第二章 发动机的换气过程

第二章发动机的换气过程换气过程排气过程进气过程

减少换气损失方向与措施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

提高充气量找出换气过程的任务

排净缸内废气吸足新鲜充量尽可能小的换气损失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第一节四冲程发动机的换气过程换气过程换气损失自由排气阶段强制排气阶段进气过程燃烧室扫气

排气损失进气损失

下止点上止点一、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全过程，约占410~480ºCA。换气过程可分为自由排气、强制排

气、进气和燃烧室扫气

4个阶段。四冲程发动机换气过程的典型曲线kPa1、自由排气阶段自由排气阶段：从排气门打开到气缸压力p接近于排气管压力pr的这个时期。kPa1、自由排气阶段自由排气阶段：从排气门打开到气缸压力p接近于排气管压力pr的这个时期。排气提前角：BBDC30~80ºCA。自由排气阶段废气的流动状态分为超临界状态流动和亚临界状态流动。四冲程发动机换气过程的典型曲线kPa超临界状态超临界状态是根据气体力学孔口节流的规律，当排气门两端压力之比大于1.9时，喉口气流就以音速（当地声速）流动。

四冲程发动机换气过程的典型曲线kPa（1）超临界状态流动排气门刚开启时气缸内废气压力还很高，缸内压力与排气管压力之比大于临界值1.9，排气的流动处于超临界状态。在超临界排气阶段，废气流量与排气管压力无关，只取决于气缸内的气体状态和气门最小开启截面。（2）亚临界状态流动

随着废气大量流出，缸内压力迅速下降，废气流速小于当地声速，排气的流动就转入亚临界状态。废气流量取决于气缸内和排气管内的压力差。

自由排气阶段约在ABDC10~30ºCA结束排出的废气量达60%以上

p/pr=1.9强制排气阶段：从缸内压力接近于排气管压力到排气门关闭。缸内平均压力略高于排气管平均压力。气流速度越高，压力差越大，克服排气系统阻力所消耗的功越多。排气迟闭角：ATDC10~35ºCA。

（2）强制排气阶段ATDC10~35ºCA进气过程：从进气门打开到进气门关闭。进气提前角一般为BTDC0～40ºCA进气迟闭角一般为ABDC40~70ºCA（3）进气过程ABDC40~70ºCA（3）进气过程BTDC0～40ºCA气门重叠：进、排气门同时开启。气门重叠角：进、排气门同时开启时对应的曲轴转角，它是排气门迟闭角与进气提前角之和。（4）燃烧室扫气非增压发动机：20~60ºCA增压发动机：80~160ºCA燃烧室扫气的作用：①利用新鲜充量来帮助清除废气②降低燃烧室热区零件的温度

避碰坑换气损失二、换气损失定义：更换工质而消耗的功。组成：泵气损失提前排气损失泵气损失：工质流动时需要克服的进、排气系统阻力所消耗的功。

提前排气损失：因排气门在下止点前提前开启而产生的损失。（自由排气损失）回忆换气损失排气损失进气损失X自由排气损失强制排气损失

YW排开排关进关1、排气损失定义:从排气门提前开启，直到进气过程开始，缸内压力到达大气压力前

循环功的损失。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：

活塞将废气推出所消耗的功。

排开排关减少排气损失的主要方法：减小排气系统阻力减小排气门处的流动损失

最有利的排气提前角应使面积（W+Y）之和最小。排气门截面小时，为减少排气损失，应适当加大排气提前角。定义：由于进气系统阻力的存在，使进气过程气缸压力低于进气管压力而造成的损失。

2、进气损失换气损失：(W+X+Y)泵气损失：(X+Y-u)增压发动机与非增压发动机换气损失对比换气损失：理论循环换气功与实际循环换气功之差。第二节四冲程发动机的充量系数充量系数进气终了状态压力pa进气终了状态温度Ta残余废气系数r配气相位压缩比进气状态ps

、Ts影响充量系数的因素一、充量系数定义：实际进入气缸的新鲜充量与进气状态下

充满气缸工作容积的新鲜充量的比值。

m1——实际进入气缸的新鲜充量的质量；V1——实际进入气缸的新鲜充量的体积；ms——进气状态下充满气缸工作容积的新鲜充量的质量；Vs——进气状态下充满气缸工作容积的新鲜充量的体积。充气效率或容积效率进气状态：柴油机：汽油机：大小：可由试验测得。

非增压发动机：当时、当地的大气状态。

增压发动机：增压器压气机出口的气体状态。m1——实际进入气缸的新鲜充量的质量；V1——实际进入气缸的新鲜充量的体积；ms——进气状态下充满气缸工作容积的新鲜充量的质量；Vs——进气状态下充满气缸工作容积的新鲜充量的体积。二、充量系数的表达式排开排关进关二、充量系数的表达式1）进气门关闭时，缸内气体总质量2）排气门关闭时，缸内残余废气的质量3）充入气缸的新鲜充量的质量进气终了时：进气状态下：4）残余废气系数r5）充量系数表达式进气终了状态压力pa进气终了状态温度Ta残余废气系数r配气相位压缩比进气状态ps

、Ts影响充量系数的因素三、影响充量系数的因素

1．进气终了时的压力pa

pa对有重要影响，pa愈高，值愈大

△pa——气体流动时，克服进气系统阻力而引起的压降。

由流体力学可知：

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。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，减小。转速和负荷对pa的影响1）转速

n增加，v增大，pa降低。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。

2．进气终了时的温度Ta

进气终了时的温度Ta越高，充量系数越小。进气终了时的温度Ta高于进气状态温度Ts

。引起Ta升高的原因: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。3.残余废气系数r

1）r增加，φc降低，燃烧恶化，油耗、排放增加；

2）压缩比提高，r减小；

3)进、排气门的叠开角越大，r越小。一般，柴油机的r比汽油机要低。

由于进气门迟闭＜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,合适的配气相位应考虑

pa具有最大值。6.进气状态Ts、ps压力对φc影响不大。5.压缩比

压缩比增加,余隙容积减小,残余废气量随之减小,因而φc有所增加。4.配气相位第三节提高发动机充量系数的措施措施降低进气系统的阻力减少对进气充量的加热降低排气系统的阻力合理选择配气相位谐振进气与可变进气支管一、降低进气系统的流动阻力发动机的进气系统是由空气滤清器、进气管、进气道和进气门等组成。减少各段通道的阻力，增大其流通能力，是提高充量系数，改善发动机性能的主要途径。1．减少进气门处的流动损失（1）进气马赫数M

进气马赫数M是进气门处气流平均速度vm与该处音速a之比，即M=vm/a

。

M是决定气流流动性质，影响充量系数的重要参数。

M>0.5左右，急剧下降。（2）减小气门处流动损失措施增大进气门直径增加进气门数目改善气门处流体动力性能改进配气凸轮型线适当增加气门升程

由于进气过程的重要性，一般应尽可能布置较大尺寸的进气门，以降低流经进气门截面时的气体流速，从而降低流动阻力。目前在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。

1)增大进气门直径

通过增大进气门直径的方式来提高充量系数，是受到限制的。

2)增加进气门数目

增加进气门数，可以增大进气门的有效流通截面积。

3)改善气门处的流体动力性能

4)改进配气凸轮型线，适当增加气门升程在惯性力容许条件下，使气门开闭得尽可能快，从而提高气门处的通过能力。适当加大气门杆身与头部的过渡圆弧，减小气门座密封面的宽度等。1)进气道、进气管：保证足够的流通面积，避免急转弯及截面突变，改善表面的光洁程度。2)空气滤清器：在保证滤清效果的前提下，尽量减小空气滤清器的阻力。如：加大通过截面，改善滤清性能，经常清洗等。2．减少进气道、进气管和空气滤清器的阻力二、减少对进气充量的加热

凡能降低活塞、气门等热区零件的温度和减小接触面积的措施都有利于减小对新鲜充量的加热。增压发动机的燃烧室扫气、油冷活塞以及柴油机进、排气管分别置于缸盖两侧，都是减小对新鲜充量加热