第三章 发动机的换气过程_图文.

1、胡水福1第三章第三章 发动机的换气过程发动机的换气过程主讲：主讲：胡水福胡水福1532493603215324936032胡水福2下止点上止点胡水福3 燃料在气缸内完全燃烧需要一定量的空气，完全燃烧燃料在气缸内完全燃烧需要一定量的空气，完全燃烧时汽油与空气的体积比约为时汽油与空气的体积比约为1 1：1000010000，而柴油与空气的，而柴油与空气的体积比还要更大一些。由此可见，可燃混合气中燃料所占体积比还要更大一些。由此可见，可燃混合气中燃料所占容积比例很小，所以充入气缸的混合气燃烧放热量的大小，容积比例很小，所以充入气缸的混合气燃烧放热量的大小，主要取决于充入缸内的空气量多少。每循环进入气

2、缸的空主要取决于充入缸内的空气量多少。每循环进入气缸的空气量多，既可多供给一些燃料，又可以提高燃料的完全燃气量多，既可多供给一些燃料，又可以提高燃料的完全燃烧程度。提高发动机的扭矩和功率。此外，换气过程有功烧程度。提高发动机的扭矩和功率。此外，换气过程有功率损失使热效率降低。换气过程的好坏对发动机零件的热率损失使热效率降低。换气过程的好坏对发动机零件的热复合、排气冒烟、大气污染等也有一定影响。复合、排气冒烟、大气污染等也有一定影响。胡水福4 发动机的排气过程和进气过程统称为换气过程。换气发动机的排气过程和进气过程统称为换气过程。换气过程的任务是将气缸内废气排除干净，并充入尽可能多的过程的任务是

3、将气缸内废气排除干净，并充入尽可能多的新鲜气量新鲜气量-在柴油机中是空气；在汽油机中是燃油与空气在柴油机中是空气；在汽油机中是燃油与空气的混合气（可燃混合气），这是保证发动机动力性的重要的混合气（可燃混合气），这是保证发动机动力性的重要条件。条件。 为了不断提高发动机性能，必须深入研究换气过程的为了不断提高发动机性能，必须深入研究换气过程的进行情况，分析影响充气量的各种因素，找出提高充气量进行情况，分析影响充气量的各种因素，找出提高充气量和减少换气损失的方向与措施。和减少换气损失的方向与措施。 胡水福5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一、换气过程一、换气过程四行程发动

4、机配气机构均采用气门换气方案，其换气四行程发动机配气机构均采用气门换气方案，其换气过程是排气门开启到进气门关闭的整个时期，约占曲轴转过程是排气门开启到进气门关闭的整个时期，约占曲轴转角角380380490490。根据气体流动特点和进排气门运动规。根据气体流动特点和进排气门运动规律，换气过程可分为自由排律，换气过程可分为自由排气、强制排气、惯性排气、准气、强制排气、惯性排气、准备进气、正常进气和惯性进气备进气、正常进气和惯性进气六个阶段，如图所示。六个阶段，如图所示。 胡水福6进排气门流通截面积的变化进排气门流通截面积的变化 (a)(a)气缸压力、排气管压力随曲轴转角气缸压力、排气管压力随曲轴转

5、角 的变化曲线的变化曲线 (b)(b)进排气门相对流通截面积随曲轴转角进排气门相对流通截面积随曲轴转角 的变化曲线的变化曲线(c)(c)四行程发动机进、排气门开闭时间四行程发动机进、排气门开闭时间 胡水福71 1、自由排气阶段、自由排气阶段 从排气门打开到气缸内压力接近排气压力，利用燃气从排气门打开到气缸内压力接近排气压力，利用燃气压力排气。压力排气。 在排气门刚开启时，一般在排气下止点前在排气门刚开启时，一般在排气下止点前3030-80-80曲轴转角，缸内压力与排气管压力之比曲轴转角，缸内压力与排气管压力之比1.91.9，排气流动处，排气流动处于超临界状态，可利用废气自身的压力自行排出，此时

6、通于超临界状态，可利用废气自身的压力自行排出，此时通过气门的气体速度等于燃气的音速。过气门的气体速度等于燃气的音速。 当当 T=600T=600900900时，音速可达时，音速可达500500600 m/s600 m/s。 KRTc 胡水福8 排出的废气量决定于气缸内及排排出的废气量决定于气缸内及排气管内的压力差。压力差越大排出废气管内的压力差。压力差越大排出废气越多。当到某一时刻气缸内与排气气越多。当到某一时刻气缸内与排气管内压力相等，自由排气阶段结束管内压力相等，自由排气阶段结束（一般下止点后（一般下止点后10301030曲轴转角）。曲轴转角）。此阶段虽然历程很短，但因排气流速此阶段虽然历

7、程很短，但因排气流速甚高，排出废气量达甚高，排出废气量达60%60%以上。以上。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1.91.9以下时，以下时，排气流动转入亚临界状态，废气流速降低，产生的噪音较排气流动转入亚临界状态，废气流速降低，产生的噪音较小。小。 胡水福92 2、强制排气阶段：、强制排气阶段： 自由排气阶段结束后，气缸内的废气将被上行活塞强自由排气阶段结束后，气缸内的废气将被上行活塞强制推出，直到排气门关闭这一过程就是制推出，直到排气门关闭这一过程就是强制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。惯性排气惯性排气1

8、0-35胡水福10从进气门开启到关闭的全过程从进气门开启到关闭的全过程准备进气：进气提前角，一般为准备进气：进气提前角，一般为040040(CA)(CA)。正常进气正常进气 ：活塞下行残余废气膨胀，新鲜气体充入气缸。：活塞下行残余废气膨胀，新鲜气体充入气缸。惯性进气：进气迟闭角一般为惯性进气：进气迟闭角一般为40704070(CA)(CA)。二、进气过程：二、进气过程：胡水福114 4、准备进气阶段、准备进气阶段为了增加进气量为了增加进气量 ，进气门必须在上止点前，排气尚未结，进气门必须在上止点前，排气尚未结束时就开始开启，以保证活塞下行进气开始时，就有较大的进束时就开始开启，以保证活塞下行进

9、气开始时，就有较大的进气通道截面，为进气作好准备，从进气气通道截面，为进气作好准备，从进气 门开始开启到活塞行门开始开启到活塞行至上止点这个时期称为准备进气阶段。该阶段曲轴转过的角度至上止点这个时期称为准备进气阶段。该阶段曲轴转过的角度称为进气提前角，一般为称为进气提前角，一般为10103030转角。由于进转角。由于进气提前角较小，进气门通气提前角较小，进气门通道截面也小，再加气缸内道截面也小，再加气缸内残余废气压力高于大气压残余废气压力高于大气压力，所以在此阶段中新鲜力，所以在此阶段中新鲜气体一般不能进入气缸。气体一般不能进入气缸。胡水福125 5、正常进气阶段、正常进气阶段准备进气阶段后，

10、活塞由上止点开始下行，初期由于气缸准备进气阶段后，活塞由上止点开始下行，初期由于气缸内残余废气压力内残余废气压力 p pr r 仍高于大气压力仍高于大气压力 p p0 0 ，新鲜气体不能冲入气，新鲜气体不能冲入气缸，只有将残余废气由缸，只有将残余废气由r r点膨胀到点膨胀到rr点，使压力由点，使压力由 p pr r 下降到下降到 prpr后，新鲜气体才能冲入气缸。由于进气门早开，此时进气门通后，新鲜气体才能冲入气缸。由于进气门早开，此时进气门通道截面已开启较大，所以保证了大量新气进入气缸内，但因进道截面已开启较大，所以保证了大量新气进入气缸内，但因进气系统有阻力，所以在活气系统有阻力，所以在活

11、塞移到下止点时，气缸内塞移到下止点时，气缸内压力压力 p p 仍低于大气压力。仍低于大气压力。胡水福136 6、惯性进气阶段、惯性进气阶段从活塞由下止点向上行至进气门关闭这个时期称为惯从活塞由下止点向上行至进气门关闭这个时期称为惯性进气阶段。该阶段中曲轴转过的角度称为进气迟闭角，性进气阶段。该阶段中曲轴转过的角度称为进气迟闭角，一般为一般为40408080曲轴转角。曲轴转角。在进气过程活塞到下止点的瞬间，进气门口仍有一定在进气过程活塞到下止点的瞬间，进气门口仍有一定的流速，进气门迟闭就可以利用新鲜气体流动惯性和气缸的流速，进气门迟闭就可以利用新鲜气体流动惯性和气缸内外压力差，继续进气，所以进气

12、门都在下止点之后才关内外压力差，继续进气，所以进气门都在下止点之后才关闭，使冲气量增加。闭，使冲气量增加。胡水福14 由于排气门迟闭和进气门早开，因此在上止点附近将出现由于排气门迟闭和进气门早开，因此在上止点附近将出现进、排气门同时开启的状态，称为气门重叠或气门叠开，气门叠进、排气门同时开启的状态，称为气门重叠或气门叠开，气门叠开时曲轴转过的角度称为气门叠开角或重叠角，一般为开时曲轴转过的角度称为气门叠开角或重叠角，一般为20208080曲轴转角。由于气门重叠角小，进气门升起高度不大，且曲轴转角。由于气门重叠角小，进气门升起高度不大，且废气又具有一定惯性，所以废气不会倒流入气管中，为此在气门废

13、气又具有一定惯性，所以废气不会倒流入气管中，为此在气门叠开期间因进气管、气缸、排气管连通在一起，可以利用气流的叠开期间因进气管、气缸、排气管连通在一起，可以利用气流的压差和惯性清除残余废气，增加进气量。压差和惯性清除残余废气，增加进气量。在换气过程中，由于活塞移动速度不均匀，气门通道截面也在换气过程中，由于活塞移动速度不均匀，气门通道截面也时时变化，使气流速度的变化很复杂。同时气缸内压力变化是波时时变化，使气流速度的变化很复杂。同时气缸内压力变化是波动的，进而引起进、排气管内压力变化也是波动的。因此，利用动的，进而引起进、排气管内压力变化也是波动的。因此，利用进气管的动态效应可以提高进气量。进

14、气管的动态效应可以提高进气量。 胡水福三、气门重叠和燃烧室扫气过程三、气门重叠和燃烧室扫气过程 一方面，一方面，有利于扫除缸内残余废气，增加进气量，特有利于扫除缸内残余废气，增加进气量，特别是增压发动机，扫气更明显；别是增压发动机，扫气更明显； 另一方面，另一方面，又可以降低燃烧室内气缸盖、排气门、活又可以降低燃烧室内气缸盖、排气门、活塞顶、缸套的温度。塞顶、缸套的温度。作用：作用： 在排气行程上止点附近出现进、排气门同时开启的在排气行程上止点附近出现进、排气门同时开启的特殊现象，称为特殊现象，称为气门重叠气门重叠，相应的角度是气门重叠角，相应的角度是气门重叠角，它是排气迟闭角与进气提前角之和

15、。它是排气迟闭角与进气提前角之和。一般为一般为20208080曲曲轴转角。在增压发动机可达轴转角。在增压发动机可达8016080160的曲轴转角。因其的曲轴转角。因其进气压力高。进气压力高。 胡水福16 气门重叠角的选择以新鲜充气门重叠角的选择以新鲜充量不流入排气管为原则。量不流入排气管为原则。 增压柴油机增压柴油机都采用比非增压都采用比非增压柴油机大的气门重叠角，一般为柴油机大的气门重叠角，一般为8016080160； 气门重叠角过大，会使气门气门重叠角过大，会使气门与活塞发生相撞，一般与活塞发生相撞，一般非增压柴非增压柴油机油机的气门叠开角在的气门叠开角在20602060范范围内。围内。胡

16、水福171 1、排气损失、排气损失 定义：定义：从排气门提前开启，直到进气行程开始、缸从排气门提前开启，直到进气行程开始、缸内压力到达大气压力之前内压力到达大气压力之前, , 所损失的循环功。所损失的循环功。构成构成: : a a、自由排气损失、自由排气损失WW： 由于排气门提前打开而引由于排气门提前打开而引起的膨胀功的减少。起的膨胀功的减少。 b b、强制排气损失、强制排气损失Y Y： 活塞上行强制推出废气所活塞上行强制推出废气所消耗的功。消耗的功。 胡水福182 2、进气损失、进气损失X X 进气损失进气损失主要是指进气过程中，因进气系统的阻力主要是指进气过程中，因进气系统的阻力面引起的功

17、的损失，与排气损失相比进气损失较面引起的功的损失，与排气损失相比进气损失较小小。 合理调整配气定时，加大进气门的流通截面、正确合理调整配气定时，加大进气门的流通截面、正确设计进气管及进气道的流动设计进气管及进气道的流动路径以及降低活塞平均速度路径以及降低活塞平均速度等，都会使进气损失减少。等，都会使进气损失减少。胡水福19 与排气过程不同的是，进气损失不仅体观在与排气过程不同的是，进气损失不仅体观在，更重要的是体现在进气，更重要的是体现在进气过程中过程中，因为前者对于，因为前者对于内燃机的内燃机的影响不大，而后者对影响不大，而后者对有显著的影响。有显著的影响。胡水福20 排气损失与进气损失之和

18、称为排气损失与进气损失之和称为换气损失换气损失 (W(W十十Y Y十十X) X) 。 泵气损失泵气损失（X+Y-uX+Y-u）：在实际循环示功图中把面积）：在实际循环示功图中把面积(x+y- u)(x+y- u)相当的负功称为泵气损失。这部分损失放在相当的负功称为泵气损失。这部分损失放在机械机械损失损失中加以考虑。中加以考虑。胡水福21 一般而言，所有减少换气损失的一般而言，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系数的途径，对降低泵气损失都是有利的。利的。另外，另外，胡水福22第二节第二节 四冲程发动机的充量效率四冲程

19、发动机的充量效率 换气的目的是尽量排净废气，最大限度充入新气，换气的目的是尽量排净废气，最大限度充入新气，以完善燃烧，提高效率。以完善燃烧，提高效率。 评价发动机的换气质量，可用评价发动机的换气质量，可用充量系数充量系数( (充气效充气效率、充量效率、容积效率率、充量效率、容积效率) ) 、残余废气系数来衡量。、残余废气系数来衡量。胡水福23一、充量效率充量效率h hc c 进气状态：进气状态：指空气滤清器后进气管内的气体状态，即指空气滤清器后进气管内的气体状态，即进人气缸前气体的热力学状态，如温度与压力等。进人气缸前气体的热力学状态，如温度与压力等。 非增压：通常取为当地的大气状态。非增压：

20、通常取为当地的大气状态。 增增 压：增压器出口状态。压：增压器出口状态。 定义定义：内燃机每缸每循环实际进入气缸的新鲜空气内燃机每缸每循环实际进入气缸的新鲜空气冲量与进气状态下理论计算充满气缸工作容积的空气冲冲量与进气状态下理论计算充满气缸工作容积的空气冲量比值。量比值。ssmmVV 1vh h胡水福24ssVVmm1v h h1式中：式中： mm 为实际进入气缸的新鲜空气质量为实际进入气缸的新鲜空气质量 V V1 1 为实际进入气缸的新鲜空气在进气状态下的体积为实际进入气缸的新鲜空气在进气状态下的体积 mms s 为进气状态下理论计算充满气缸工作容积的空气为进气状态下理论计算充满气缸工作容积

21、的空气质量质量 Vs Vs 为气缸工作容积为气缸工作容积胡水福25一般非增压发动机在全负荷时的一般非增压发动机在全负荷时的h hc c汽油机汽油机顶置气门：顶置气门：0.750.850.750.85侧置气门：侧置气门：0.700.800.700.80柴油机柴油机0.750.900.750.90胡水福26二、影响充量系数的因素二、影响充量系数的因素1 1）进气门关闭时，缸内工质的总质量）进气门关闭时，缸内工质的总质量mma a： 设进气门关闭时气缸容积为（设进气门关闭时气缸容积为（Vs +VcVs +Vc），此时缸），此时缸内气体压力、温度、密度为内气体压力、温度、密度为PaPa、TaTa、aa

22、，则缸内气体的，则缸内气体的总质量为：总质量为： ascaVVm )(/ 式中：式中： 进气门关闭时气缸工质的密度进气门关闭时气缸工质的密度a胡水福27 2 2）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mmr r，排气门关闭时缸排气门关闭时缸内体积为内体积为V Vr r，则，则rrVm r 式中：式中： 排气门关闭时气缸工质的密度排气门关闭时气缸工质的密度r3 3）每循环充入气缸新鲜充量的质量为）每循环充入气缸新鲜充量的质量为rrascVVVm )(胡水福284 4）进入气缸的新鲜冲量的质量为：）进入气缸的新鲜冲量的质量为：)(rrascsscVVVV h h 111 h haa

23、SSvTPPT则则胡水福29影响充量系数的因素影响充量系数的因素 22avp 1 1、进气终了时的压力、进气终了时的压力PaPa P Pa a对对h hv v有重要影响，有重要影响，PaPa愈高，愈高，h hv v值愈大值愈大 Pa=PsPa=PsPaPa式中，式中，p pa a为气体流动时，克服进气系统阻力而引起的压为气体流动时，克服进气系统阻力而引起的压降降(kPa)(kPa)。 可见，可见，p pa a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 V高时，高时，p pa a增加，使增加，使p pa a下降。下降。胡水福302 2、进气

24、终了的温度、进气终了的温度T Ta a T Ta a高于进气状态温度，高于进气状态温度，T Ta a越高，充入气缸的工质密越高，充入气缸的工质密度越小，度越小，h hv v值愈低。值愈低。引起引起T Ta a升高的原因是升高的原因是: : 1 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 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 3）在化油器式汽油机上，为了使液体燃料在进气管）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，一般都采中蒸发，以便均匀地与空气混合而进入气缸

25、，一般都采用废气或冷却水热量对进气管加热，故空气经过进气管用废气或冷却水热量对进气管加热，故空气经过进气管时受热而温度升高。时受热而温度升高。胡水福31转速和负荷对转速和负荷对TaTa的影响的影响 1 1）转速：当负荷不变而转速增加时，由于新鲜工质）转速：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T Ta a稍有下降。稍有下降。 2 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，T Ta a有所上升。有所上升。 措施：措施：将高温排气管与进气管分置于气缸两侧，控将高温排气管与进气管分置于气缸两侧，控制进气预热，适当加大气门叠开角等，均有利于降低制进气预热，适当加大气门叠开角等，均有利于降低T Ta a。胡水福323 3、残余废气系数、残余废气系数 1 1） 增加，增加， h hv v降低，燃烧恶化，油耗、排放增加，降低，燃烧恶化，油耗、排放增加， 2 2）压缩比提高，残余废气系数减小。）压缩比提高，残余废气系数减小。 3 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 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