气门直径可达活塞直双气门（一进一排

24、）：进气门直径可达活塞直径的径的45%50%，气门与活塞面积之比为，气门与活塞面积之比为0.20.25，进气门，进气门比排气门大比排气门大15%20%。受结构限制，进一步增大比例已。受结构限制，进一步增大比例已很困难很困难活塞直径活塞直径 进气门直径进气门直径 气门升程与开启面积气门升程与开启面积 四气门机与四气门机与二气门机相比，二气门机相比，功 率 可 提 高功 率 可 提 高70%，扭矩可，扭矩可提高提高30%，且且响应性比增压响应性比增压机好机好，故，故是汽是汽车发动机高功车发动机高功率化的有力措率化的有力措施。施。 增加气门升程、改进凸轮型线、减小运动增加气门升程、改进凸轮型线、减小

25、运动件质量、增加零件刚度件质量、增加零件刚度，在，在惯性力允许条惯性力允许条件下件下使气门使气门开闭尽可能快开闭尽可能快，以增大时面值，以增大时面值（气门开启面积与时间的比值），提高充（气门开启面积与时间的比值），提高充气效率。气效率。 有趣资料：有趣资料：F1赛车的发动机应用了许多在普通发动机上赛车的发动机应用了许多在普通发动机上见不到的技术与构造，比如气动气门，即用压缩机空气见不到的技术与构造，比如气动气门，即用压缩机空气代替普通发动机上的金属气门弹簧。因为只有这样的设代替普通发动机上的金属气门弹簧。因为只有这样的设计，才能保证在发动机的超高速转动下，气门不至于脱计，才能保证在发动机的超高

26、速转动下，气门不至于脱落。落。 如何在气门升程上做文章如何在气门升程上做文章 ？ 2、减小减小进气道、进气管和进气道、进气管和空气滤清器的阻力空气滤清器的阻力 保证足够的流通面积，避免转弯及截面突变，保证足够的流通面积，避免转弯及截面突变，改善表面的光洁程度。改善表面的光洁程度。 三、降低排气系统流动阻力三、降低排气系统流动阻力二、减少对进气充量的加热二、减少对进气充量的加热四四 、合理选择配气定时、合理选择配气定时 在配气定时各参数中，进气门迟闭角的改变，对充在配气定时各参数中，进气门迟闭角的改变，对充气效率气效率cc影响最大。影响最大。 c在某一转速下达到最在某一转速下达到最高值，此转速下

27、能最好地高值，此转速下能最好地利用气流的惯性充气。利用气流的惯性充气。 进气迟闭角增大，进气迟闭角增大， c 最大值对应的转速增最大值对应的转速增加。加。 配气相位和发动机转速配气相位和发动机转速对充量系数有较大的影响。对充量系数有较大的影响。 为获得最大的充量系数，减少泵气损失，比较理想为获得最大的充量系数，减少泵气损失，比较理想的进气系统，应满足什么要求的进气系统，应满足什么要求? l）低速时低速时， 采用较小的气门叠开角以及较小的气门升程，防止出现缸内新采用较小的气门叠开角以及较小的气门升程，防止出现缸内新鲜充量向进气系统的倒流；配合鲜充量向进气系统的倒流；配合稀燃技术稀燃技术，产生缸内

28、涡流，加，产生缸内涡流，加快燃烧速度和质量，以便增加低速转矩，提高燃油经济性和环保性快燃烧速度和质量，以便增加低速转矩，提高燃油经济性和环保性。 2）高速时，高速时， 应应具有最大的气门升程和进气门迟闭角，以最大程度地减小流动具有最大的气门升程和进气门迟闭角，以最大程度地减小流动阻力阻力，并充分利用过后充气，提高充量系数并充分利用过后充气，提高充量系数，满足发动机高速时动，满足发动机高速时动力性的要求。力性的要求。 3）配合以上变化，）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进气门从开启到关闭的进气持续角也进行相应地调整应地调整，以实现最佳的进气正时，将泵气损失降到最低。，以实现最佳的进气正时，将泵气损失降到最低。 总之，总之，理想的气门正时和升程规律应当根据发动机的运转工况及理想的气门正时和升程规律应当根据发动机的运转工况及时作出调整，气门驱动结构应具有足够的灵活性时作出调整，气门驱动结构应具有足够的灵活性。传统的凸轮驱动。传统的凸轮驱动挺杆气门机构，由于在工作中无法作出相应的调整，难于达到上述挺杆气门机构，由于在工作中无法作出相应的调整，难于达到上述要求，从而限制了发动机性能的进一步提高，因此全电控可变配气要求，从而限制了发动机性能的进一步提