内燃机构造与原理(4)

1、张张 志志 强强内燃机构造与原理内燃机构造与原理Email:内燃机构造与原理内燃机构造与原理l第一章内燃机概述第一章内燃机概述l第二章内燃机的工作原理第二章内燃机的工作原理l第三章第三章 内燃机的热力循环内燃机的热力循环l第四章第四章 内燃机的性能指标内燃机的性能指标l第五章第五章 曲柄连杆机构曲柄连杆机构l第六章第六章 内燃机换气过程与配气机构内燃机换气过程与配气机构l第七章第七章 柴油机燃油系统柴油机燃油系统l第八章第八章 汽油机燃油系统和点火系统汽油机燃油系统和点火系统l第九章第九章 润滑系统润滑系统/冷却系统冷却系统/起动装置起动装置曲柄连杆机构曲柄连杆机构 配气机构配气机构燃料供给系

2、燃料供给系点火系点火系 润滑系润滑系 冷却系冷却系起动系起动系 这些机构和系统保证了内这些机构和系统保证了内燃机连续不断地正常工作。燃机连续不断地正常工作。内燃机的总体构造内燃机的总体构造l内燃机换气过程包括排气过程与进气过程。换气过程的任务是将气缸内的废气内燃机换气过程包括排气过程与进气过程。换气过程的任务是将气缸内的废气排除干净并在一定的进气状态下，在有限的气缸容积内，尽可能地充入更多的排除干净并在一定的进气状态下，在有限的气缸容积内，尽可能地充入更多的充量充量空气（柴油机）或混合气（汽油机）。空气（柴油机）或混合气（汽油机）。l要提高内燃机的功率和转矩，就需要燃料在气缸内燃烧释放更多的能

3、量，这既要提高内燃机的功率和转矩，就需要燃料在气缸内燃烧释放更多的能量，这既有赖于进入气缸的燃料量，也有赖于进入气缸的空气量。对于内燃机来说，液有赖于进入气缸的燃料量，也有赖于进入气缸的空气量。对于内燃机来说，液体燃料所占的体积极小，气缸中燃烧所能放出热量的多少，主要受限于进入气体燃料所占的体积极小，气缸中燃烧所能放出热量的多少，主要受限于进入气缸空气量的多少。同时，为了使充量易于流入，还必须尽可能地将前一循环留缸空气量的多少。同时，为了使充量易于流入，还必须尽可能地将前一循环留在气缸内的废气排除干净。在气缸内的废气排除干净。换气过程进行的完善程度换气过程进行的完善程度，是保证内燃机动力性能，

4、是保证内燃机动力性能的前提和关键。的前提和关键。l功用：功用：按照内燃机各气缸的工作次序和配气相位完成换气过程，并在压缩行程按照内燃机各气缸的工作次序和配气相位完成换气过程，并在压缩行程和膨胀行程时保证气缸的密封性和膨胀行程时保证气缸的密封性。第六章第六章 内燃机换气过程与配气机构内燃机换气过程与配气机构l换气过程由换气过程由配气机构配气机构实现。四冲程内燃机均采用实现。四冲程内燃机均采用气门式气门式配气机构，而二冲程内配气机构，而二冲程内燃机则采用燃机则采用气口式气口式或或气口气门式气口气门式配气机构。配气机构。l气门式配气机构由气门式配气机构由气门组气门组和和气门传动组气门传动组两部分组成

5、。每组的零件组成则与两部分组成。每组的零件组成则与气门气门的位置的位置、凸轮轴的位置凸轮轴的位置和和气门驱动形式气门驱动形式等有关。现代内燃机均采用顶置式气门，等有关。现代内燃机均采用顶置式气门，即进、排气门置于气缸盖内，倒挂在气缸顶上。即进、排气门置于气缸盖内，倒挂在气缸顶上。l凸轮轴置于气缸盖上的配气机构为凸轮轴置于气缸盖上的配气机构为凸轮轴顶置式配气机构凸轮轴顶置式配气机构，其优点是往复运动，其优点是往复运动件少，特别是完全取消了挺柱、推杆等零件，整个机构刚度大，高速时由于往件少，特别是完全取消了挺柱、推杆等零件，整个机构刚度大，高速时由于往复质量惯性力引起的振动最小，广泛用于复质量惯性

6、力引起的振动最小，广泛用于高速发动机高速发动机。但这种机构由于曲轴和。但这种机构由于曲轴和凸轮轴的距离较远，两者之间的传动链长，常采用凸轮轴的距离较远，两者之间的传动链长，常采用链条传动链条传动或或齿形带传动齿形带传动。第六章第六章 内燃机换气过程与配气内燃机换气过程与配气机构机构1.四冲程内燃机的换气过程四冲程内燃机的换气过程第六章第六章 内燃机换气过程与配气机构内燃机换气过程与配气机构 换气过程换气过程l四冲程内燃机的换气过程包括从四冲程内燃机的换气过程包括从排气门开始开启直到进气门完全关闭排气门开始开启直到进气门完全关闭的整个时期，约占的整个时期，约占380480CA（曲轴转角）。根据气

7、体流动的特点，可以把换气过程分成自由排气、强制排气、进（曲轴转角）。根据气体流动的特点，可以把换气过程分成自由排气、强制排气、进气、气门叠开及燃烧室扫气四个阶段。气、气门叠开及燃烧室扫气四个阶段。l自由排气阶段自由排气阶段：从排气门开启到气缸内压力达到或接近于排气管压力的时期称为自由排气阶段。由于：从排气门开启到气缸内压力达到或接近于排气管压力的时期称为自由排气阶段。由于气门动作的初期只能逐渐增大其流通截面，如果排气门刚好在活塞到达下止点时才开始开启，则因气气门动作的初期只能逐渐增大其流通截面，如果排气门刚好在活塞到达下止点时才开始开启，则因气门流通截面增大过慢，不仅使排气阻力增加，不能迅速排

8、除废气，而且在活塞又向上止点运动时形成门流通截面增大过慢，不仅使排气阻力增加，不能迅速排除废气，而且在活塞又向上止点运动时形成较大的反压力，增加排气行程中所消耗的功。因此排气门在膨胀行程接近终了、活塞尚未到达下止点较大的反压力，增加排气行程中所消耗的功。因此排气门在膨胀行程接近终了、活塞尚未到达下止点前就开始打开，这就是所谓前就开始打开，这就是所谓排气提前排气提前（排气提前角一般为（排气提前角一般为3080CA，会带来排气损失会带来排气损失）。）。l自由排气阶段中，废气的流动状态分为超临界状态和亚临界状态两自由排气阶段中，废气的流动状态分为超临界状态和亚临界状态两种（种（由气缸压力与排气管压力

9、之比大小决定，当大于临界值由气缸压力与排气管压力之比大小决定，当大于临界值1.9时为时为超临界状态超临界状态）。在超临界排气时期，废气流量与排气管内压力无关，）。在超临界排气时期，废气流量与排气管内压力无关，而只决定于气缸内的气体状态和气门流通截面大小。在高速内燃机而只决定于气缸内的气体状态和气门流通截面大小。在高速内燃机中，为使气缸废气压力及时下降，需加大排气提前角（中，为使气缸废气压力及时下降，需加大排气提前角（因为转速越因为转速越高，相对应的排气时间越短高，相对应的排气时间越短）。）。l当气缸内压力下降到与排气管内压力之比低于临界值当气缸内压力下降到与排气管内压力之比低于临界值1.9时，

10、废气的时，废气的流动状态由超临界而进入到亚临界状态。其排出流量除了与气缸内流动状态由超临界而进入到亚临界状态。其排出流量除了与气缸内的气体状态及气门流通界面的大小有关外，还将取决于气缸内和排的气体状态及气门流通界面的大小有关外，还将取决于气缸内和排气管内的压力差。气管内的压力差。l在自由排气阶段中，在自由排气阶段中，从气缸内排出的废气量与内燃机的转速完全无从气缸内排出的废气量与内燃机的转速完全无关关，因此随着转速的增加，自由排气阶段拖延到下止点以后的曲轴，因此随着转速的增加，自由排气阶段拖延到下止点以后的曲轴转角度数也愈大（转角度数也愈大（因此随发动机转速的增加应相应增大排气提前因此随发动机转

11、速的增加应相应增大排气提前角角），一般是在下止点后），一般是在下止点后1030CA才结束，而后转入才结束，而后转入强制排气强制排气阶段阶段。自由排气阶段虽然占整个排气时间的比例不大，但由于排气。自由排气阶段虽然占整个排气时间的比例不大，但由于排气流速很高，流速很高，排出的废气量可达排出的废气量可达60%以上以上。1.四冲程内燃机的换气过程四冲程内燃机的换气过程第六章第六章 内燃机换气过程与配气机构内燃机换气过程与配气机构 换气过程换气过程l强制排气阶段强制排气阶段：在这一阶段，气缸内的废气被上行活塞强制推出。此时气缸内的平均压力：在这一阶段，气缸内的废气被上行活塞强制推出。此时气缸内的平均压力

12、要比排气管内平均压力略高一些，这压力差主要是要比排气管内平均压力略高一些，这压力差主要是排气门通道处节流排气门通道处节流的结果。流速越高，的结果。流速越高，此差值越大。此差值越大。l在强制排气阶段接近终了时，如果排气门开始关闭，会产生较大的节流作用，这时活塞还在向上运动，在强制排气阶段接近终了时，如果排气门开始关闭，会产生较大的节流作用，这时活塞还在向上运动，使气缸内压力上升，结果是增加了排气消耗功和残余废气量。因此，排气门的完全关闭不能恰恰在活使气缸内压力上升，结果是增加了排气消耗功和残余废气量。因此，排气门的完全关闭不能恰恰在活塞到达上止点之时，而应在活塞过了上止点之后，这就是所谓的塞到达

13、上止点之时，而应在活塞过了上止点之后，这就是所谓的排气迟闭排气迟闭。此外，排气门的延迟关闭，。此外，排气门的延迟关闭，还可以利用排气管中气体的高速流动惯性把气缸内的废气继续吸出，以降低残余废气量和增加充量。还可以利用排气管中气体的高速流动惯性把气缸内的废气继续吸出，以降低残余废气量和增加充量。通常，内燃机的排气滞后角为上止点后通常，内燃机的排气滞后角为上止点后1035CA。l进气提前角大约为上止点前进气提前角大约为上止点前040CA。但是。但是充量真正开始吸入充量真正开始吸入要待气缸内残余废气膨胀到低于进气管内进气压力之后要待气缸内残余废气膨胀到低于进气管内进气压力之后。l进气门也必须在活塞过

14、了下止点以后的某一时刻才能完全关闭，这进气门也必须在活塞过了下止点以后的某一时刻才能完全关闭，这就是所谓的就是所谓的进气迟闭进气迟闭。以便利用进气过程中高速气流的惯性在下止。以便利用进气过程中高速气流的惯性在下止点后继续充气而增加气缸充气量（点后继续充气而增加气缸充气量（因此高速时进气迟闭角应相对大因此高速时进气迟闭角应相对大一些一些）。一般的进气滞后角是在下止点后）。一般的进气滞后角是在下止点后2060CA（过大的进过大的进气滞后角会导致冷起动困难：起动时，转速低，气流惯性小，进气气滞后角会导致冷起动困难：起动时，转速低，气流惯性小，进气不足，而且易发生气流倒流进入进气管的现象，影响有效压缩

15、比，不足，而且易发生气流倒流进入进气管的现象，影响有效压缩比，使压缩终了温度、压力降低，起动困难使压缩终了温度、压力降低，起动困难）。）。气缸中活塞对充量的真气缸中活塞对充量的真正压缩是在进气门关闭之后正压缩是在进气门关闭之后。l进气过程进气过程：在活塞到达上止点之前，进气门已经开始开启，：在活塞到达上止点之前，进气门已经开始开启，以便使活塞下行时进气门具有一定的通道面积，减小进气以便使活塞下行时进气门具有一定的通道面积，减小进气阻力。阻力。1.四冲程内燃机的换气过程四冲程内燃机的换气过程第六章第六章 内燃机换气过程与配气机构内燃机换气过程与配气机构 换气过程换气过程l气门叠开及燃烧室扫气过程

16、气门叠开及燃烧室扫气过程：由于在实际的内燃机配气过程中存在着：由于在实际的内燃机配气过程中存在着进气提前进气提前和和排气滞后排气滞后。这样，在排气（进气）行程上止点的一段时间内出现了进、排气门同时开启的现象，称为这样，在排气（进气）行程上止点的一段时间内出现了进、排气门同时开启的现象，称为气门叠开气门叠开。气门叠开的结果是把。气门叠开的结果是把进气系统、燃烧室和排气系统进气系统、燃烧室和排气系统三者在这一时期内沟通起来。三者在这一时期内沟通起来。l汽油机中，进气总管中节流阀开度用于调节发动机功率。当节流阀开度较小而转速较低时，汽油机中，进气总管中节流阀开度用于调节发动机功率。当节流阀开度较小而

17、转速较低时，进气管内进气管内压力低压力低，进气门过早开启会促使高温废气倒流到进气管中，既减少了气缸的充量，又容易引起进气管，进气门过早开启会促使高温废气倒流到进气管中，既减少了气缸的充量，又容易引起进气管中的中的回火现象回火现象。因此，汽油机的进排气重叠角一般都比较小，约为。因此，汽油机的进排气重叠角一般都比较小，约为2050CA。l在非增压柴油机中，其进气管内压力始终接近于大气压力（在非增压柴油机中，其进气管内压力始终接近于大气压力（并并且不存在回火现象且不存在回火现象）。为了更好地发挥进气提前和排气滞后的）。为了更好地发挥进气提前和排气滞后的有利作用，已达到提高在常用转速范围内气缸充量的目

18、的，可有利作用，已达到提高在常用转速范围内气缸充量的目的，可以 允 许 采 用 较 大 的 进 排 气 重 叠 角 ， 其 数 值 通 常 在以 允 许 采 用 较 大 的 进 排 气 重 叠 角 ， 其 数 值 通 常 在2070CA范围内。范围内。l在增压柴油机中，一般都要利用进、排气管压差组织燃烧室扫在增压柴油机中，一般都要利用进、排气管压差组织燃烧室扫气过程，即促使充量以一定的数量扫过燃烧室而直接流入排气气过程，即促使充量以一定的数量扫过燃烧室而直接流入排气管内，这管内，这不仅可以更多地清除燃烧室中的残余废气不仅可以更多地清除燃烧室中的残余废气，增加气缸，增加气缸内的充量，还可借扫气期

19、间通过的低温充量内的充量，还可借扫气期间通过的低温充量冷却气缸内的高温冷却气缸内的高温零件零件，降低其热负荷，此外也降低了，降低其热负荷，此外也降低了排气温度，这对改善增压排气温度，这对改善增压器中涡轮叶片的工作条件具有很大的意义器中涡轮叶片的工作条件具有很大的意义。因此，在增压柴油。因此，在增压柴油机中一般采用比非增压柴油机大得多的进排气重叠角，其数值机中一般采用比非增压柴油机大得多的进排气重叠角，其数值约在约在100140CA范围内。范围内。1.四冲程内燃机的换气过程四冲程内燃机的换气过程第六章第六章 内燃机换气过程与配气机构内燃机换气过程与配气机构 换气损失换气损失l换气损失换气损失：内

20、燃机理论循环的换气功与实际循环的换气功：内燃机理论循环的换气功与实际循环的换气功之差。之差。在进排气过程线之间所包围的面积即代表了活塞在在进排气过程线之间所包围的面积即代表了活塞在换气过程中所消耗的换气功换气过程中所消耗的换气功。l换气损失由换气损失由排气损失排气损失和和进气损失进气损失两部分相加而成。两部分相加而成。l排气损失排气损失：从排气门提前打开，直到进气行程开始，气缸：从排气门提前打开，直到进气行程开始，气缸内压力达到大气压力时，在这段时期内所损失的功为排气内压力达到大气压力时，在这段时期内所损失的功为排气损失。排气损失又可分为损失。排气损失又可分为膨胀损失膨胀损失w和和推出损失推出

21、损失x（即气（即气缸内气压高于大气压力的部分）两部分。缸内气压高于大气压力的部分）两部分。四冲程非增压内燃机换气过程示功图四冲程非增压内燃机换气过程示功图l膨胀损失膨胀损失：因排气门提前开启而引起的膨胀功的：因排气门提前开启而引起的膨胀功的减少。减少。推出损失推出损失：活塞把废气推出所消耗的功。：活塞把废气推出所消耗的功。l随着排气提前角的加大，膨胀损失将随之增大，随着排气提前角的加大，膨胀损失将随之增大，而推出损失则相应减小（而推出损失则相应减小（曲线曲线b）。排气提前角）。排气提前角减小，推出损失增大（减小，推出损失增大（曲线曲线c）。应选择最有利的）。应选择最有利的排气提前角，以使膨胀损

22、失与推出损失之和最小。排气提前角，以使膨胀损失与推出损失之和最小。l流动损失与气流的速度成正比。当内燃机的转速流动损失与气流的速度成正比。当内燃机的转速升高时，排气损失也随之增大（升高时，排气损失也随之增大（发动机膨胀损失发动机膨胀损失增大幅度远远小于推出损失增大幅度远远小于推出损失）。）。l因此，因此，高速内燃机为了使气缸内的压力及时下降，高速内燃机为了使气缸内的压力及时下降，减少排气损失，应选用较大的排气提前角减少排气损失，应选用较大的排气提前角。1.四冲程内燃机的换气过程四冲程内燃机的换气过程第六章第六章 内燃机换气过程与配气机构内燃机换气过程与配气机构 换气损失换气损失l进气损失进气损

23、失：进气压力线位于大气压力线之下，：进气压力线位于大气压力线之下，可用图中相当的面积可用图中相当的面积y大小表示进气损失。大小表示进气损失。l与排气损失相比，与排气损失相比，进气损失相对较小进气损失相对较小。就进气。就进气过程的组织而言，希望获得较高的充量系数，过程的组织而言，希望获得较高的充量系数，而而进气损失本身通常对内燃机的功率和热效率进气损失本身通常对内燃机的功率和热效率只有微小的影响只有微小的影响。但进气损失的大小却反映进。但进气损失的大小却反映进气过程完善程度的重要参数气过程完善程度的重要参数充量系数充量系数。l为了提高充量系数，必须设法减小进气损失为了提高充量系数，必须设法减小进

24、气损失。加大进气门流通截面，正确设计进气流道，降加大进气门流通截面，正确设计进气流道，降低活塞平均速度以及合理地调整配气相位等，低活塞平均速度以及合理地调整配气相位等，都可以减少进气损失。都可以减少进气损失。四冲程非增压内燃机换气过程示功图四冲程非增压内燃机换气过程示功图换气损失随内燃机转速的变化换气损失随内燃机转速的变化l以活塞的上、下止点为基准计算的进、排以活塞的上、下止点为基准计算的进、排气门开闭时间，用曲轴转角表示，即称为气门开闭时间，用曲轴转角表示，即称为配气相位配气相位（或称（或称配气正时配气正时）。用配气相位）。用配气相位图可知内燃机的进气提前角图可知内燃机的进气提前角、进气滞后

25、角、进气滞后角、进气持续角（、进气持续角（180+ + ）、排气提前）、排气提前角角、排气滞后角、排气滞后角、排气持续角（、排气持续角（ 180+ + ）和进排气门重叠角（）和进排气门重叠角（ + ）等。）等。l不同的内燃机其配气相位是不一样的。对不同的内燃机其配气相位是不一样的。对同一台内燃机来说，最佳配气相位也是随同一台内燃机来说，最佳配气相位也是随转速和负荷的改变而变化的。近年来，在转速和负荷的改变而变化的。近年来，在高性能车用内燃机上采用高性能车用内燃机上采用可变气门正时机可变气门正时机构构，可以满足转速变化对配气正时的不同，可以满足转速变化对配气正时的不同要求，以保证车辆高、低速都获

26、得良好的要求，以保证车辆高、低速都获得良好的性能。但是对于一般内燃机来说，其运转性能。但是对于一般内燃机来说，其运转时配气相位是不能随时调整的。因此，通时配气相位是不能随时调整的。因此，通常所说的某种内燃机的配气相位，都是指常所说的某种内燃机的配气相位，都是指在标定工况或最大扭矩工况下配气相位的在标定工况或最大扭矩工况下配气相位的最佳值，是经过反复试验选定的（表最佳值，是经过反复试验选定的（表5-1） 。第六章第六章 内燃机换气过程与配气机构内燃机换气过程与配气机构1.四冲程内燃机的换气过程四冲程内燃机的换气过程 配气相位配气相位2.内燃机的充量系数及其影响因素内燃机的充量系数及其影响因素第六

27、章第六章 内燃机换气过程与配气机构内燃机换气过程与配气机构 充量系数的分析式充量系数的分析式l充量系数充量系数是衡量内燃机换气过程完善程度的一个重要参数。提高充量系数使气缸进入更多是衡量内燃机换气过程完善程度的一个重要参数。提高充量系数使气缸进入更多的充量而增强内燃机的动力性，是换气过程研究的主要问题之一。的充量而增强内燃机的动力性，是换气过程研究的主要问题之一。l为简化讨论，假定进气过程在活塞到达下止点时结束，并同时开始压缩。则进气终点的气为简化讨论，假定进气过程在活塞到达下止点时结束，并同时开始压缩。则进气终点的气体状态方程为体状态方程为ar1aa)(8314TMMVp 式中：式中： 、

28、、 分别为进气终点的压力、温度、以及气缸内气体所占的体积；分别为进气终点的压力、温度、以及气缸内气体所占的体积； 为每循环的残余废气量。为每循环的残余废气量。apaVaTrM每循环实际进入气缸的充量为每循环实际进入气缸的充量为araa1)8314(1TVpM 式中：式中： 称为残余废气系数，也是衡量换称为残余废气系数，也是衡量换气干净程度的标志之一。气干净程度的标志之一。1rrMM 在大气状态参数下可能充满气缸工作容积的充量状态方程为在大气状态参数下可能充满气缸工作容积的充量状态方程为0shs08314TMVp 由此由此0ca00s0sh8314)(8314TVVpTVpM 代入代入（3-21

29、）充量系数表达式）充量系数表达式可得：可得：r00ac111 aTTpp2.内燃机的充量系数及其影响因素内燃机的充量系数及其影响因素第六章第六章 内燃机换气过程与配气机构内燃机换气过程与配气机构 充量系数的分析式充量系数的分析式l由公式可知，充量系数由公式可知，充量系数c与进气终点的压力与进气终点的压力pa成正比（成正比（最为重要的影响因素最为重要的影响因素），与进气终），与进气终点的温度点的温度Ta成反比，并与内燃机的压缩比及残余废气系数有关。成反比，并与内燃机的压缩比及残余废气系数有关。l由于在进气过程中有流动损失；并且充量进入气缸后要从高温的燃烧室壁面吸收热量，气由于在进气过程中有流动损

30、失；并且充量进入气缸后要从高温的燃烧室壁面吸收热量，气缸内的残余废气与充量混合后也将使充量的温度进一步升高，这些因素的影响都使充量的缸内的残余废气与充量混合后也将使充量的温度进一步升高，这些因素的影响都使充量的密度下降，从而使实际进入气缸的充量要小于理论上能够充满气缸工作容积的充量，即在密度下降，从而使实际进入气缸的充量要小于理论上能够充满气缸工作容积的充量，即在一般情况下，一般情况下，内燃机的充量系数内燃机的充量系数c总是小于总是小于1的的（由式（由式3-21可知）。可知）。r00ac111 aTTppc的大致范围是：的大致范围是：四冲程非增压柴油机四冲程非增压柴油机 0.750.9四冲程增

31、压柴油机四冲程增压柴油机 0.91.05汽油机汽油机 0.70.852.内燃机的充量系数及其影响因素内燃机的充量系数及其影响因素第六章第六章 内燃机换气过程与配气机构内燃机换气过程与配气机构 影响充量系数的主要因素影响充量系数的主要因素进气终点压力进气终点压力paa0appp 式中：式中：pa气体流动时，由于进气系统阻力引起的压降。气体流动时，由于进气系统阻力引起的压降。gvp220a 式中：式中：管道阻力系数；管道阻力系数；0大气的容重；大气的容重；v管道内气体流速。由此可知管道内气体流速。由此可知pa大小主要取决于大小主要取决于值和气体流速值和气体流速v。 整个进气系统可视为若干不同管道的

32、组合，整个进气系统可视为若干不同管道的组合， pa是气体流过各段管道时所产生是气体流过各段管道时所产生压力降的总和。其中进气门处流通截面最小，气体流速最大，是产生进气阻力的主要压力降的总和。其中进气门处流通截面最小，气体流速最大，是产生进气阻力的主要部位。为了便于分析，可近似地将进气过程看作是一个稳定流动过程，则进气门处气部位。为了便于分析，可近似地将进气过程看作是一个稳定流动过程，则进气门处气体的连续流量方程为体的连续流量方程为mFvfv 111 m1211m111vdDvfFv 式中：式中：1流过进气门处的平均流量系数；流过进气门处的平均流量系数；v1进进气门处的平均流速；气门处的平均流速

33、；vm活塞平均速度；活塞平均速度；f1、F分别为进气门和活塞顶面积；分别为进气门和活塞顶面积；d1、D分别为进气分别为进气门和活塞顶直径。门和活塞顶直径。局部流动阻力损失的一般公式局部流动阻力损失的一般公式2.内燃机的充量系数及其影响因素内燃机的充量系数及其影响因素第六章第六章 内燃机换气过程与配气机构内燃机换气过程与配气机构 影响充量系数的主要因素影响充量系数的主要因素进气终点压力进气终点压力pam1211m111vdDvfFv 由此可知，进气门处的平均流速决定于气门直径由此可知，进气门处的平均流速决定于气门直径d1、气门处的结构情况（气门处的结构情况（1）以及活塞平均速度）以及活塞平均速度

34、vm（或（或内燃机内燃机转速转速n）。）。2121221012nKgvdDpm 式中：式中： 进气门处阻力系数；进气门处阻力系数；n内燃机转速；内燃机转速；K比比例常数。例常数。1 进气阻力损失与进气系统的阻力系数成正比，与进气阻力损失与进气系统的阻力系数成正比，与内燃机转速的平方成正比内燃机转速的平方成正比。当内燃机的负荷不变，而转。当内燃机的负荷不变，而转速升高时，进气阻力损失将显著增加（平方关系），使速升高时，进气阻力损失将显著增加（平方关系），使进气终点压力进气终点压力pa迅速下降。迅速下降。汽油机不同节气门开度、不同转速时的进气压力汽油机不同节气门开度、不同转速时的进气压力2.内燃机

35、的充量系数及其影响因素内燃机的充量系数及其影响因素第六章第六章 内燃机换气过程与配气机构内燃机换气过程与配气机构 影响充量系数的主要因素影响充量系数的主要因素进气终点压力进气终点压力pa 当内燃机转速一定当内燃机转速一定，而负荷变化时，由于柴油机和汽油机，而负荷变化时，由于柴油机和汽油机负荷调节的方法不同，因而负荷调节的方法不同，因而pa随负荷的变化也不一样：随负荷的变化也不一样： 在柴油机中，进入气缸的空气量基本不变，调节功率的方在柴油机中，进入气缸的空气量基本不变，调节功率的方法是改变进入气缸的燃料量，即改变混合气的浓度，称为法是改变进入气缸的燃料量，即改变混合气的浓度，称为“质质调节调节

36、”。由于转速不变，进气系统又无节流装置，故流动阻力。由于转速不变，进气系统又无节流装置，故流动阻力基本不变，进气终点压力基本不变，进气终点压力pa值也基本不变或随负荷的上升而稍值也基本不变或随负荷的上升而稍有下降（这是由于缸壁和热零件温度有所上升而引起的）。有下降（这是由于缸壁和热零件温度有所上升而引起的）。 在汽油机中，进入气缸的是混合气。调节功率的方法是通在汽油机中，进入气缸的是混合气。调节功率的方法是通过改变节气门开度来调节进入气缸混合气数量的多少，称之为过改变节气门开度来调节进入气缸混合气数量的多少，称之为“量调节量调节”。当转速不变而减小负荷时（即减小节气门开度），。当转速不变而减小

37、负荷时（即减小节气门开度），由于进气的节流损失增加，引起由于进气的节流损失增加，引起pa下降。下降。 由图可知：（由图可知：（1）当节气门开度一定时，转速增加，当节气门开度一定时，转速增加，pa下下降降；（；（2）当转速一定而节气门开度逐渐减小时，当转速一定而节气门开度逐渐减小时，pa迅速下降迅速下降；（3）节气门保持的开度愈小，节气门保持的开度愈小，pa随转速的增加下降得愈快，即随转速的增加下降得愈快，即曲线变化越陡曲线变化越陡。 由此可见，负荷变化时，柴油机和汽油机由此可见，负荷变化时，柴油机和汽油机pa的变化不同：的变化不同：柴油机柴油机pa基本不随负荷而变化，而汽油机基本不随负荷而变化

38、，而汽油机pa随负荷变化显著随负荷变化显著。汽油机不同节气门开度、不同转速时的进气压力汽油机不同节气门开度、不同转速时的进气压力2.内燃机的充量系数及其影响因素内燃机的充量系数及其影响因素第六章第六章 内燃机换气过程与配气机构内燃机换气过程与配气机构 影响充量系数的主要因素影响充量系数的主要因素进气终点温度进气终点温度Ta 进气终点温度越高，则进入气缸的充量的密度越小，因而使充量系数下降。进气终点温度越高，则进入气缸的充量的密度越小，因而使充量系数下降。 进气终点温度的大小受到进气温度、燃烧室高温壁面对充量的加热以及充量与高进气终点温度的大小受到进气温度、燃烧室高温壁面对充量的加热以及充量与高

39、温残余废气混合而被加热等因素的影响，其中主要决定于温残余废气混合而被加热等因素的影响，其中主要决定于在进气过程中燃烧室壁面和在进气过程中燃烧室壁面和充量之间的热传导充量之间的热传导。 当当内燃机负荷不变而转速升高内燃机负荷不变而转速升高时，单位时间内的循环次数增加，燃烧室壁面的温时，单位时间内的循环次数增加，燃烧室壁面的温度有所提高，加强了向充量的传热；而从另一方面看，随着转速的升高、充量与高温度有所提高，加强了向充量的传热；而从另一方面看，随着转速的升高、充量与高温零件的接触时间相对缩短，故传热又趋减弱。由于后者影响较大，所以随着转速的升零件的接触时间相对缩短，故传热又趋减弱。由于后者影响较

40、大，所以随着转速的升高，进气终点温度稍有下降。高，进气终点温度稍有下降。 当当内燃机转速一定而负荷增加内燃机转速一定而负荷增加（即（即增加进入气缸内的混合气或燃油增加进入气缸内的混合气或燃油）时，燃烧室）时，燃烧室壁面温度被提高，使进气终点温度有所上升。此外，冷却强度减弱时，进气终点温度壁面温度被提高，使进气终点温度有所上升。此外，冷却强度减弱时，进气终点温度也会升高。也会升高。在柴油机和汽油喷射式汽油机中，进气管和排气管一般都布置在机体的两侧，在柴油机和汽油喷射式汽油机中，进气管和排气管一般都布置在机体的两侧，为什么？而传统的化油器式汽油机中，进、排气管常连接成一个部件，为什为什么？而传统的

41、化油器式汽油机中，进、排气管常连接成一个部件，为什么？么？2.内燃机的充量系数及其影响因素内燃机的充量系数及其影响因素第六章第六章 内燃机换气过程与配气机构内燃机换气过程与配气机构 影响充量系数的主要因素影响充量系数的主要因素残余废气系数残余废气系数r 残余废气系数减小，则充量系数就会增加（即残余废气系数减小，则充量系数就会增加（即气缸内上一循环留下的废气量愈少，气缸内上一循环留下的废气量愈少，则可能吸入的充量将会愈多则可能吸入的充量将会愈多）。）。 气缸中残余废气增多，不仅使残余废气系数下降，而且使燃烧恶化。特别是气缸中残余废气增多，不仅使残余废气系数下降，而且使燃烧恶化。特别是汽油汽油机低

42、负荷运转机低负荷运转时，因节气门关小，新鲜充量减少，残余废气系数增加，稀释混合气，时，因节气门关小，新鲜充量减少，残余废气系数增加，稀释混合气，使燃烧过程缓慢，从而造成汽油机低负荷工作不稳定，经济性和排放性能变差。使燃烧过程缓慢，从而造成汽油机低负荷工作不稳定，经济性和排放性能变差。 在在增压柴油机增压柴油机中，由于进排气重叠角较大，燃烧室有较强烈的扫气作用，其残余中，由于进排气重叠角较大，燃烧室有较强烈的扫气作用，其残余废气系数很小，甚至可忽略不计。此外，由于燃烧室的扫气作用，还使燃烧室壁面得废气系数很小，甚至可忽略不计。此外，由于燃烧室的扫气作用，还使燃烧室壁面得到较充分的冷却，充量受到燃

43、烧室壁面及残余废气的加热减少，使进气终点温度较小。到较充分的冷却，充量受到燃烧室壁面及残余废气的加热减少，使进气终点温度较小。故增压柴油机的充量系数相对较小，并故增压柴油机的充量系数相对较小，并有可能出现大于有可能出现大于1的值的值。3.提高充量系数的措施提高充量系数的措施第六章第六章 内燃机换气过程与配气机构内燃机换气过程与配气机构 减少进气门处的流动损失减少进气门处的流动损失增大进气门直径增大进气门直径 进气门处的流动损失与气体流速的平方成正比，即气体流速的大小是决定流动损失的进气门处的流动损失与气体流速的平方成正比，即气体流速的大小是决定流动损失的主要因素。增大进气门直径不但可以主要因素

44、。增大进气门直径不但可以降低该处的气流速度降低该处的气流速度，而且可以，而且可以降低该处的阻力系数降低该处的阻力系数，这对减少进气门处的流动损失、提高充量系数具有显著的效果。目前在双气门（一排、一这对减少进气门处的流动损失、提高充量系数具有显著的效果。目前在双气门（一排、一进）结构中，进）结构中，进气门直径可达活塞直径的进气门直径可达活塞直径的45%50%，气门直径与活塞面积之比为，气门直径与活塞面积之比为0.20.25。增大进气门对充量系数的效益大大超过由于排气门缩小而使排气压力增加所带来的充量系增大进气门对充量系数的效益大大超过由于排气门缩小而使排气压力增加所带来的充量系数减小的损失，数减

45、小的损失，进气门比排气门一般大进气门比排气门一般大15%20%。但。但排气门直径也不能过分缩小，以免造排气门直径也不能过分缩小，以免造成较大的排气损失和残余废气量成较大的排气损失和残余废气量。因此，通过增大进气门直径的方式来提高充量系数，。因此，通过增大进气门直径的方式来提高充量系数，是是受到限制的受到限制的。 在整个进气系统中，进气门处的流通截面最小而且截面变化很大，因而进气的流动损在整个进气系统中，进气门处的流通截面最小而且截面变化很大，因而进气的流动损失大部分发生在该处，应首先给予考虑。失大部分发生在该处，应首先给予考虑。3.提高充量系数的措施提高充量系数的措施第六章第六章 内燃机换气过

46、程与配气机构内燃机换气过程与配气机构 减少进气门处的流动损失减少进气门处的流动损失采用四气门（二进、二排）或五气门（三进、二排）结构采用四气门（二进、二排）或五气门（三进、二排）结构 通过多气门结构，可大大增加进气门的流通面积，同时也增加了排气通过多气门结构，可大大增加进气门的流通面积，同时也增加了排气流通截面，对提高充量系数十分有利。流通截面，对提高充量系数十分有利。4气门技术相比气门技术相比2气门而言，气门而言，进排气进排气面积大，充量系数提高，泵气损失小，动力性能提高，且燃油消耗率下降。面积大，充量系数提高，泵气损失小，动力性能提高，且燃油消耗率下降。但结构复杂，造价较高，但结构复杂，造

47、价较高，多用于转速较高的车用汽油机上多用于转速较高的车用汽油机上。采用。采用5气门技气门技术，其术，其高速性能进一步改善高速性能进一步改善。4气门发动机与气门发动机与2气门发动机性能比较气门发动机性能比较4气门发动机与气门发动机与5气门发动机扭矩比较气门发动机扭矩比较3.提高充量系数的措施提高充量系数的措施第六章第六章 内燃机换气过程与配气机构内燃机换气过程与配气机构 减少进气门处的流动损失减少进气门处的流动损失采用四气门（二进、二排）或五气门（三进、二排）结构采用四气门（二进、二排）或五气门（三进、二排）结构二气门机构，进气门头部直径比排气二气门机构，进气门头部直径比排气门大门大15%30%

48、（由于排气阻力对发动由于排气阻力对发动机性能的影响比进气阻力小机性能的影响比进气阻力小）排量较小（排量较小（1.5L以下）的车用汽油机也有采用以下）的车用汽油机也有采用三气门机三气门机构构，两个进气门，一个排气门，排气门直径比进气门大，两个进气门，一个排气门，排气门直径比进气门大，可增大充量系数，但火花塞较难布置在燃烧室中央可增大充量系数，但火花塞较难布置在燃烧室中央四气门机构四气门机构，进排气充分，进气量增加，发动机转矩和功率提高；每个气，进排气充分，进气量增加，发动机转矩和功率提高；每个气门直径减小，质量减轻，惯性力减小，有利于提高发动机转速；多采用蓬门直径减小，质量减轻，惯性力减小，有利

49、于提高发动机转速；多采用蓬形燃烧室（形燃烧室（多球形燃烧室多球形燃烧室），火花塞布置在燃烧室中央，有利于燃烧），火花塞布置在燃烧室中央，有利于燃烧五气门机构，三个进气门，两个排气五气门机构，三个进气门，两个排气门，明显增加充量系数，但机构更加门，明显增加充量系数，但机构更加复杂复杂u HEMI燃烧室燃烧室第六章第六章 内燃机换气过程与配气机构内燃机换气过程与配气机构Hemispherical combustion chambers（半球形燃烧室）（半球形燃烧室） 平顶缸盖结构平顶缸盖结构HEMI半球形缸盖结构半球形缸盖结构 美国汽车工业黄金美国汽车工业黄金20年中（上世纪年中（上世纪50年代到

50、年代到70年代），年代），克莱斯勒克莱斯勒的的HEMI发动机一直是性能最强劲、最受消费者欢迎的发动机代表作。发动机一直是性能最强劲、最受消费者欢迎的发动机代表作。 平顶缸盖（平顶缸盖（已消失已消失）受制于配气机构的物理结构，气门大小一直有限。）受制于配气机构的物理结构，气门大小一直有限。HEMI发动机的半球形设计，可以将气门置于顶盖之中，并且气门面积做大，发动机的半球形设计，可以将气门置于顶盖之中，并且气门面积做大，可大幅提升进排气效率，这也是四气门技术大量应用之前，最为高效的两可大幅提升进排气效率，这也是四气门技术大量应用之前，最为高效的两气门技术之一。气门技术之一。 为了实现单缸四气门结构

51、，为了实现单缸四气门结构，HEMI对半球形燃烧室进行改造，变成棱顶对半球形燃烧室进行改造，变成棱顶型燃烧室。型燃烧室。HEMI大尺寸进气门大尺寸进气门HEMI棱顶型缸盖结构棱顶型缸盖结构3.提高充量系数的措施提高充量系数的措施第六章第六章 内燃机换气过程与配气机构内燃机换气过程与配气机构 减少进气门处的流动损失减少进气门处的流动损失改善进气门和气门座处的流体动力性能改善进气门和气门座处的流体动力性能 气门和气门座的结构型式影响气流流经时的流动特性，从而对流动气门和气门座的结构型式影响气流流经时的流动特性，从而对流动损失也有一定的影响。损失也有一定的影响。 气门升程较小时，气门升程较小时，气门座

52、合面锥角气门座合面锥角对气门流通截面积的影响较大对气门流通截面积的影响较大，若采用较小的锥角可以加大流通截面积，减小气流流动损失。但是锥角若采用较小的锥角可以加大流通截面积，减小气流流动损失。但是锥角过小，会增加流经气门时气流的转折，从而使涡流损失增大；此外，随过小，会增加流经气门时气流的转折，从而使涡流损失增大；此外，随着锥角的减小，还会减小气门盘的刚度和增加气门座合面的压力。目前着锥角的减小，还会减小气门盘的刚度和增加气门座合面的压力。目前内燃机的气门座合面锥角大都采用内燃机的气门座合面锥角大都采用30或或45。 根据进气流通的型线，适当根据进气流通的型线，适当加大气门杆到气门盘处的过渡圆

53、弧半径加大气门杆到气门盘处的过渡圆弧半径R，也可以减少流通阻力。，也可以减少流通阻力。改进凸轮廓线设计和进气门的升程规律改进凸轮廓线设计和进气门的升程规律 流通截面尽量大（流通截面尽量大（气门开足和全闭气门开足和全闭）；）；气门开启和关闭迅速气门开启和关闭迅速，提高充气效率。，提高充气效率。采用较小的采用较小的S/D值值 在内燃机转速不变的条件下，行程在内燃机转速不变的条件下，行程S减小，减小，活塞的平均速度减小活塞的平均速度减小；气门直径可因气缸直径；气门直径可因气缸直径D的加大而有的加大而有所增大，从而使所增大，从而使进气流动损失减小进气流动损失减小，提高充量系数。，提高充量系数。3.提高

54、充量系数的措施提高充量系数的措施第六章第六章 内燃机换气过程与配气机构内燃机换气过程与配气机构 合理选择配气相位合理选择配气相位内燃机的转速不同，相应的最佳配气相位也不同内燃机的转速不同，相应的最佳配气相位也不同，这主要是由于气流的速度及气缸和进、排气管中压，这主要是由于气流的速度及气缸和进、排气管中压力波的变化规律与内燃机的转速相关。力波的变化规律与内燃机的转速相关。在内燃机的配气相位中，在内燃机的配气相位中，进气滞后角进气滞后角对充量系数的影响最大，对充量系数的影响最大，进排气重叠角进排气重叠角次之，而其他则在一般情次之，而其他则在一般情况下对充量系数无重大影响。况下对充量系数无重大影响。

55、进气滞后角对充量系数和功率的影响进气滞后角对充量系数和功率的影响 （1）在某一转速下充量系数达到最大值，说明在这个转速下工在某一转速下充量系数达到最大值，说明在这个转速下工作能最好的利用气流惯性充气作能最好的利用气流惯性充气。当转速高于此转速时，气流惯性增加，。当转速高于此转速时，气流惯性增加，但由于进气滞后角不变，就使一部分本来可以利用气流惯性进入气缸但由于进气滞后角不变，就使一部分本来可以利用气流惯性进入气缸的气体被关在气缸之外，另外转速升高，流动阻力增加，所以使充量的气体被关在气缸之外，另外转速升高，流动阻力增加，所以使充量系数下降；当转速低于此转速时，气流惯性减小，又可能使一部分气系数

56、下降；当转速低于此转速时，气流惯性减小，又可能使一部分气体被推回进气管，充量系数也下降。体被推回进气管，充量系数也下降。 （2）不同的进气滞后角，充量系数最大值对应的转速不同不同的进气滞后角，充量系数最大值对应的转速不同，进进气滞后角增大，充量系数最大值对应的转速则增加气滞后角增大，充量系数最大值对应的转速则增加。 一般高速内燃机的进气滞后角较大，以增加高速下的充量系数一般高速内燃机的进气滞后角较大，以增加高速下的充量系数（最大限度减小流动阻力最大限度减小流动阻力），有利于提高最大功率，但对低速性能则），有利于提高最大功率，但对低速性能则不利（不利（新鲜充量向进气系统倒流新鲜充量向进气系统倒流

57、）；反之，减小进气滞后角，虽然有）；反之，减小进气滞后角，虽然有利于利于提高最大转矩（对应于充量系数最大的速度点）提高最大转矩（对应于充量系数最大的速度点），但降低了最大，但降低了最大功率。近年来，利用功率。近年来，利用可变气门正时可变气门正时技术可以调整高、低速时的进气滞技术可以调整高、低速时的进气滞后角。后角。 （3）高速非增压内燃机高速非增压内燃机的进排气重叠角一般在的进排气重叠角一般在2070CA范围内。范围内。进排气重叠角在进排气重叠角在40CA以下时，以下时，基本上不存在燃烧室的扫气作用基本上不存在燃烧室的扫气作用。车用汽油机的使用转速范围广，当发动机在低速、小负荷时，进气管真空度

58、。车用汽油机的使用转速范围广，当发动机在低速、小负荷时，进气管真空度大，且同样的叠开角对应的时间长，会产生废气倒流，故为改善低速性能及怠速稳定性，要求气门叠开角小。大，且同样的叠开角对应的时间长，会产生废气倒流，故为改善低速性能及怠速稳定性，要求气门叠开角小。在车用增压汽油机中，为保证低速性能，气门叠开角也通常控制在与非增压机同等的程度。增压柴油机的叠开在车用增压汽油机中，为保证低速性能，气门叠开角也通常控制在与非增压机同等的程度。增压柴油机的叠开角可达角可达100140CA。由于强烈的扫气作用，残余废气扫除干净，且燃烧室壁面温度下降，减少了对充量。由于强烈的扫气作用，残余废气扫除干净，且燃烧

59、室壁面温度下降，减少了对充量的热传导，因此充量系数相对增大。的热传导，因此充量系数相对增大。3.提高充量系数的措施提高充量系数的措施第六章第六章 内燃机换气过程与配气机内燃机换气过程与配气机构构 合理利用进气谐振合理利用进气谐振进气管内的进气管内的负压波负压波：在进气行程前半期，由于活塞下行的吸入作用，气缸内产生负压，新鲜工质从进气：在进气行程前半期，由于活塞下行的吸入作用，气缸内产生负压，新鲜工质从进气管流入，同时传出管流入，同时传出负压波负压波（由于（由于惯性效应惯性效应而产生），经气门、气道沿进气管向外传播，传播速度为声速。而产生），经气门、气道沿进气管向外传播，传播速度为声速。负压与负

60、压与进气管直径进气管直径相关（相关（由流体力学原理可知，管道截面积越大，流体压力越小；管道截面积越小，流由流体力学原理可知，管道截面积越大，流体压力越小；管道截面积越小，流体压力越大体压力越大），因此在），因此在发动机低速发动机低速时，如果使用截面积较小的进气歧管，可以增加进气的气流速度和气时，如果使用截面积较小的进气歧管，可以增加进气的气流速度和气压强度，提高充量系数；压强度，提高充量系数；发动机高速发动机高速时需要大量气体，进气歧管如果截面积较大，可以吸入更多的气体，时需要大量气体，进气歧管如果截面积较大，可以吸入更多的气体，同样可提高充量系数。同样可提高充量系数。进气管的进气管的波动效应