换气过程与循环充量

1、概述换气过程是持续运转的必要条件合理组织换气过程应达到下述四个目的 ：1、保证标定工况和全负荷条件下，吸入尽可能多的充量，以获得更高的输出功率和转矩。2、保证多缸机各缸的循环进气量的差异不超出一定的范围，以免对整机性能产生不利影响。3、减小不可避免的换气损失，特别是占最大比例的排气损失。4、进气后在缸内所建立的流场(旋流场与紊流场)，应能满足快速合理燃烧的要求。重点：充气效率问题 1第一节四冲程发动机换气过程23换气过程分期 四冲程发动机从膨胀冲程末期排气门开启时算起，直到进气门关闭时为止，大约持续410480 曲轴转角。1排气过程 2进气过程 3气门叠开4 1排气过程 (1)自由排气阶段 5

2、(2)强制排气阶段 平均压差约为001002MPa 时间也占总排气时期的23 62进气过程 由于进气工质克服流动阻力和吸热温升等影响，缸内进气压力要低于环境或压气机后压力，由此使实际充量低于理论值 缸内进气压力线呈中凹形。初期压力下降较大，是由于活塞下行加速度加大，使真空度加大的结果；后期压力上升，则是高速流入气缸的充量，由于速度滞止，压力局部恢复 7 3气门叠开排气门晚关和进气门早开必然形成气门重叠开启 各种机型的重叠角范围 ：(1)自然吸气式汽油机 对进气早开角比较敏感，因为废气倒流入进气管，会出现“回火”。负荷愈低，节气门开度愈小，进气管内真空度加大，更易出现“回火”。因此，汽油机重叠角

3、一般均小于40 度8 (2)自然吸气柴油机 由于充入气缸的是空气而不是混合气，新鲜气排出以及废气倒流入进气管的影响都不大；一般约60度左右。(3)增压柴油机 进气门外的压力高于排气背压，重叠期间出现“扫气”。扫气既可以扫除更多废气，降低残余废气系数，又可以冷却排气门，喷油嘴等高温零件，降低燃烧室壁温和热负荷。所以增压柴油机的重叠角要加大到80160。 9第二节四行程内燃机换气损失 排气损失自由排气损失强制排气损失进气损失“泵气损失”定义的辨析（补充）换气损失组成101.排气损失从排气门提前打开，直到进气行程开始，缸内压力到达大气压力前循环功的损失自由排气损失 强制排气损失 图6.4 排气门提前

4、角和排气损失 a最合适 b过早 c过晚 d排气门面积过小 112.进气损失 由于进气系统的阻力，进气过程的气缸压力低于进气管压力（非增压发动机中一般设为大气压力），称为进气损失 12旧版内燃机学及多数发动机原理教材的观点自由排气损失 强制排气损失 进气损失 泵气损失 13见教材图4-2本版内燃机学及部分读者讨论的观点14第三节 提高内燃机的充量系数的措施 一、充量系数的定义 实际进入气缸的新鲜工质量与进气状态下充满气缸工作容积的新鲜工质量的比值 ，解析式：15 影响充气效率的因素降低进气系统阻力提高进气终了压力减小残余废气系数减少对新鲜充量的加热，降低进气终了温度合理设计配气机构16柴、汽油机

5、的不同特点：柴油机调节负荷是通过改变喷入气缸的燃料量而进入气缸的空气量基本不变 汽油机调节负荷是通过改变节气门开度来调节进入气缸混合气量的多少。当节气门关小时，节流损失增加，引起Pa下降 提高充量系数的技术措施 171)当节气门开度一定时(图中某一根曲线)，转速增加则下降。2)当节气门开度逐渐减小时(图中不同曲线)，Pa不仅下降，且随转速的增加而下降得愈快，即曲线变化愈陡。18一、减少进气系统的阻力 进气门 1时面值 1920平均流速定义为：实际进入气缸的新鲜充量与进气门有效时面值之比。 21进气马赫数是进气门处气体的平均速度与该处声速的比值 22在正常的配气条件下，当Ma超过一定数值(0.5

6、左右)时，充量系数便急剧下降 2324 在惯性力允许条件下使气门开闭得尽可能快，从而增大时面值，提高通过能力 25合理选择配气定时 进气门迟闭角，对充气效率影响 26二、进气管的动态效应 概述： 由于间歇进、排气，进、排气管存在压力波，在用特定的进气管条件下，可以利用此压力波来提高进气门关闭前的进气压力，增大充气效率，这就称之为动态效应。 电子汽油喷射的广泛应用，进气系统设计的自由度大大增加，动态效应技术得以迅速发展，大多数汽油喷射发动机都具有调整好的进气系统。与其它增压方式相比，它具有结构简单、惯性小、响应快等优点，更适于频繁变工况的车用。 271、进气管的惯性效应 进气管的长度适当，从负压

7、波发出到正压波返回进气门所经历的时间，正好与进气门从开启到关闭所需时间配合，提高了进气门处的进气压力，达到增压效果 282、进气管波动效应 使正压波与下一循环的进气过程重合，就能使进气终了时压力升高，因而提高充气效率。 293、转速与管长 304、转速与管长31(二)可变技术 1、可变进气管（系统VIS） 32可变进气管（2）332、可变气门定时 -凸轮相位可变 利用液压驱动使正时齿轮与凸轮轴根据工况相对旋转，即连续可变-VVT34二、可变气门定时 -进气持续期可变VCS35利用液压驱动使凸轮轴根据工况移动，相当于二根凸轮轴，即分段变化-VCS36VTEC= Variable Valve Ti

8、ming and Valve Lift Electronic Control System可变气门配气相位和气门升程电子控制系统 本田可变配气相位系统37第四节 内燃机增压一、增压技术概述 增压是将空气压缩并供入气缸，用以提高充气密度、增加进气量的一项措施。 增压的目的在于提高功率，伴随着空气量增加，相应地增加循环供油量，即可增加功率38空气经过增压器压缩后的压力与压缩前的压力之比，称为增压比(或称压力比）39(一)增压对经济性及动力性能的影响1、增压前后发动机动力性及经济性的变化 有关因素402、增压的优势与代价优势：提高升功率提高材料利用率降低排气噪声高原适应性好降低燃烧噪声降低排放41增

9、压的优势与代价代价：机械负荷与热负荷加大低速性能变差加速性能变差增压器技术要求高42废气涡轮增压发动机优缺点 1由于利用了废气能量，有利于改善整机动力性及经济性 2改善了排放品质 3起动性、加速性变差 4改善低速扭矩特性有一定困难 5热负荷及机械负荷增加增压方式比较43复合式发动机44复合式发动机优缺点 1、能充分利用废气能量，使动力性、经济性大为改善 2、由于排气经过两级祸轮，使噪声降低 3、结构复杂，成本高，技术难度大 4、加速性变差，柴油机绝热化+涡轮复合式是一种很有效的方案45组合式（废气涡轮+惯性）增压46组合式增压优缺点原理：由废气涡轮增压与进气惯性增压组合而成。在该增压系统中除涡

10、轮增压器外，还有由稳压箱、共振管、共振室等构成的惯性增压系统优缺点：1与涡轮增压相比，结构不算复杂2对改善低速扭矩有益3加速性变好4，进气管路比较庞大5采用三缸一管谐振效果明显，采用二缸一管谐振效果较差（二）增压方式比较47气波增压（二）增压方式比较48气波增压优缺点原理：由曲轴驱动一个特殊的转子，在转子中废气直接与空气接触，利用高压废气的脉冲气波(膨胀波与压缩波)，迫使空气压缩，以提高进气压力 优缺点： 1与涡轮增压相比，可改善低速扭矩 2结构简单、加工方便、对主要件 （转子、轴承)的材料及工艺要求不高 3加速性好 4工况范围大 5尺寸与重量比较大，必须由曲轴驱动，往往受安装位置的限制 6噪

11、声大（二）增压方式比较49二、废气涡轮增压器的工作原理径流式涡轮车用发动机轴流式涡轮大、中型柴油机径流式涡轮增压器：离心式压气机+径流式涡轮机其他组件：支承装置密封装置冷却系统润滑系统50径流式涡轮增压器的构成51（一）离心式压气机的工作原理52括压器的工作53空气参数沿压气机通道的变化54绝热效率压缩到同一压力时，在理想压气机中压缩空气的绝热压缩功与在实际压气机中消耗的实际压缩功之比552、压气机的特性曲线在不同转速下压气机的压力比及效率与空气流量之间的关系56压气机压比流量特性分析最高效率：当等转速线从大流量向小流量变化时，压比与效率最初有所提高；随着流量减少到某值，压比与效率达到最高；在

12、这以后，流量继续减少，压比与效率反而略有下降。喘振：当流量进一步减少到某一值后，压气机工作开始不稳定，气流发生强烈地脉动，称为喘振。喘振线：将各种转速下的喘振点连接起来，就可以确定一条不稳定工作的边界线，称为喘振线。等效率曲线：中间是高效率区，高效率区一般比较靠近喘振边界线，沿高效率区向外，效率逐渐下降，特别在大流量及低压比区，效率下降很多。 57提高高效率区的流量范围无叶扩压器的压气机58通用特性曲线59通用特性曲线60（二）径流式涡轮机的工作原理611、涡轮机中气流参数的变化622、涡轮机效率涡轮机效率63涡轮机阻塞燃气在涡轮机中流动，随着膨胀比增大，流量增加，当膨胀比增加到某一临界值时，

13、流量达到最大值涡轮机流量特性虽然受阻塞现象的限制，但涡轮机的工作范围常比压气机大得多。一种涡轮机可以和多种不同的压气机配套使用64三、涡轮增压系统自然吸气的活塞式内燃机，间断燃烧而能做到从高温吸热，热效率高，但不能做到完全膨胀。涡轮式机械能完全膨胀，适应的转速高，单位功率的体积与重量比较小。但工作温度不可能太高。两者合理结合，有利于能量的充分利用65（一）定压四冲程涡轮增压发动机理论示功图66恒压与脉冲增压系统比较脉冲系统部分利用了废气的脉冲能量，系统的可用能量比恒压系统大脉冲增压系统对气缸中扫气有明显的好处脉冲系统的加速性能较好排气管容积小，负荷改变时，排气的压力波立刻发生变化，并迅速传递到

14、涡轮机，引起增压器转速较快地变动脉冲系统的涡轮平均绝热效率比恒压系统的略低脉冲涡轮的尺寸较大，其排气管的结构复杂67车用增压发动机的性能涡轮增压器与柴油机联合运行的基本特点一是根据发动机的特定工况(如额定工况或最大扭矩工况)，确定其在压气机特性曲线上的位置(即根据发动机选用合适型号的增压器)；二是要解决发动机在整个运行区与增压器实现良好的配合。68增压器选用根据发动机特定工况时所需的空气流量(包括扫气空气量)及压比，判断该工况在某一压气机特性曲线上的位置，使该点落在压气机特性曲线的高效率区叶片机的高效率窄，不可能使发动机所有工况都处在压气机的高效率区工作，只能顾及到柴油机的某些特定的工况车用柴

15、油机选配增压器时，常以最大扭矩工况作为设计工况，把最大扭矩点的工况放在高效率区69确定涡轮增压器的工作范围小流量压气机受喘振大流量效率下降过多，高速、高负荷机械强度允许转速， 涡轮机叶片承受的温度70最大扭矩点的匹配 71压气机的工作范围72涡轮增压器与柴油机联合运行区73增压发动机在结构上的变动增大供油量、调整供油系改变配气相位 合理地增加气阀重叠角。减小压缩比、增大过量空气系数设置分支排气管 冷却增压空气74设置分支排气管75车用增压发动机性能低速扭矩性能:一般涡轮增压柴油机在低速时扭矩性能差：低速时增压压力不足，致使循环供气量不足增压发动机的扭矩储备不好，也可以说是因为高速、高负荷区的废

16、气能量过高，或压气 机供气量过多解决措施采用脉冲增压，充分利用低速时的脉冲能量，使增压器与柴油机在较低转速下实现最佳配合以及采用低速气门定时76车用增压发动机性能77车用增压发动机性能78解决措施放气调节：高速运行时放掉涡轮机前一部分废气，或者放掉压气机 后一部分增压空气。79加速性能变差涡轮增压器与发动机没有机械联系，增压器自身的惯性使其对突变负荷的响应能力变差80解决措施脉冲增压减少进、排气管道容积；放气调节或可变喷嘴环；减少转子的转动惯量；采用较小的气阀重叠角利用车辆上的制动空气系统的高压空气向压气机工作轮进行喷射，可以起到帮助增压器加速的作用81经济性改善82影响经济性改善的因素负荷率：增压使功率范围扩大，高负荷的经济运行范围扩大了；而在低负荷区，增压器的能量转换不好，进、排气阻力及换气损失增加，对