第二章发动机的换气过程

汽车发动机原理主讲教师：李云伍工程技术学院1换气过程排气过程进气过程换气过程的任务排除废气吸入尽可能多的新鲜工质研究的内容方向与措施了解换气过程的进行情况

分析影响换气量的各种因素

提高充气量减少换气损失找出换气的要求：排气彻底、进气充分、换气损失小第二章发动机的换气过程减少换气损失的前提下2第一节

四行程发动机的换气过程换气过程组成排气过程进气过程自由排气强制排气1.1换气过程四行程发动机的换气过程指上一循环排气门开启到下一循环进气门完全关闭的整个时期，约占410º～480º曲轴转角。（四行程内燃机每一循环曲轴旋转720℃）3换气过程4配气相位：用曲轴转角表示的实际进、排气门开闭时刻和开启持续时间，称为配气相位。相关知识复习5原因①气门的开、闭有个过程：开启总是由小→大；关闭总是由大→小；影响：进气不足；排气不净②气体惯性的影响：随着活塞的运动，进气由小→大；排气由小→大；进气门由小→大→小；排气门由小→大→小；同样造成进气不足、排气不净

③发动机速度的要求：实际发动机曲轴转速很高，活塞每一行程历时都很短，当转速为5600r/min时一个行程只有60/（5600×2）=0.0054s，即使转速为1500r/min，一个行程也只有0.02s，这样短的进气或排气过程，使发动机进气不足，排气不净。6因此，为了最大限度地吸进新鲜空气和排尽废气，尽可能地减少换气损失，必须设法延长进、排气的时间。因此，进、排气门都相对于每个冲程开始或结束的上止点或下止点时刻提前开启，滞后关闭，从而在进排气时进排气门都有较大的流通面积，减少进排气阻力，充分进气和排气。7

进气提前角：1)定义：从进气门开始开启到上止点所对应的曲轴转角称为进气提前角(或早开角)，α一般为10°～30°。2)作用：增大了进气行程开始时气门的开启高度，减小进气阻力，增加进气量。8进气迟后角：

1)定义：从下止点到进气门关闭所对应的曲轴转角称为进气迟后角(或晚关角)。β一般为40°～80°。2)作用：延长了进气时间，在大气压和气体惯性力的作用下，增加进气量。9

排气提前角：1)定义：从排气门开始开启到下止点所对应的曲轴转角称为排气提前角(或早开角)。γ一般为40°～80°。2)作用：借助气缸内的高压自行排气，大大减小了排气阻力，使排气干净。10

排气迟后角：1)定义：从上止点到排气门关闭所对应的曲轴转角称为排气迟后角(或晚关角)。δ一般为10°～30°。2)作用：延长了排气时间，在废气压力和废气惯性力的作用下，使排气干净。气门重叠排气门晚关进气门早开11气门叠开：气门叠开定义：由于进气门提前打开而排气门晚关，因此在排气行程上止点出现进、排气门同时开启的特殊现象。气门重叠会产生串气吗？12从排气门开启到排气门完全关闭的这段时间。约占220º～290º曲轴转角。1、排气过程13（1）自由排气阶段

排气门开启到气缸压力接近于排气管压力的这一时期，称为自由排气阶段。14自由排气阶段分为两个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（0.2～0.5Mpa），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。15通过排气门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〔N•m/（kg·K）〕。当T=700～1100K（420～827℃）时，c=500～700m/s。此时，废气流量与排气管内的压力无关，只取决于气缸内的气体状态、时间和气门开启截面积。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。16②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，排气流动转入亚临界状态，废气流速降低，产生的噪音较小。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10º~30º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。17高速发动机其排气提前角要大还是小一些？

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。18（2）强制排气阶段：活塞上行强制推出废气的阶段。特点：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）。排气门关闭时刻：排气迟闭角，一般为10º~35º曲轴转角（惯性排气）。192、进气阶段：

进气门开始开启到进气门完全关闭的全过程。

准备进气：进气提前角，一般为0º~30º曲轴转角正常进气：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40º～70º曲轴转角。特点：缸内压力呈负压，进气终了时有所提高。203、扫气过程：在气门叠开期间，可利用新鲜空气或混合气来进一步扫除缸内废气，这称为燃烧室扫气。燃烧室扫气的作用：1）利用气流压差和惯性清除残余废气，增加新鲜充量。2）降低燃烧室内零件温度。21二、换气损失定义：换气过程中理论循环换气功与实际循环换气功的之差。组成：排气损失和进气损失两部分组成。Xy221、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，循环功的损失。1）提前排气损失（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+d）：是活塞上行强制推出废气所消耗的功。Xy23⑴e′（排气门太早开启）膨胀功损失：面积e′

bb′太大，且不可能由排气所消耗的绝对功的减少来补偿。可见：如果排气提前角↑，则w↑，y↓

排气提前角↓，则w↓，y↑所以：最有利的排气提前角，必须是使（w+y）最小。⑵e″（排气门太晚开启）膨胀功损失：面积e″bb″较小，但在b″r″期间排出废气所需要的功较多。如何使排气损失最小?e′e″242、进气损失（面积X）

进气损失：因进气系统的阻力而引起的功的损失（进气过程气缸压力低于进气管压力造成的损失）。Xy进气损失不仅体现在进气过程所消耗的功上，更重要的是体现在进气过程所吸入的新鲜充量上。与排气损失相比，所占的比例相对较小。

进气损失的大小直接影响到充气效率，可通过多种方法降低进气损失。换气损失由进气损失和排气损失组成，包括x、y、w之和。253、泵气损失泵气损失又称为泵气过程功，是发动机在进、排气两个行程中，活塞因排气和进气所付出或获得的功，此功可正、可负。PkPk为压气机出口压力Pr为涡轮机入口处压力26一、充量系数ηv。

ηv是衡量发动机进气过程完善程度的重要指标，它定义为每缸每循环实际吸入气缸的新鲜空气质量与进气状态下充满气缸工作容积的进气量比值。第二节

四冲程发动机的充量系数循环燃料量27进气终了的压力和温度排气终了的压力和温度（残余废气系数）大气压力和温度压缩比配气相位

二、影响充量系数ηv

的因素281、进气终了时的压力PaPa对ηv有重要影响，Pa愈高，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Pa（kPa）n（r/min）PoPa△式中:

λ——管道阻力系数；

ρ——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pa下降。29转速对进气压力的影响

负荷不变，转速变化时转速↑，则△p↑↑，从而pa↓，ηv

↓△30负荷对进气压力的影响转速不变，负荷变化时柴油机：

△p基本不变，从而pa基本不变，ηv基本不变汽油机：负荷↑，则△p↓，从而pa↑，ηv

↑△312、进气终了的温度Ta

Ta↑→ρ↓→ηv

↓。

Ta总是高于进气状态温度。引起Ta升高的原因是:1）高温零件加热工质。

2）新鲜工质与高温残余废气混合而被加热。

3）在汽油机上，常采用废气或冷却水对进气进行预热，以改善混合气的形成。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Ta。在实际中，主要注意对冷却系加强维护，防止过热。32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。333、排气终了压力和温度(残余废气系数）1）排气系统阻力大，排气压力高，废气多。（阻力取决于排气通道阻力系数和发动机转速）2）Pr↑→残余废气↑→ηv

↓（燃烧恶化，油耗、排放↑）3）压缩比↑→残余废气↓→ηv

↑。4）Tr↑→ηv变化不大（排气温度上升→进气温度上升）344、大气压力和温度理论：P0↓，T0↑→ηv

↑实际：充气量减少，发动机性能下降。原因：大气压力和温度同时影响实际充气量和理论充气量。P0↓，T0↑→理论充气量减少P0↓，T0↑→新鲜气体密度降低→实际充气量减少理论充气量减少幅度比实际大→ηv

↑355、压缩比压缩比↑→燃烧室容积↓→残余废气量↓→ηv

↑366、配气相位

对充气效率影响最大的是进气门的迟后关闭，其次是排气门的迟后关闭。进气门迟闭小，充分进气下降；进气门迟闭大，新鲜气体被压出，实际充气减少，充气效率下降。排气门迟闭角小，充分排气下降；排气迟闭角大，残余废气增加，实际充气减少，充气效率下降。最佳应根据气流惯性来确定，而气流惯性取决于发动机转速。37结论进气终了压力提高，充气效率提高。进气终了温度提高，充气效率下降。排气终了压力提高，充气效率下降。排气终了温度变化对充气效率影响不大。大气压力降低、大气温度升高，充气效率提高。压缩比提高，充气效率提高。配气相位：进、排气迟后角过大或过小，充气效率降低。38第三节提高发动机充量系数的措施1、减少进气阻力（最为重要的影响因素）2、减少排气阻力3、降低进气温度4、合理选择配气相位393.1减少进气阻力进气系统组成：空气滤清器或加进气消声器、节气门、进气管、进气道和进气门（及座）等组成。进气系统的流动阻力：

（1）沿程阻力：实际为管道摩擦阻力（2）局部阻力：由流通截面大小、形状、流动方向变化所引起。主要损失：进气门座处、空气滤清器和流道转弯处

减少各段通道的阻力，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。40（一）减少进气门处的流动损失

流通截面最小、流速最高的地方。与阻力系数和流动速度有关。关键是：降低流速；改善气门座处的流动情况。1、增大进气门直径，选择合适的排气门直径进气门直径增大，扩大气流通路截面积增加，ηv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0.2~0.25，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。

41（1）增大进气门开启时的时面值

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。42（2）合理控制进气马赫数Ma

进气马赫数Ma是进气门气流平均速度Vm与该处音速C之比，即Ma=Vm/C。

Ma是决定气流流动性质的重要参数。

Ma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。43根据一系列的试验发现，在正常的配气定时条件下，当Ma超过一定数值时，大约在0.5左右，ηv便急剧下降。所以当内燃机转速增加时，n上升，（Cm=Sn/30），Cm上升，所以Ma上升。故为了使Ma值不超过一定的数值，在高转速内燃机上必须考虑加大进气阀直径d。改善气门处的流动，使流量系数μm

增加。Ma在最高转速时不超过0.5442、采用多气门结构：增大进气流通截面积，减少阻力系数的有效措施缸径大于80mm时，采用二进二排结构；缸径小于80mm时，采用三进二排结构。45五气门或三气门发动机简介：

三进两排：充分利用气缸外围尺寸，又能利用气缸中心布置火花塞。两进一排：增大进气面积。46赛车用高比功率的发动机采用多个小气门结构后，功率可提高70%，扭矩可提高30%，且响应性比增压机好，故是汽车发动机高功率化的有力措施。47DOHC（双顶置凸轮轴）四气门发动机特点

优点：

（1）进排气面积大，充量系数高；（2）火花塞或喷油器布置在中央，利于提高压缩比和改善燃油雾化质量，提高经济性；（3）可减轻气门系统运动零部件的质量，适应高转速的要求。采用四气门技术后，发动机功率可增加15％~30％，扭矩增加大约5％~10％缺点：

（1）气门机构零部件数目增加，使制造成本和维修成本增加；（2）顶置凸轮轴使缸盖高度增加。发动机高度尺寸加大。

483、改善进气门处流体动力性能，减少气门处流动损失适当增大气门升程、改进配气凸轮型线、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可能快；适当加大气门杆与头部的过渡圆弧，减少气门座密封面的宽度，修圆气门密封锥面的尖角等措施，可提高充气效率。最大气门升程与阀盘直径之比L/d取0.26~0.28。494、采用较小的S/D（短行程）

n一定→S/D↓→Cm↓→Ma↓

另D↑→采用大的气门直径，使ηv

↑50（二）减少整个进气管道的流动损失

（1）进气道和进气管

足够的流通截面，表面光滑，拐弯小减小阻力，多段连接对中，并能形成涡流；汽油机：燃料的雾化、蒸发、分配、压力波的利用（保证较高流速和各缸均匀性。）柴油机：形成进气涡流

高转速、大功率时，进气管宜短粗；中、低速，进气管宜细长。（2）空气滤清器

选用阻力小的，注意维护，及时更换。513.2减小排气阻力

减小排气门座、排气道、排气管、消声器的阻力，对降低排气压力和减少残余废气系数均有利。

效果不如减少进气系统阻力有效。523.3降低进气温度影响因素大部分是运转因素凡能降低活塞、气门等热区零件的温度和减小接触面的措施都有利于减小对新鲜充量的加热。增压发动机燃烧室扫气、油冷活塞、进排气管分侧布置均有利。533.4合理选择配气相位在配气相位角度中，对换气过程影响最大的是进气门迟闭角，其次是排气门提前角和气门叠开角。54（一）进气迟闭角利用气流的惯性来增加每循环气缸充量，气流惯性取决于发动机转速。转速低时，应减小迟闭角。

ηv在某一转速下达到最高值，此转速下能最好地利用气流的惯性充气。进气迟闭角增大，ηv最大值对应的转速增加。应注意进气门迟闭角对发动机不同转速下转矩特性的影响。

n↑→进气门迟关角↑

n↑→排气门迟关角↑

最佳进气迟闭角应随转速变化55（二）进排气门重叠角

试验表明：40°以下，基本无燃烧室扫气作用；有重叠角时充气效率提高（节流损失减少）。增压发动机的气门重叠角大，可加强扫气，冷却热区零件，能提高充气效率，减少NOx

排放。（三）排气提前角

保证在排气损失最小的前提下，尽量晚开排气门。

转速增加，排气提前角增大。

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（四）配气相位的选择

应根据发动机的高速性来决定，从以下方面评定：1）充气效率高，保证发动机动力性能；2）必要的燃烧室扫气（降低热负荷，使运行可靠）；3）合适的排气温度；4）充气效率随转速的变化特性良好，适应发动机的转矩特性；5）较小的换气损失，保证经济性。进气迟闭角决定排气提前角决定气门重叠角决定57理想的配气系统应满足以下要求：

（1）低速时，较小的叠开角和气门升程。（2）高速时，最大的气门升程和进气门迟闭角。（3）最佳的进气定时，进气门开启到关闭的持续期也应进行调整。58固定配气相位的限制：无法兼顾高速工况动力性的要求和部分负荷、中低转速工况下油耗的要求;为了提高高速性能，配气相位按高速设定时，满足高速充气效率的要求，当在低速时，由于进气门关闭时刻与高速时一样迟，而在低速时气流没有足够的惯性，不能实现惯性充气，反而导致倒流现象，充气效率下降。※VVT——满足不同工况下的配气正时要求（五）可变配气相位控制系统

59VVT功能实现方式60进气VVT61DVVT相位实例——D20VVT发动机B样标定：功率点：