第5讲 2013年9月25日

1、第五讲 2013年9月25日提高充量系数的措施时面值二冲程内燃机的换气提高充量系数的措施（一）降低进气系统的阻力损失，提高气缸进气终点的压力；（二）降低排气系统的阻力损失，减小缸内残留废气系数；（三）减小高温零件在进气过程中对空气的加热，降低进气终点温度。 研究表明，在上述影响因素中，以第一个因素最为重要。换言之，降低进气过程的流动阻力损失，提高进气终了压力是提高充量系数最有效的措施。 进气系统的流动阻力，按其性质可分为两进气系统的流动阻力，按其性质可分为两类，一类是类，一类是沿程阻力，另一类是另一类是局部阻力。沿程阻力：沿程阻力： 实际上是管道摩擦阻力，与管长和管内流实际上是管道摩擦阻力，与

2、管长和管内流动面上的表面质量有关动面上的表面质量有关；局部阻力：局部阻力： 它是由于流通截面大小、形状以及流动方它是由于流通截面大小、形状以及流动方向变化，在局部产生祸流损失所引起的；向变化，在局部产生祸流损失所引起的；进气系统的流动阻力进气系统的流动阻力进气系统的流动阻力 在内燃机进气流动中，由于管道较短，在内燃机进气流动中，由于管道较短，壁面比较光滑，其壁面比较光滑，其沿程阻力并不大；而局部阻沿程阻力并不大；而局部阻力是流道中的主要损失力是流道中的主要损失、它由它由系列的局部阻系列的局部阻力叠加而成，尤其力叠加而成，尤其在进气门座处、空气滤清器在进气门座处、空气滤清器和流道转弯处，流动损失

3、更为明显和流道转弯处，流动损失更为明显 。因此，降。因此，降低这些地方的局部阻力损失，对降低进气系统低这些地方的局部阻力损失，对降低进气系统的流动阻力，提高充量系数有显著的意义。的流动阻力，提高充量系数有显著的意义。降低进气系统阻力降低进气系统阻力的措施的措施1.降低进气门处的流动损失2.采用可变进气系统技术1降低进气门处的流动损失 进气门座处的流通截面，是进气流道中截面最小、流速最高的地方，因而该处的局部阻力最大，而且与该处的流动速度的平方成正比。因此,降低进气门处的流动损失，可以从降低气门座处的流速和改善气门座处的流动情况以提高流量系数入手解决。 过高的气体流速，还会发生气体阻塞现过高的气

4、体流速，还会发生气体阻塞现象。考察气门座处的流动情况，并定义平均进象。考察气门座处的流动情况，并定义平均进气马赫数气马赫数Ma，进气平均马赫数，进气平均马赫数Ma综合了进气综合了进气门大小、形状、升程规律以及活塞速度等因素，门大小、形状、升程规律以及活塞速度等因素，并且其大小与发动机的转速成正比。研究发现，并且其大小与发动机的转速成正比。研究发现，对于小型对于小型 四冲程发动机，当进气平均马赫数四冲程发动机，当进气平均马赫数Ma超过超过0.5后，充量系数急剧下降：这后，充量系数急剧下降：这结论，结论，对于设计和评价气门机构是很有用的。对于设计和评价气门机构是很有用的。 平均进气马赫数与充气效率

5、 平均进气马赫数定义为进气门开启截面处的平均流速V与该处的音速Cs之比。 Ma= ssmmssCVdDCV2 (1)加大进气门直径： 一般应尽可能布置较大尺寸的进气门，以降一般应尽可能布置较大尺寸的进气门，以降低流经进气门截面时的气体流速从而降低局部低流经进气门截面时的气体流速从而降低局部流动阻力。在现代高速内燃机流动阻力。在现代高速内燃机2气门结构中，进气气门结构中，进气门直径门直径d与缸径与缸径D的比值可达的比值可达45%一一50%，面积比，面积比为为0.20.25，这样排气门不得不缩小，但过小的，这样排气门不得不缩小，但过小的排气门又会导致排气阻力的增大。因此，通过加排气门又会导致排气阻

6、力的增大。因此，通过加大进气门直径的方式来提高充量系数，是受到限大进气门直径的方式来提高充量系数，是受到限制的。制的。降低进气门处流动损失的具体措施(2)增加进气门数目： 增加进气门数量，可以取得与加大进气门直径同样的效果即增大了进气门的有效流通截面积。高速柴油机以往仅在缸径大于120mm时才考虑采用两进气门，二排气门（即4气门）。现在对于D80一90mm的柴油机，也认为采用4气门利大于弊。除了换气损失小、充量系数高以外，喷油器的垂直中置对混合气形成极为有利，另外，4气门柴油机对具有进气中冷的高增压系统也非常合适；对于汽油机来说，其效果也是相当好的。(3)合理设计进气道及气门的结构： 改善进气

7、门座、进气道以及气门头部的结构，也有助于降低局部阻力，提高气门流通截面的流量系数，一般在高速内燃机中，均利用气道使进气在其中发生弯曲和旋转，以便在气缸中形成定向的空气运动，以利于燃烧的进行，但这势必影响气门的流量系数，增大流动损失。因此，在设计及制造中，应尽可能保证气道内壁面的过渡圆滑、平稳，避免气流急转弯现象。 2采用可变进气系统技术 从获得最大充量系数的角度出发，比较理想的配气系统应当满足以下要求： 1)低速时，采用较小的气门叠开角以及较小的气门升程，防止出现缸内新鲜充量向进气系统的倒流，以便增加转矩，提高燃油经济性。 2)高速时应具有最大的气门升程和进气门迟闭角，以最大限度地减小流动阻力

8、，充分利用过后充气，提高充量系数，以满足动力性要求。 3)配合以上变化，对进气门从开启到关闭的持续期(又称作用角)也应进行调整，以实现最佳的进气定时。 总之，理想的气门定时应当是根据发动机的工作情况及时作出调整，应具有一定程度的灵活性。显然，对于传统的凸轮挺杆气门机构，由于在工作中无法作出相应的调整，也就难于达到上述要求，因而限制了发动机性能的进一步提高。(1)可变凸轮机构 可变凸轮机构技术一般都是通过两套凸轮或摇臂来实现的。即在高速时采用高速凸轮，其升程与作用角都较大；而在低速时切换到低速凸轮，升程与作用角均较小。采用可变进气系统技术具体措施采用可变进气系统技术具体措施(2)可变气门定时 相

9、对于可变凸轮机相对于可变凸轮机构，可变气门定时技术的构，可变气门定时技术的应用较多应用较多些。些。 由于进、由于进、排气门是分别通过两根凸排气门是分别通过两根凸轮轴单独驱动的，可以通轮轴单独驱动的，可以通过过套特殊的机构将进气套特殊的机构将进气凸轮轴按要求转过一定的凸轮轴按要求转过一定的角度，从而达到改变进气角度，从而达到改变进气相位的目的。根据实现机相位的目的。根据实现机构的不同，这种改变可以构的不同，这种改变可以分成分级可变与连续可变分成分级可变与连续可变两类，很多高性能的汽油两类，很多高性能的汽油发动机均采用了这发动机均采用了这技术。技术。 降低排气系统阻力，可以使气缸内的残余废气压力下

10、降低排气系统阻力，可以使气缸内的残余废气压力下降，这样不仅可以减少残余废气系数，有利于提高充量系数，降，这样不仅可以减少残余废气系数，有利于提高充量系数，而且可以减少泵气损失，提高指示效率。而且可以减少泵气损失，提高指示效率。 排气系统的设计目标是：降低排气背压，减小排气噪声。排气系统的设计目标是：降低排气背压，减小排气噪声。 与进气系统一样，排气流通截面最小处是排气门座处，与进气系统一样，排气流通截面最小处是排气门座处，此处的流速最高、压降最大故在设计时应保证气门及其座此处的流速最高、压降最大故在设计时应保证气门及其座面的良好结构。排气道应当是渐扩型，以保证排出气体的充面的良好结构。排气道应

11、当是渐扩型，以保证排出气体的充分膨胀，从而降低气缸与排气管内的压力差，使得气缸内的分膨胀，从而降低气缸与排气管内的压力差，使得气缸内的废气压力得以迅速下降，达到提高充量系数和降低泵气损失废气压力得以迅速下降，达到提高充量系数和降低泵气损失的目的的目的。(二二)降低排气系统的流动阻力降低排气系统的流动阻力 在进气的过程中，进入气缸的新鲜充量将会被各种高温表面所加热而温度升高、从而导致进气密度下降，充量系数减小，还可能促使发动机整体热负荷提高和不正常燃烧的发生。进气温升受到各种结构与运行参数的影响，如进气管结构、发动机转速、负荷、冷却水温度等。 对于化油器式汽油机来说，由于需要进气加热来保证部分液

12、态燃料在进气管中的蒸发，所以进气管与排气管布置在同一侧。对于进气道喷射的汽油机以及柴油机，均采用进、排气管两侧布置的方案，以提高充量系数。对于高速内燃机，有时也采用进气冷却技术，以降低进气温度。增压内燃机则将进气中冷技术作为进一步提高增压压力、降低热负荷的重要途径之一。(三三)减少对进气充量的加热减少对进气充量的加热Low Bore/StrokeHigh Bore/StrokeTwo Bore-to-Stroke Ratios Same Swept VolumeMean Piston SpeedThe relative speed of an engine can be expressed u

13、sing the concept of mean piston speed.This parameter is calculated as:SpeedEngine*Stroke*2SpeedPistonMeanIt is important to consider the mean piston speed during the engine design process becausemechanical friction, stress and wear scale with mean piston speed (rather than engine speed).Expressed in

14、 English units 6N*Sin12ft*minrevN*inS*2minftMPSPiston travels2 stroke lengthsfor each crankrevolutionExpressed in SI units000,30)(*)(1000*sec*2secrpmNmmSmmmrevNmmS*mMPS051015202530354045500.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.4Influence of B/S on Mean Piston SpeedMean Piston Speed 100 ft/minBore/Str

15、okeRPM = 1800Increasing frictionand wear(10 m/s)02468100.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.4Pressure Drop Across Intake Valve psiBore/StrokeInfluence of B/S on Intake Valve PRPM = 1800Air Flow = 63 lbm/minIncreasing gasvelocities(70 kPa)02040608010012014004590135180Combustion Chamber Volume in3Cra

16、nk Angle C.A.Bore = 5, Stroke = 6.00Bore = 6, Stroke = 4.17Effect of B/S on Instantaneous Chamber Volume020406080100120140160Bore = 5, Stroke = 6.00Bore = 6, Stroke = 4.1704590135180Combustion Chamber Surface Area in2Crank Angle C.A.Effect of B/S on Instantaneous Chamber Surface AreaRPM = 1800Increa

17、sing frictionand wear0246810120.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.4Area/Volume axis relative for p drop & frictionBore/StrokeIncreasingHeat TransferCR = 16.0Influence of B/S on Area/VolumeAir Flow = 63 lbm/minIncreasing gasvelocitiesnn660360ndtd6由：可得fd称为气门开启时的时面值称为气门开启时的角面值角面值由配气机构的设计决定的，对于给定的

18、设计，其值一定。由此可见，随着转速提高，气门时面值成反比下降，空气进气量随转速增加而减小。 二冲程内燃机的换气 二冲程内燃机与四冲程内燃机同样具有进气、压缩、燃烧、膨胀和排气过程，不同的是这些过程只用两个活塞行程来完成，其中差别最大的是换气过程。二冲程内燃机换气的工作顺序： 在膨胀行程的末期，活塞下行，首先打开排气在膨胀行程的末期，活塞下行，首先打开排气口，开始排气，而后扫气口开启，具有一定压力的口，开始排气，而后扫气口开启，具有一定压力的新鲜充量由扫气口流入气缸，并强迫废气由排气口新鲜充量由扫气口流入气缸，并强迫废气由排气口流出，进行充量更换，然后活塞到达下止点后又流出，进行充量更换，然后活

19、塞到达下止点后又上行，依次将扫气口和排气门关闭，换气过程结束。上行，依次将扫气口和排气门关闭，换气过程结束。新鲜充量由扫气泵提供，扫气泵的作用是对新鲜充新鲜充量由扫气泵提供，扫气泵的作用是对新鲜充量进行压缩，使其压力提高后再进入气缸。通常量进行压缩，使其压力提高后再进入气缸。通常把二冲程内燃机的换气过程分为三个阶段，即自由把二冲程内燃机的换气过程分为三个阶段，即自由排气阶段、扫气与强制排气阶段以及过后排气或过排气阶段、扫气与强制排气阶段以及过后排气或过后充气阶段。后充气阶段。 从排气口开启直到新鲜充量进入气缸为止，从排气口开启直到新鲜充量进入气缸为止，称为自由排气阶段。排气口一般在下止点前称为

20、自由排气阶段。排气口一般在下止点前60-75(CA)开启，排气口刚开启时，气缸内压力较高，开启，排气口刚开启时，气缸内压力较高，约为约为300-600kPa，压力比超过临界值，气缸内的燃，压力比超过临界值，气缸内的燃气以声速流出。在该阶段，排气流量与排气管内的气以声速流出。在该阶段，排气流量与排气管内的气体状态无关，只取决于缸内气体的状态和排气口气体状态无关，只取决于缸内气体的状态和排气口流通截面的大小。流通截面的大小。 在自由排气阶段，缸内燃气可以流出大约在自由排气阶段，缸内燃气可以流出大约70%-80%，所以它是二冲程内燃机换气过程的重要阶段。，所以它是二冲程内燃机换气过程的重要阶段。1自

21、由排气阶段 当气缸压力下降到稍微低于扫气压力时，扫气当气缸压力下降到稍微低于扫气压力时，扫气口开启，新鲜充量进入气缸，直到活塞下行到下止口开启，新鲜充量进入气缸，直到活塞下行到下止点后再上行将扫气口关闭为止，即是所谓的扫气与点后再上行将扫气口关闭为止，即是所谓的扫气与强制排气阶段。在这一阶段，除利用扫气气体强制强制排气阶段。在这一阶段，除利用扫气气体强制将废气排出气缸外，还要充入新鲜充量。本阶段的将废气排出气缸外，还要充入新鲜充量。本阶段的前期缸内压力一般前期缸内压力一般波动较大波动较大，这是由于废气向排气，这是由于废气向排气支管高速流动所产生的流动惯性，形成较强的抽吸支管高速流动所产生的流动

22、惯性，形成较强的抽吸作用；与此同时，扫气口的开度不大，新鲜充量不作用；与此同时，扫气口的开度不大，新鲜充量不可能通畅地进入气缸；另外，活塞此时还在下行，可能通畅地进入气缸；另外，活塞此时还在下行，缸内气体还继续膨胀，更加重了这种现象。缸内气体还继续膨胀，更加重了这种现象。2.扫气与强制排气阶段 随着活塞的下行及废气的迅速随着活塞的下行及废气的迅速外流，缸内气体压力骤降，有可能外流，缸内气体压力骤降，有可能形成相当高的真空度，此时由于扫形成相当高的真空度，此时由于扫气口开度也已经加大，可以使新鲜气口开度也已经加大，可以使新鲜充量急速流入气缸中，气流抽吸作充量急速流入气缸中，气流抽吸作用的迅速削弱

23、，缸内压力很快回升。用的迅速削弱，缸内压力很快回升。 随后，扫气口与排气口开度均较大，随后，扫气口与排气口开度均较大，扫气气流经过扫气口进入气缸，将扫气气流经过扫气口进入气缸，将缸内废气从排气口压向排气管，实缸内废气从排气口压向排气管，实现气缸扫气。现气缸扫气。 从扫气口关闭到排气口关闭期间称为过后排气阶段，从排气口关闭到扫气口关闭期间称为过后充气阶段。 一般二冲程内燃机扫气口的关闭时刻早于排气口 ，由于活塞上行的排挤和排气气流的惯性作用，一部分废气或新鲜充量与废气的混合气可以继续被排出，直到排气口关闭为止。 3. 过后排气或过后充气阶段过后排气或过后充气阶段 本阶段持续时间较短，由于活本阶段

24、持续时间较短，由于活塞已经开始上行，缸内气体受到压塞已经开始上行，缸内气体受到压缩而压力提高，这对过后排气是有缩而压力提高，这对过后排气是有利的而不利于过后充气。要达到过利的而不利于过后充气。要达到过后充气的目的，就必须提高扫气泵后充气的目的，就必须提高扫气泵的扫气压力，相应地增加扫气泵的的扫气压力，相应地增加扫气泵的机械功。机械功。 一、二冲程内燃机的换气时间比四冲程内燃机短得多。 由于换气角度小，时间短，清除废气、充填新气的困难远比四冲程内燃机大。 二、二冲程柴油机活塞不具备吸、排气作用。 四冲程内燃机的进、排气除依靠气体的自由流动外还依靠活塞的吸气、排气作用来完成。二冲程内燃机的活塞不具

25、备这种作用，换气只能完全依靠自由排气和用新鲜充量实施扫气来完成，不如四冲程内燃机那样可靠。为此，二冲程内燃机无论增压或无增压都必须设置专门的压气机、扫气泵或能起相应作用的装置，以提供换气所必需的新鲜充量，使换气过程得以正常进行。四冲程与二冲程柴油机换气过程的差异四冲程与二冲程柴油机换气过程的差异三、二冲程内燃机空气消耗量较多 二冲程内燃机在换气过程中，进排气过程同时进行，新鲜充量与废气不可避免地会产生一定程度的掺混。为使废气排除干净，必须将掺混的气体也排出一些以保证足够的新鲜充量的充填量和降低残余废气量。这样必然使新鲜充量的耗量要比四冲程内燃机多。1横流扫气： 这是二冲程内燃机较早出现的一种扫

26、气型式，它的特点是进气孔和排气孔设置在气缸套下部相对的两侧，气孔中心线互相平行或通过气缸中心，气孔的开启与关闭都由活塞的筒面控制。这种扫气方式的突出特点是结构简单，制造方便，工作可靠。但缺点也较多，主要是：换气效果差；气缸套、活塞受热和磨损不均匀。二冲程内燃机换气系统的基本型式2回流扫气： 回流扫气的主要特点是进、排气孔不是互相正对着，而是在气缸的同一侧，新气的主流进入气缸后沿缸壁、缸盖回转，拐一个弯后再将废气排走这样可以部分地克服新气直接从排气孔跑掉的缺点，扫气效果优于横流扫气。为了克服横、回流扫气的气孔正时对称于下止点所带来的额外排气的缺点，现代多数横回流扫气二冲程内燃机都在排气孔或进气孔

27、上装有控制阀，使排气孔先开又先关。但是，装了控制阀将使结构复杂，相应的故障增多。 由于横流和回流两种扫气型式中新气的流动路线都弯曲转折，所以又统称为“弯流扫气”。 （1）气阀直流扫气）气阀直流扫气 其结构特点是进气孔在气缸下部开关由活塞其结构特点是进气孔在气缸下部开关由活塞控制，气缸盖上的排气阀由凸轮轴控制，其传动方控制，气缸盖上的排气阀由凸轮轴控制，其传动方式与四冲程内燃机的气阀传动方式相同。这种扫气式与四冲程内燃机的气阀传动方式相同。这种扫气型式的优点是：型式的优点是： 气缸下部的整个圆周上，只安置进气孔，总宽气缸下部的整个圆周上，只安置进气孔，总宽度可以占气缸周长的度可以占气缸周长的75%，大大超过弯流扫气，若，大大超过弯流扫气，若再与适当的气口高度相配合，进气孔的流通能力比再与适当的气口高度相配合，进气孔的流通能力比横