第四章内燃机的充量更换肖

第四章内燃机的换气过程

◆充量更换过程的目的：将已燃气体排出并为下一循环吸入新鲜充量。

◆四冲程内燃机指：排气门开启到进气门关闭的整个过程。

◆二冲程内燃机指：排气门开启到排气门关闭的整个过程。1判断充量更换过程是否完善的指标：已燃气体是否排尽以及进入气缸的新鲜充量是否充分；它与充量更换过程有关的各种附属系统的设计是否合理、有效，而且也与发动机的运行状态有关。影响因素：2在换气过程中：1）为了控制内燃机的NOx的排放还需进行排气再循环（可分为外部EGR和内部EGR）2）采用增压技术提高发动机的功率，并改善经济性和排放。3）研究减少进排气流动阻力损失和提高充量系数的措施及方法。4）研究如何为燃烧提供一个合适的缸内气体流场，并保证多缸机的各缸均匀性等。3第一节四冲程内燃机的换气过程

4可分为自由排气、强制排气、气门叠开、进气等阶段。四冲程内燃机的换气过程：5一、自由排气阶段:

把从排气门开启到气缸压力达到排气背压(排气管内压力)的时期，称为自由排气阶段P49。排气过程的分段：二、强制排气阶段:

自由排气阶段结束后，气缸内的废气将被上行活塞强制推出，直到排气门关闭，这一过程就是强制排气阶段。6一、超临界状态（p49）:

排气管压力与气缸压力之比小于临界值；排气过程的分段：二、亚临界状态（p49）:

排气管压力与气缸压力之比超过临界值。7排气门不允许刚好在活塞到达上止点时关闭，而应当在上止点后一定角度时关闭，这就是排气迟闭。当废气从气缸流出的流动过程刚刚停止时，就是理想的排气门关闭时刻，排气门迟闭角为10º~70º(CA)。8高速时气流流动的惯性大，进气迟闭角应相应大一些。三、进气过程(induction)定义：从进气门开启(IVO)到关闭(IVC)的全过程都是进气过程进气提前：进气门一般也在上止点前提前开启，称为进气提前，进气提前角为10º~40º(CA)。进气迟闭：为了利用在吸气过程中形成的进气管内气流的流动惯性，实现气缸的过后充气，进气门不在下止点关闭，而是在下止点过后的一定角度时延迟关闭，即进气迟闭。进气迟闭角一般为20º~60º(CA)。9

一方面，有利于扫除缸内的残余废气，增加气缸充量，达到扫气目的；四、气门叠开和燃烧室扫气过程(overlap)定义：在排气行程上止点附近出现进、排气门同时开启的特殊现象，通常将这一现象称为气门叠开，相应的角度是气门叠开角(overlapperiod)；它是排气迟闭角与进气提前角之和。在气门叠开期间，进气管、气缸、排气管三者直接相通，有利方面：另一方面，又可以降低燃烧室内气缸盖、排气门、活塞顶、缸套的温度。10增压柴油机：增压柴油机都采用比非增压柴油机大的气门叠开角，一般为80º~140º(CA)。汽油机：

叠开角过大时高温废气有可能倒流进入进气管乃至燃料供应系统中，引起进气管回火。同时，由于新鲜充量中含有燃料，利用新鲜充量进行扫气将导致燃料的损失以及未燃碳氢排放物的增加，故这类内燃机的气门叠开角一般都是比较小的。一般非增压柴油机：气门叠开角在20º~50º(CA)范围内。11第二节四冲程内燃机的换气损失定义：理论循环换气功与实际循环换气功之差。排气损失（w+x）p51：从排气门提前开启，直到吸气行程开始、气缸内压力达到或接近进气管压力之前，在此阶段所损失的功称为排气损失。随着排气提前角的增大，膨胀损失（w）增加，而推出损失功（x）减小。因此，最有利的排气提前角，应当是使两者损失之和为最小。12

泵气功是指缸内气体对活塞在强制排气和吸收行程所做的功。进气损失（y）：与理论循环相比，内燃机在进气过程中所造成的功的减少称为进气损失。泵气损失：泵气损失则是指：与理论循环相比，发动机的活塞在泵气过程所造成的功的损失。1314第三节提高内燃机充量系数的措施定义：每循环实际进入气缸的新鲜充量与以进气管内状态充满气缸的工作容积的理论充量之比。残余废气系数(residualgascoefficient)为r：它是进气终了时的缸内残余废气质量mr与实际进入气缸的新鲜充量m1之比。1516提高充量系数的措施：1）降低进气系统的阻力损失，提高气缸内进气终了时的压力，

pa3）减少高温零件在进气系统中对新鲜充量的加热，以降低进气终了时的充量温度，Ta2）降低排气系统的阻力损失，以减小缸内的残余废气系数，

r4）合理的配气正时和气门升程规律。p5417（一）降低进气系统的流动阻力：一类是沿程阻力，另一类是局部阻力。分类：在内燃机进气流动中，由于管道较短，壁面比较光滑，其沿程阻力并不大；局部阻力则是流道中的主要损失，它由一系列的局部阻力叠加而成，尤其在进气门座处、空气滤清器和流道转弯处，流动损失更为明显。181．降低进气门处的流动损失2．采用可变进气系统技术3．减少进气管和空气滤清器的阻力191．降低进气门处的流动损失进气平均马赫数Ma（P54）Ma综合了进气门大小、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。对于小型四冲程发动机，当Ma超过0.5后，充量系数急剧下降。这一结论，对于设计和评价气门机构是很有用的。20减小进气门流通截面处流动损失的措施加大进气门直径：现代高速内燃机2气门结构中，进气门直径d与缸径D的比值可达45％~50％，面积比为0.2~0.25，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。增加进气门数目：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。21合理设计进气道及气门的结构：改善进气门座、进气道以及气门头部的结构，提高流量系数。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。在进气门头部以及气门座面处设计合理的形状，对改善气流的流动阻力也有十分显著的效果。22232．采用可变进气系统技术理想的配气系统应当要满足以下要求：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，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也应进行调整，以实现最佳的进气定时。24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，如图4-8a所示。可变凸轮机构(VCS-VariableCamshaftSystem）：25对于DOHC(DoubleOverheadCamshaft)系统而言，由于进、排气门是分别通过两根凸轮轴单独驱动的，可以通过一套特殊的机构将进气凸轮轴按要求转过一定的角度，从而达到改变进气相位的目的。p58可变气门定时（VVT-VariableValveTiming）：263．减少进气管和空气滤清器的阻力进气管设计原则：空气流动阻力低；各气缸间的新鲜充量分配均匀；对于汽油机而言，还要求适当加热进气以提高燃油的雾化质量。进气管中还存在着一个重要的现象，即谐振或称调谐。随着进气管长度的增大以及管径的减小，充量系数的峰值向低速一侧移动，这就是调谐现象的结果。27在进气过程中，活塞的下行运动可导致进气管内产生膨胀波，该膨胀波将在进气管的开口端反射，然后产生正向压力波向气缸传播。在合适的条件下(如转速、进气管长度等)，这个正向压力波可以使得进气过程结束时，进气门处的压力高于正常的进气压力，这样发动机就可以多进气，从而使充量系数得到提高，即是图中充量系数峰值所在。为了追求最佳的充量系数值，可以采用可变进气系统，以充分利用进气谐振的效果，达到高速与低速性能的最优化。2829在低速时控制阀保持关闭状态，气体从主气道流入发动机中。而高速时控制阀打开，气体从主、副两个气道同时流入气缸中。控制阀关闭时，相当于进气管流通截面减小，相应提高了低速充量系数。p59采用可变进气系统，以提高发动机的高速与低速性能都达到最佳：30空气滤清器是进气系统阻力的主要来源之一，应当在保证滤清效果的前提下尽可能减少空气滤清器的流动阻力，同时，定时对空滤器进行清理与保养也是减小进气流动阻力的一个重要措施。31（二）降低排气系统的流动阻力：排气系统的设计目标：降低排气背压，减小排气噪声。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，而且可以减少泵气损失，提高指示效率。32排气管中往往还有消声器和排气后处理器，设计时应在保证足够的消声与降污效果的前提下，尽可能降低流动阻力。设计时应保证排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分膨胀，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的目的。33（三）减少对进气充量的加热：

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。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态燃料在进气管中的蒸发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。增压内燃机则采用进气中冷技术。34

第四节内燃机的增压

◆内燃机所能发出的最大功率主要由气缸内有效燃烧所放出的热量决定的，而这受到每循环吸入气缸内实际空气量的限制。

◆如果空气在进入气缸前得到压缩，空气的密度增大，则在同样气缸工作容积的条件下，可以有更多的新鲜空气进入气缸，因而可以增加循环供油量，获得更大的发动机输出功。35内燃机增压涉及：增压器本身；

增压器与内燃机的匹配；内燃机为适应增压需要而进行的必要调整等；36一，内燃机增压概述：萌生于19世纪末，在20世纪初得到初步应用和发展。

柴油机增压技术在20世纪中叶开始大规模的应用，并逐步推广到汽油发动机。目前绝大多数大功率柴油机、半数以上的车用柴油机以及相当比例的高性能汽油机均采用了增压技术。增压后的功率可比原来提高40％～60％甚至更多，发动机的平均有效压力最高压力可达到3MPa，发动机的燃油经济性也有所提高，增压已经成为发动机强化最有效的手段之一。37(一)内燃机的增压方式：内燃机的增压方式按空气被压缩方式不同，可以分为四类：

（1）机械增压：发动机输出轴直接驱动机械增压装置（2）排气涡轮增压：压气机与涡轮同轴相连，构成涡轮增压器。涡轮在排气能量的推动下旋转，带动压气机工作，实现进气增压。内燃机排气涡轮增压系统包含压气机、涡轮机和中冷器等部件。按排气能量利用方式又可分为定压和脉冲涡轮增压两种。38（3）气波增压：利用排气系统中的压力波动效应来压缩进气。（4）复合增压：将上述多种增压方式加以组合，以获得更好的增压效果。严格地说，复合增压不是一种独立的增压方式，它只是前面三种增压方式的组合。39（二）增压对内燃机动力性和经济性的影响：指示热效率略有提高；机械效率有所提高；充量系数得到提高；升功率得到提高；燃油消耗率有所下降。发动机增压的目的主要不在与提高经济性，而在于提高它的动力性和降低排放。40（三）发动机增压技术的优势与代价：优势：1）增压可以使发动机在总质量和体积基本不变的条件下，输出功率得到大幅度的提高。2）与自然吸气内燃机相比，排气可以在涡轮中得到进一步膨胀，排气噪声有所降低3）有利于高原稀薄空气条件下恢复功率。4）柴油机增压后，缸内温度和压力水平提高，可以使滞燃期缩短，有利于降低压力升高率和燃烧噪声。5）增压柴油机一般采用较大的过量空气系数，HC、CO和炭烟排放降低。41（三）发动机增压技术的优势与代价：代价：1）增压后缸内工作压力、温度提高，机械负荷和热负荷加大，内燃机的可靠性和耐久性受到考验。2）低速时由于排气能量不足，可能会使发动机的低速转矩受到一定影响。3）涡轮增压器中，从排气能量的变化到新的进气压力的建立需要一定的时间，所以内燃机的加速响应性能较自然吸气机型差。4）增压发动机性能的进一步优化，受到增压器及中冷器的限制。42四涡轮增压器与发动机的匹配：内燃机与涡轮增压器的匹配应包括稳定工况的特性匹配、变工况或瞬态工况的匹配以及其他条件改变情况下的匹配等内容。匹配的增压系统要做到：1）设计工况下的增压压力、空气流量、发动机功率和燃油消耗率等参数达到设计要求。2）部分负荷工况有较好的性能。3）涡轮增压应在内燃机的各种工况下都能高效的运行。4）涡轮增压器和内燃机应能在各种工况下稳定、可靠地工作、无增压器超速、柴油机最高燃烧压力超高现象，排温及零件热负荷在合理范围。5）对于车用发动机，还要求发动机的外特性具有足够的转矩储备和转速储备。43五汽油机的增压技术：从排气能量利用的观点看，汽油机的涡轮增压与柴油机相比并没有本质区别，但长期以来，涡轮增压技术除了在赛车汽油机和高性能轿车汽油机中得到应用外，其普及性远不如柴油机。原因：

由于两种发动机在工作过程中的不同特点所决定的。限制汽油机增压的主要原因是：爆燃、热负荷和对增压器的特殊要求等。44六机械增压：

与涡轮增压相比，机械增压历史更为悠久，且发动机具有较好的低速转矩和加速响应性能，但由于高速时的增压器噪声和使用寿命问题影响了它在发动机上的实际使用。近年来机械增压重新得到了重视与发展。45

第五节二冲程内燃机的换气

◆提高内燃机的升功率，除增压外，还可以减少发动机的冲程数。

◆四冲程内燃机工作过程：进气、压缩、做功、排气

◆二冲程内燃机工作过程：只有两个冲程；每一个向下的行程都是一个做功行程，同时兼有排气和进气的功能。

◆二冲程内燃机与四冲程内燃机有很大区别，特别是换气过程。

46◆膨胀行程的末期，活塞下行打开排气口，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流出，进行充量更换，然后，活塞到达下止点后又上行，依次将扫气口和排气口关闭，换气过程结束。新鲜充量由扫气泵提供。二冲程内燃机的换气过程：47◆在二冲程内燃机中，废气的排出和新鲜空气冲量的进入是重叠在一起进行的，这一复合换气过程叫做二冲程内燃机的扫气。二冲程内燃机的换气过程：◆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后充气阶段。48从排气口开启直到新鲜充量开始进入气缸为止，称为自由排气阶段。排气口一般在下止点前60º~75º(CA)开启。自由排气阶段：在自由排气阶段，缸内燃气可以流出大约0%~80%。

排气口刚开启的一段时间内或曲轴转角内，气缸内压力较高，约为300～600kPa，排气口后的压力较低，排气口前后的压力比小于临界值，属超临界排气；气缸内的燃气以声速流出。49

从扫气口打开到活塞运动到下止点后上行将扫气口关闭为止，这一时期称为扫气阶段。扫气与强制排气阶段：在扫气阶段，扫气和排气同时进行。50一般二冲程发动机排气口的关闭时刻迟于扫气口，这时在活塞上行的推挤和排气气流的惯性下，一部分废气继续由排气口排出，直到排气口关闭为止；从扫气口关闭到排气口关闭期间，称为过后排气阶段。扫气与强制排气阶段：

对于扫气口关闭