第二章发动机换气过程

1、第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程 内容：内容：1.1.四冲程内燃机进排气过程；四冲程内燃机进排气过程；2.2.二冲程内燃机换气过程。二冲程内燃机换气过程。 知识点：四冲程内燃机换气过程；换气损失、泵气损失及其影响因素知识点：四冲程内燃机换气过程；换气损失、泵气损失及其影响因素，充量系数及其影响因素；，充量系数及其影响因素； 难点：四冲程内燃机换气过程；换气损失、泵气损失及其影响因素，难点：四冲程内燃机换气过程；换气损失、泵气损失及其影响因素，充气效率及其影响因素。充气效率及其影响因素。 发动机的换气过程包括排气过程和进气过程。其发动机的换气过程包括排气过程和进气过程。其任务是排除

2、缸内废气并充入尽可能多的新鲜空气。任务是排除缸内废气并充入尽可能多的新鲜空气。燃烧需要空气与燃料燃烧需要空气与燃料: : 重量比重量比 容积比容积比 燃料燃料 1 1 1 1 液态液态 空气空气 15 1000 15 1000 气态气态 燃料受机械控制，容易加入。而气缸容积就那么燃料受机械控制，容易加入。而气缸容积就那么大，要想多进空气就要困难得多。因此，对发动机换大，要想多进空气就要困难得多。因此，对发动机换气过程的研究就显得尤为重要了。气过程的研究就显得尤为重要了。 第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程第一节第一节 四冲程发动机的换气过程四冲程发动机的换气过程排气门升程排气门升程

3、进气门升程进气门升程气缸压力气缸压力气门升程与低压气门升程与低压p p示功图示功图第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程 自由排气阶段自由排气阶段 A A 排气门开排气门开 p p p p p = p p = p 靠缸内压力靠缸内压力, ,废气自由排出废气自由排出气缸，气缸， 其中其中: :p p缸内压力缸内压力, p, p排气管内压力。排气管内压力。排气管内压力强制排气阶段强制排气阶段 B B p = p p = p p p p p靠活塞上行将废气挤出气缸靠活塞上行将废气挤出气缸第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程1 1、排气过程、排气过程 一、一、 换气过程换气过程（排气

4、过程排气过程）12 1 1 下死点下死点 自由排气自由排气下死点下死点 上死点上死点 强制排气强制排气上死点上死点 2 2 扫气扫气（进气过程进气过程） 3 43 43 3上死点上死点 进气扫气进气扫气上死点上死点 下死点下死点 吸气吸气下死点下死点 4 4 过后进气过后进气进关进开排关排开第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程膨胀线 2 2 进气过程进气过程 由于节流作用由于节流作用, , 缸内产生负压缸内产生负压P0 - P ,使新鲜介质进入缸内。使新鲜介质进入缸内。气阀叠开角：非增压：气阀叠开角：非增压：2020 8080 CA CA。 太大（引起）太大（引起） 废气回流进气道。

5、废气回流进气道。 太小太小 扫气作用不明显。扫气作用不明显。 增压：增压： 8080 160160 CA CA。 扫气的作用：扫气的作用：(1), (1), 清除废气清除废气, , 增加气缸内的新鲜充量。增加气缸内的新鲜充量。(2), (2), 降低排气温度。降低排气温度。 (3), (3), 降低热负荷最严重处（如气阀、活塞等）的温度。降低热负荷最严重处（如气阀、活塞等）的温度。 3 3 气门叠开角气门叠开角（进、排气门同时开启的曲轴转角）（进、排气门同时开启的曲轴转角）第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程排气提前角排气提前角 排气门在膨胀冲程到达下止排气门在膨胀冲程到达下止点前的

6、某一曲轴转角位置提前点前的某一曲轴转角位置提前开启的角度。开启的角度。增加排气流通面积（时面值增加排气流通面积（时面值oror角面值），角面值），减少排气冲程所消耗的活塞推出功。减少排气冲程所消耗的活塞推出功。 作用作用 定义定义第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程排气阀升程排气门在上止点后关闭的角度。排气门在上止点后关闭的角度。排气门迟闭角排气门迟闭角 定义定义1,1,避免因排气流动截面积过早减小而造成的排气阻力的避免因排气流动截面积过早减小而造成的排气阻力的增加，使缸内的残余废气量增加。增加，使缸内的残余废气量增加。2,2,利用排气管内气体流动的惯性从气缸内抽吸一部分废利用排气管

7、内气体流动的惯性从气缸内抽吸一部分废气，实现过后排气。气，实现过后排气。3. 3. 扫气作用。扫气作用。 作用作用第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程进气提前角进气提前角为了增加进入气缸的新鲜充量，为了增加进入气缸的新鲜充量，进气门在上止点前提前开启的角进气门在上止点前提前开启的角度。度。 作用作用 定义定义 增加进气流通面积增加进气流通面积, ,提高充量系数。提高充量系数。扫气扫气( (特别是对增压的发动机特别是对增压的发动机) )第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程进气阀升程利用在进气过程中形成的利用在进气过程中形成的气流惯性气流惯性，实现向气缸，实现向气缸的过后充气，

8、增加缸内充量。的过后充气，增加缸内充量。进气门迟闭角进气门迟闭角为了增加进入气缸的新鲜充量，进气门在吸气为了增加进入气缸的新鲜充量，进气门在吸气下止点后，推迟关闭的角度。下止点后，推迟关闭的角度。 作用作用 定义定义第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程32气门叠开气门叠开 从进气门开启到排气门关闭从进气门开启到排气门关闭这段曲轴转角内，出现进排气门这段曲轴转角内，出现进排气门同时开启的现象。同时开启的现象。第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程自然吸气内燃机的换气过程自然吸气内燃机的换气过程 理论循环换气过程：理论循环换气过程：l排气门在下止点打开，没有排气门在下止点打开，没

9、有膨胀损失膨胀损失l进排气行程缸内压力与大气进排气行程缸内压力与大气压力相等，因而也没有泵气压力相等，因而也没有泵气损失。损失。实际循环换气过程：实际循环换气过程： 1. 1. 膨胀损失膨胀损失W W 2. 2. 推出损失推出损失X X 3. 3. 吸气损失吸气损失Y Y自然吸气内燃机实际换气过程自然吸气内燃机实际换气过程第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程 构成构成 1 1）排气过程损失）排气过程损失 膨胀损失膨胀损失+ +推出损失推出损失 2 2）进气过程损失）进气过程损失 与理论循环相比，实际循环在换气过程中所产与理论循环相比，实际循环在换气过程中所产生的功的损失。生的功的损失

10、。定义定义第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程膨胀损失膨胀损失 从排气门提前开启到下止点这一时期，由于提前从排气门提前开启到下止点这一时期，由于提前排气造成了缸内压力下降，使膨胀功减少排气造成了缸内压力下降，使膨胀功减少. .增压自然吸气第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程推出功损失推出功损失活塞由下止点向上止点的强制排气行程所消耗的功。活塞由下止点向上止点的强制排气行程所消耗的功。自然吸气增压第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程排气损失排气损失 膨胀损失和推出损失二者之和。膨胀损失和推出损失二者之和。第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程排气提前角和转速

11、对排气损失的影响排气提前角和转速对排气损失的影响 发动机的转速增加，相同的排气提前角所对应的排发动机的转速增加，相同的排气提前角所对应的排气时间就变短，通过排气门排出的废气量减少，膨胀损气时间就变短，通过排气门排出的废气量减少，膨胀损失减少，但缸内压力水平提高，因而活塞推出损失大大失减少，但缸内压力水平提高，因而活塞推出损失大大增加。增加。而适当增加排气提前角而适当增加排气提前角,虽然膨胀功有所损失虽然膨胀功有所损失,但可以但可以降低缸内压力降低缸内压力,减小强制排气的耗功。所以，减小强制排气的耗功。所以，排气提前角排气提前角的设定，应使排气损失功降到最小。的设定，应使排气损失功降到最小。第二

12、章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程进气损失进气损失 由于进气道、进气门等处存在流动阻力损失，在大部分曲由于进气道、进气门等处存在流动阻力损失，在大部分曲轴转角内发动机的缸内压力低于大气压力线（图轴转角内发动机的缸内压力低于大气压力线（图b b）或增压）或增压压力线（图压力线（图d d），从而造成循环有用功的减少。），从而造成循环有用功的减少。第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程一一 充气系数充气系数c 为比较不同大小、不同类型发动机的充气品质和换气为比较不同大小、不同类型发动机的充气品质和换气过程的完善程度过程的完善程度, , 不受气缸工作容积不受气缸工作容积VsVs的影响的

13、影响, , 引入充气引入充气系数系数c 的概念。的概念。 由于有进气阻力等因素的影响由于有进气阻力等因素的影响, , 实际进入气缸中的新鲜实际进入气缸中的新鲜充量必然小于理论上进气状态下充满工作容积的新鲜充量。充量必然小于理论上进气状态下充满工作容积的新鲜充量。二者之比称为二者之比称为充气系数充气系数( (也有的称为充气效率也有的称为充气效率) )第二节第二节 四冲程发动机的充气系数四冲程发动机的充气系数第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程VsVmmGGC100Gm V,1VsmG,00 其中：其中：实际充量的重量，质量和体积实际充量的重量，质量和体积 理论充量的重量，质量和体积理论

14、充量的重量，质量和体积 作容积的新鲜充量进气状态下充满气缸工量实际进入气缸的新鲜充即：C第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程 1VVc理论流量实际流量 1V/3hm/03. 060210003 hmn iVniVVSs实际发动机充气系数可直接测量实际发动机充气系数可直接测量 其中：其中：实际流量实际流量 充气系数是衡量换气过程完善程度的重要指标。充气系数是衡量换气过程完善程度的重要指标。 柴油机柴油机 0.750.750.900.90 汽油机汽油机 0.700.700.850.85第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程二、二、影响充气系数的因素影响充气系数的因素 apaSap

15、pp1 1、 进气终了的压力进气终了的压力 pa对对pa 的影响最大的影响最大 （1 1） 转速转速 n n pa进气系统的沿程阻力和局部阻力均会使进气系统的沿程阻力和局部阻力均会使增大。增大。 （PS:大气压力） papa cc paap 进气阻力第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程 （2 2）负荷）负荷 汽油机汽油机：负荷：负荷 节气门开度节气门开度 （质调节）（质调节） paTac柴油机柴油机：负荷：负荷 循环供油量循环供油量 （量调节）（与（量调节）（与无关）无关） 热负荷热负荷 （不大）（不大） paap c第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程caaT空气密度Ta

16、2 2、进气终了温度、进气终了温度caT 转速转速 负荷一定：负荷一定：n n Ta负荷负荷 转速一定：负荷转速一定：负荷 热负荷热负荷 c（进气与缸壁等高温零件接触的时间减少，使进气被加热的程度减少）第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程prprn2prTrTr3 3、排气终了压力、排气终了压力P Pr r（残余废气系数（残余废气系数） 残余废气量残余废气量 排气门处的阻力排气门处的阻力 所以所以 n n （影响较小）（影响较小） 5 5、压缩比、压缩比 上面的分析仅为定性分析用的，是粗略的。还有许多上面的分析仅为定性分析用的，是粗略的。还有许多因素未予考虑。如：压力升高比因素未予考

17、虑。如：压力升高比 ，绝热指数，绝热指数k k，热传输和，热传输和过量空气系数过量空气系数 等。等。4 4、排气终了温度、排气终了温度 cccc第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程第三节第三节 提高发动机充量系数的措施提高发动机充量系数的措施 一，降低进气系统的阻力进气系统由空气滤清器、化油器或喷油器、节气门、进气系统由空气滤清器、化油器或喷油器、节气门、进气管、进气道和进气门所组成。进气管、进气道和进气门所组成。时面值时面值 dtf目前四冲程发动机的进、排气阀均采用目前四冲程发动机的进、排气阀均采用菌形结构，其开启面积随凸轮升程而变化。菌形结构，其开启面积随凸轮升程而变化。时面值时

18、面值 c第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程1,减少进气门处的流动损失2.2.进气马赫数进气马赫数 进气马赫数进气马赫数Me是进气门处气体的平均速度是进气门处气体的平均速度Vm与该与该处声速处声速C C的比值的比值; ;CvMme/应限制在应限制在0.50.5以内以内. .充量系数与平均进气马赫数的关系充量系数与平均进气马赫数的关系第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程d进进气门流通面积活塞顶面积d进d排3. 3. 进气门直径和气门数进气门直径和气门数 一般一般: : 0.200.200.25 0.25 一般：一般： （影响小）（影响小） d进pad排pr c （影响大）（影

19、响大） cf1f1epeb四气门流通面积四气门流通面积 40% 40%左右。但结构复杂，造价较高。左右。但结构复杂，造价较高。 （可达（可达30%30%）c第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程 R R 流动阻力流动阻力 R R应适中。应适中。 cf1 c5. 5. 阀顶过渡圆角阀顶过渡圆角R R R R 4.4.气门升程气门升程h h h h ，时面值，时面值 c可变气门升程系统可以使发动机在整个工作范围内有合适的时面值，从而有较高的充量系数第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程不同进气门数的方案比较不同进气门数的方案比较I I代表进气门，代表进气门，E E代表排气门代表排气

20、门第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程1. 1. 进气管进气管 表面粗糙度和流通面积表面粗糙度和流通面积 表面粗糙度表面粗糙度 ，流通面积，流通面积 沿程阻力沿程阻力 c转弯和节流阻力转弯和节流阻力转弯半径转弯半径R R ，截面突变，截面突变 c 二、降低进气道、进气管和空气滤清器的阻力二、降低进气道、进气管和空气滤清器的阻力 第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程2. 2. 进气道进气道 转弯半径转弯半径R R ，表面光洁度，表面光洁度 ，各管口与垫片孔口对中，各管口与垫片孔口对中 流动阻力流动阻力 c 3 3，空气滤清器，空气滤清器 通道面积通道面积 ，除尘效果，除尘效果

21、 流动阻力流动阻力 c 经常清洗，更换纸芯。经常清洗，更换纸芯。第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程 三，减少对进气充量的加热三，减少对进气充量的加热 结构上主要从进、排气管的布置来处理，减少进气管的受热，降低进气温度。四四，降低排气系统的流通阻力降低排气系统的流通阻力 结构上：排气管的流道设计、消声器的阻力五，合理选择进、排气相位角五，合理选择进、排气相位角 传统固定进、排气定时，只能使发动机在一定的转速和负荷范围内，达到较好的充气效果。 现代发动机的可变定时（VVT）系统可以在发动机的整个工作范围内使充量系数保持在一个较好的水平。第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程六，

22、谐振进气、进气支管与可变气门正时六，谐振进气、进气支管与可变气门正时 由于气体惯性的影响和压力的变化，在进(排)气管内将产生压力波动，特别是在进气系统的进气门处如果能充分利用气流的惯性作用及压力波作用、则可增加进气量，提高充量系数。利用得不好反会使充量系数减少。第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程 由于进气压力的波动与进气管的长度有关. 一般高转速需要较短的进气管,低速需要较长的进气管。车用发动机的使用转速范围大,一种长度的进气管往往只能保证在一定的转速区间内，有较好的进气效果。正因为如此，在现代车用发动机上，就采用可变进气管技术来解决这个问题。考虑到结构和控制的复杂性，一般是采取低速和高速两段来进行控制。 第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程1，可变进气管长度，可变进气管长度在高速、大功率时，进气管应短粗；在中低速，最大在高速、大功率时，进气管应短粗；在中低速