第二章发动机的换气过程

第二章发动机的换气过程ProcessinEngineExchangingGas主要内容第一节四冲程发动机的换气过程第二节四冲程发动机的充量系数第三节提高发动机充量系数的措施下止点上止点第一节四冲程发动机的换气过程一、换气过程：四冲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410º~480º曲轴转角。p25换气过程可分作自由排气、强制排气、进气和燃烧室扫气四个阶段。1、自由排气阶段

从排气门开启到气缸压力接近于排气管内压力的时期，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30º~80º曲轴转角。2、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，这一过程就是强制排气阶段。

排气迟闭角：从上止点到排气门完全关闭终了所对应的曲轴转角，一般为10º~35º曲轴转角。3、进气过程从进气门开启到关闭的全过程准备进气：进气提前角一般为0º~40º(CA)。正常进气：新鲜气体充入气缸。惯性进气：进气迟闭角一般为40º~70º(CA)。4、气门重叠和燃烧室扫气过程

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，称为气门重叠，相应的角度是气门重叠角，它是排气迟闭角与进气提前角之和。气门重叠角的选择以新鲜充量不流入排气管为原则。增压柴油机的气门重叠角一般为80º~160º(CA)；非增压柴油机的气门叠开角在20º~60º(CA)范围内。二、排气损失定义:从排气门提前开启，直到进气行程开始、缸内压力到达大气压力之前,所损失的循环功。构成:a.自由排气损失W：由于排气门提前打开而引起的膨胀功的减少。

b.强制排气损失Y：活塞上行强制推出废气所消耗的功。排气损失

图2.4排气门提前角和排气损失

a—最合适b—过早c—过晚d—排气门面积过小排气提前角

W，Y

。综合效果,要求（Y+W）,故（W+Y）有一个最佳值（W+Y）min

。三、进气损失X进气损失主要是指进气过程中，因进气系统的阻力面引起的功的损失，与排气损失相比进气损失较小。合理调整配气定时，加大进气门的流通截面、正确设计进气管及进气道的流动路径以及降低活塞平均速度等，都会使进气损失减少。排气损失与进气损失之和称为换气损失

(W十Y十X)。泵气损失（X+Y-u）：在实际循环示功图中把面积(x+y-u)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。第二节四冲程发动机的充量系数换气的目的是尽量排净废气，最大限度充入新气，以完善燃烧，提高效率。评价发动机的换气质量，可用充量系数(充量效率、容积效率)、残余废气系数来衡量。一、充量系数φc定义：内燃机每缸每循环实际进入气缸的新鲜空气质量与进气状态下理论计算充满气缸工作容积的空气质量比值。进气状态：指空气滤清器后进气管内的气体状态，即进入气缸前气体的热力学状态，如温度与压力等。非增压：通常取为当地的大气状态。

增压：增压器出口状态。式中：ma实际进入气缸的新鲜空气质量V1实际进入气缸的新鲜空气在进气状态下的体积ms进气状态下理论计算充满气缸工作容积的空气质量Vs气缸工作容积＜1充量系数一般非增压发动机在全负荷时的φc汽油机顶置气门：0.75~0.85侧置气门：0.70~0.80柴油机0.75~0.90充量系数表达式的推导进气门关闭时气缸容积为

排气门关闭时缸内工质的质量

此时缸内工质的质量

假定气缸排气门关闭时关闭点体积为

每循环充入气缸的新鲜混合气质量

由空燃比的关系得

进入气缸的混合气质量

令则

混合气的空气量比例系数

考虑到进、排气门迟闭，令

则假定残余废气与新鲜充量的气体常数近似相等，应用气体状态方程式，代入上式，得残余废气数系数；

二、影响充气效率的因素:1．进气终了时缸内压力Pa

Pa对φc有重要影响，Pa愈高，φc值愈大

Pa=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、V高时，△pa增加，使pa下降。管道阻力系数、转速和负荷对进气压力的影响1）管道阻力系数管道阻力大，管道阻力系数大，△pa大，Pa’降低。2）管道内气体的流速负荷减小，发动机转速高，气体流速增加，△pa大，引起Pa’下降。

2．进气终了的温度Ta

Ta高于进气状态温度，Ta越高，充入气缸的工质密度越小，φc值愈低。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。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，缸壁等零件温度升高，Ta有所上升。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，降低Ta’。3.残余废气系数

1）增加，φc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。4．进排气相位角由于进气门迟闭而＜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ξPa’具有最大值。5．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φc有所增加。6.进气状态

进气温度升高，进气压力下降均会使进入气缸充量的密度减小，绝对进气量减少，对充量系数影响不大。

提高充量系数措施降低进气系统的阻力降低排气系统流通阻力减少对进气充量的加热结构一定,即εc一定合理选择进、排气相位角谐振进气与可变进气支管第三节提高发动机充量系数的措施一、降低进气系统的流动阻力

1．降低进气门处的流动损失进气马赫数：进气门处气流平均速度与该处声速之比进气马赫数反映气体流动对充量系数的影响。当M超过一定数值时，大约在0.5左右，充量系数急剧下降。1.降低进气系统的阻力

1)减少进气门处的流动损失

进气马赫数是进气门处气流平均速度与该处声速之比进气门处气流平均速度定义为实际进入气缸的新鲜空气与进气门有效时间截面值F(t)之比有效时间截面值F(t)

式中:F—活塞面积；Cm—活塞平均速度；

D、d—活塞直径和气门头部直径。进气马赫数M与气门大小、形状、升程规律、气门开关时间等有关。增大气门直径可扩大气流通过断面积，提高充量系数。根据一系列试验可知，在正常的配气定时条件下，当M超过一定数值时，大约在0.5左右，充量系数急剧下降，如图3-10所示。因此在可能条件下应控制在最高转速时不超过一定数值。以达到提高充量系数的目的。增大气门相对通过面积，提高气门处流量系数以及合理的配气相位是限制M值，是提高充量系数的主要方法。增加气门的数目改进配气凸轮型线增加气门升程改善气门处的流体动力性能，可以降低流动阻力减小气门

流动损失的具体措施加大进气门直径增加进气门数目改进配气凸轮型线改善气门处流体动力性能减少进气道的阻力：

气道通路断面应有足够的面积，各断面要避免突变。进气道内部过渡圆角半径应大一些，避免急剧转弯等。

减少进气管的阻力：

进气管必须保证足够的流通截面积，管道表面光洁，避免急转弯及流通截面突变，以减少阻力。为保证各气缸进气均匀，各缸进气管独立，长度尽可能一致。进气管的整体走势和内壁断面形状要满足使新鲜充量在气缸中形成涡流的要求。减少空气滤清器的阻力：

加大通过断面，改进滤清性能，创制低阻高效滤清器等。在使用中要经常清洗滤清器，特别要避免纸芯的油污堵塞，及时更换滤芯等。２．减少进气道、进气管和空气滤清器的阻力二、减少对进气冲量的加热新鲜充量在吸入过程中，受到进气管、进气道、气门、气缸壁和活塞等一系列受热零件的加热，引起温升。进排气管两侧分开布置，可以避免或减少高温排气管对进气的加热，有利提高充量系数。

三、降低排气系统的流动阻力降低排气系统流通阻力，使气缸内废气压力下降，减少泵气功。

将排气道的一部分做成扩压形，降低了气缸内与排气管内的压力差，降低了气缸内废气压力，降低泵气功。

选择良好的排气支管的流型，避免排气道内截面突变、急转弯和凸台，有助于降低整个流通阻力。

在满足必要的消声效果要求下，降低消声器的流通阻力。

四、合理选择进排气相位角

转速一定，存在相应的最佳进气门迟闭角度。

利用气门可变正时技术，在全部转速范围内提高充量系数。

具体措施：

１、无凸轮的电磁气门驱动机构

２、液压气门驱动机构。

３、可变凸轮机构(VCS，VariableCamshaft

System)

４、可变气门定时(VVT，VariableValve

Timing)。五、谐振进气与可变进气歧管

谐振进气和可变进气歧管，都是利用进气管的动态效应来提高充量系数。具体措施：

１、适当调整进气管长度、直径等进气系统

参数。

２、可变长度进气歧管。

３、双通道可变进气歧管。

利用进气管的动态效应来提高充量系数

发动机在换气过程中，由于间断进气而引起进气管内发生压力波动，这种现象称为进气管的动态效应。分析其原因，可归纳为惯性效应和波动效应两类。影响进气管动态效应的结构因素是进气管长度、直径和形状。

利用进气管的动态效应，可以有效地提高高转速时充量系数和改善扭矩特性。利用进气管的动态效应来提高充量系数

压力波动的固有频率

进气频率用q来表示波动次数，则有

当q=1，2，…时，进气频率与压力波动频率合拍，下一次气门开启期间与负的压力波重合，使充气量减少。

当q=，…时，下一次气门开启期间正好与正的压力波相重合，使充量系数增加可变长度进气管双通道可变长度进气管1—空气滤清器2