四冲程发动机的换气过程资料PPT学习教案

1、四冲程发动机的换气过程资料四冲程发动机的换气过程资料第二章 四冲程发动机的换气过程换气过程排气过程进气过程 换气过程的任务 排除废气充入尽可能多的新鲜工质 研究的内容换气过程的进行情况 分析影响充气量的各种因素 提高充气量 减少换气损失方向与措施。找出第1页/共47页 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 一、换气过程 四行程发动机的换气过程包括从排气门开启到进气门关闭的整个时期，约占410480曲轴转角。换气过程的目的：换气过程的目的： 最大限度地吸入新鲜充量最大限度地吸入新鲜充量 cc是核心问题是核心问题 最小的换气损失最小的换气损失 各缸进气均匀性各缸进气均匀性 在缸

2、内形成合理的流场在缸内形成合理的流场, ,以控制混合气形成和燃烧以控制混合气形成和燃烧第2页/共47页换气过程换气过程自由排气自由排气强制排气强制排气进气进气气门叠开气门叠开第3页/共47页 1自由排气阶段 排气门开启到气缸压力接近了排气管压力的这一时期，称为自由排气阶段。 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3080曲轴转角。第4页/共47页自由排气阶段超临界状态亚临界状态 （1）超临界状态 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1.9，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。 第5页/共47页通过排气门

3、口废气的流速等于该状态下的音速（m/s）式中 K绝热指数； T气体的绝对温度； R气体常数Nm/（kgK）。KRTc 在超临界排气时期，废气流量与排气管内压力pr无关，只与气缸内的气体状态及气门开启截面积有关。并且因排气流速甚高，在排气过程中伴有刺耳的噪声，所以排气系统必须装有消声器。第6页/共47页 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（一般下止点后1030曲轴转角）。此阶段虽然历程很短，但因排气流速甚高，排出废气量达60%以上。（2）亚临界状态 缸内压力与排气管内压力之比下降到1.9以下时，排气流动转入亚

4、临界状态，废气流速降低，产生的噪音较小。 第7页/共47页 高速发动机其排气提前角要大一些：在自由排气阶段中，排出的废气量与发动机转速无关。发动机转速高时，在同样的排气时间（以秒计）所相当的曲轴转角增大，因此，高速发动机排气提前角要大。但不宜过大，否则会使排气损失加大。第8页/共47页 2强制排气阶段：活塞上行强制推出废气。 缸内平均压力高于排气管平均压力：克服排气门、排气道处的阻力，一般高出10kpa左右。气体的流速越高，此压差越大，消耗的功越多。惯性排气。排气迟闭角，一般为1035曲轴转角。第9页/共47页 正常进气 ：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4

5、070曲轴转角。 准备进气。进气提前角：一般为030曲轴转角 第10页/共47页 4.气门叠开 ：进、排气门同时开启。 作用：由于进气管、气缸、排气管互相连通，可以利用气流的压差、惯性或进、排气管压力波的帮助，清除残余废气，增加进气量，降低高温零件的温度，但注意不应产生废气倒流现象。 叠开角：进、排气门同时开启时对应的曲轴转角，一般为2080曲轴转角。在增压发动机可达80160的曲轴转角。因其进气压力高。 第11页/共47页 二、换气损失换气损失由排气损失和进气损失两部分组成。第12页/共47页 1. 排气损失 排气损失是从排气门提前打开，直到进气行程开始，气缸内压力到达大气压力之前，循环功的

6、损失。 （1）自由排气损失（图中面积W），是由于排气门提前打开而引起的膨胀功的减少。 （2）强制排气损失（图中面积Y），是活塞上行强制推出废气所消耗的功。 第13页/共47页 减少排气损失的主要措施是：减小排气系统阻力和排气门处的流动损失。 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b曲线，如排气提前角减少则强制排气损失面积增加，如图中c曲线。所以最有利的排气提前角应使面积（W+Y）之和最小。第14页/共47页 2进气损失 进气损失：因进气系统的阻力而引起的功的损失。 排气损失与进气损失之和称换气损失，即图中面积(W+X+Y)。在实际循环示功图中把面积(x+y-d)

7、相当的负功称为泵气损失。这部分损失放在机械损失中加以考虑。第15页/共47页 第二节 四行程发动机的充气效率 一、充气效率 充气效率是实际进入气缸的新鲜工质的质量与进气状态下充满气缸工作容积的新鲜工质的质量的比值式中 m1 、V1实际进入气缸的新鲜工质的质量、体积（进气状态）； ms 、Vs 进气状态下充满工作容积的新鲜工质的质量、气缸工作容积。 ssvvvmm11第16页/共47页 二、影响充气效率的因素 （一）充气效率v的表达式 1）进气门关闭时缸内气体的总质量ma 假定进气门关闭时气缸容积为（Vs +Vc），此时缸内气体压力、温度、密度为Pa、Ta、a，则缸内气体的总质量为ascavvm

8、 2）排气门关闭时缸内残余废气的质量 假定排气门关闭时缸内体积为Vr，残余废气的压力、温度、密度为Pr、Tr、 r ，则残余废气的质量为rrrvm第17页/共47页3）充入气缸新鲜充量的质量为rrascssvvvvvssrrascvvvvv第18页/共47页经变换推导得111aassvTppT式中 Pa、 Ta进气状态的温度和压力； Ts 、Ps进气终了时的气体温度和压力； 残余废气系数， 即进气过程结束时气缸内残余废气量与气缸内新鲜充量的比值； 压缩比。scscvvvvssvrvm第19页/共47页 （二）影响充气效率的因素 1进气终了时的压力Pa Pa对 有重要影响，Pa愈高， 值愈大 P

9、a=Ps-Pa 式中，pa为气体流动时，克服进气系统阻力而引起的压降(kPa)。一般可写成 式中 管道阻力系数； 进气状态下气体的密度； V管道内气体的流速（m/s）。 可见，pa主要取决于各段管道的阻力系数和气体流速。若大、高时，pa增加，使pca下降。vv22vpa第20页/共47页转速和负荷对进气压力的影响1）转速当节气门位置一定时，n增加，Pa降低。 第21页/共47页2）负荷 汽油机：当节气门关小时，节流损失增加，引起Pa下降。 且Pa 随转速的增加而下降的愈快，即曲线变化愈陡。 柴油机：负荷调节为“质调节”，负荷减小时Pa变化很小。 第22页/共47页 2进气终了的温度Ta 进气终

10、了的温度Ta高于进气状态温度。引起Ta升高的原因是: 1）新鲜工质进入发动机与高温零件接触而被加热。 2）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，故空气经过进气管时受热而温度升高。措施：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Tca。第23页/共47页 转速和负荷对Ta的影响 1）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Ta稍有下降。 2）负荷：当转速不变而增加发动机负荷时，缸壁等零件温度升

11、高，Ta有所上升。 3.残余废气系数 1） 增加， 降低，燃烧恶化，油耗、排放增加， 2）压缩比提高，残余废气系数减小。 3）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。v第24页/共47页44.配气定时 由 的计算公式可见，由于进气门迟闭而 1 ,新鲜充量的容积减小,但Pa值却可能因有气流惯性而使进气有所增加,合适的配气定时应考虑Pa具有最大值。55.压缩比 压缩比增加,压缩容积减小,残余废气量随之减小,因而有所增加。v第25页/共47页 第三节 提高充气效率的措施 进气系统：空气滤清器或加进气消声器、化油器或喷油器、节气门、进气管、进气道和进气门等组成。 减

12、少各段通道的阻力，增大其流通能力，是提高充气效率，改善发动机性能的主要途径。 一、进气门一、进气门 1.时面值 气门开启断面与对应开启时间的乘积称为气门开启的时面值。它表示气体流过气门的通过能力。气门开启时间长，开启断面大，则气门开启时面值大，气流通过能力越强，阻力越小。 增大进气门头部直径，减小气门头部锥角，增大气门升程，延长气门开启时间，均可扩大气门开启时面值。第26页/共47页 2. 进气马赫数M 进气马赫数M是进气门气流平均速度Vm与该处音速C之比，即M=Vm/C。 M是决定气流流动性质的重要参数。 M值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。 第27页/共47页 根

13、据一系列试验可知，在正常的配气定时条件下，当超过一定数值时，大约在0.5左右，充气效率急剧下降。因此在可能条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。第28页/共47页 3.气门直径和气门数 进气门直径增大,扩大气流通路截面积增加，v提高。 双气门（一进一排）：进气门直径可达活塞直径的45%50%，气门与活塞面积之比为0.20.25，进气门比排气门大15%20%。 受结构限制，进一步增大比例已很困难。第29页/共47页多气门结构多气门结构：缸径大于缸径大于80mm时，采用二进二排结构；时，采用二进二排结构； 缸径小于缸径小于80mm时，采用三进二排结构。时，采用三进二排结

14、构。第30页/共47页 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，故是汽机好，故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。第31页/共47页 4.4.气门升程气门升程 气门升程增加、改进凸轮型线、气门升程增加、改进凸轮型线、减小运动件质量、增加零件刚度，减小运动件质量、增加零件刚度，在惯性力允许条件下使气门开闭尽在惯性力允许条件下使气门开闭尽可能快，以增大时面值，提高充气可能快，以增大时面值，提高充气效率。效率。最大气门升程与阀盘直径之比最大气门升程与阀盘直径之

15、比L/d取取0.260.28。 第32页/共47页5.5.减少气门处的流动损失减少气门处的流动损失第33页/共47页 二、进气道和进气管二、进气道和进气管 保证足够的流通面积，避免转弯及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。截面突变，改善表面的光洁程度。汽油机：燃料的雾化、蒸发、分配、压汽油机：燃料的雾化、蒸发、分配、压力波的利用力波的利用柴油机：形成进气涡流柴油机：形成进气涡流高转速、大功率时，进气管宜短粗；高转速、大功率时，进气管宜短粗；中、低速，进气管宜细长。中、低速，进气管宜细长。 三、空气滤清器第34页/共47页 第四节 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，在配气定时各参数中，进气门迟闭角的改变，对充气效率对充气效率v v影响最大。影响最大。 v在某一转速下达到最高在某一转速下达到最高值，此转速下能最好地利用值，此转速下能最好地利用气流的惯性充气。气流的惯性充气。 进气迟闭角增大，进气迟闭角增大，v最大值对应的转速增加最大值对应的转速增加第35页/共47页排气提前角：保证排气损失最小的前提下，尽量排气提前角：保证排气损失最小的前提下，尽量晚开晚开排气门。排气门。转速增加，排气提