第二章发动机的换气过程

2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程第二章发动机的换气过程要使发动机作功多，扭矩大，功率大，需要燃料在气缸内燃烧时放热多，这主要取决于进入气缸中空气量的多少。因此，要求进气尽可能充分，排气尽可能干净。内燃机中的流动均是不稳定流，而且进、排气管中发生的压力波有时可能促进进、排气作用，有时可能妨碍进、排气作用，因此，理论分析很困难。本章将根据试验结果，结合理论分析，研究内燃机的换气过程，分析影响发动机充气效率的因素，从而设法尽可能提高发动机的充气量。2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程§1-1四冲程内燃机的换气过程

换气过程—排气过程开启至进气门关闭，约占410ºC~480ºC曲轴转角。包括自由排气、强制排气、进气和气门叠开四个阶段。2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程

一、自由排气阶段：

自由排气阶段—排气门打开至气缸压力接近排气管压力的这段时期。为什么排气门必须在下止点前提前开启一定角度？排气门开启初期，活塞移动速度缓慢，排气门开启流通截面积只能缓慢增加，如果排气门恰好在下止点开启，气缸内压力下降缓慢，活塞上行时压缩负功较大，增大排气过程的消耗功率，因此，排气门必须提前开启。通常，排气门提前开启角度约30~80ºCA。2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程

在排气门提前开启时，气缸内压力p约为0.2～0.5MPa，与排气管内压力Pr之比大于临界值1.9，排气的流动处于超临界状态，废气以当地声速c（m/s）流过排气门，废气流量与气体压差无关，仅取决于气缸内气体的状态和气门开启有效截面积。（当时，属于超临界流动）。当排气温度为700~1100K时，声速c可达500~700（m/s）。（）当废气流向排气管时，管内压力Pr急剧上升，产生了正压力波，到了管端口后又变成负压力波反射回排气门。当时，属于亚临界流动。2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程

在亚临界排气阶段，废气流量决定于气缸内和排气管内的压力差。某一时刻，气缸内和排气管内的压力接近，则自由排气阶段结束。自由排气阶段一般在下止点后10～30ºCA才结束。（自由排气阶段=超临界流动阶段+部分亚临界流动阶段）

这一阶段虽然只占总排气时间的1/3左右，且气阀开启流通面积也较小，但因流速很高，排出的废气量可达60％以上。在超临界时期常伴有刺耳的噪声，是发动机排气噪声的主要来源。

认为自由排气阶段内废气流量与气体压差无关，仅取决于气缸内气体的状态和气门开启有效截面积。2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程

在此阶段缸内气体的状态由活塞的运动速度与位置、气门有效流通截面的变化规律以及排气管内的气体状态等共同决定。排气迟闭的原因：为减少排气所消耗的功与缸内的残余废气量，充分利用气流的惯性效应，实现后排气，排气门需要推迟关闭。但过大的排气迟闭会导致废气倒流。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4=10～70°CA。

二、强制排气阶段：

定义：自由排气结束后，气缸内的废气随活塞上行被强制排出，直到排气门关闭。2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程

三、进气过程：从进气门开启到关闭，内燃机吸入的新鲜充量的整个过程。

进气门一般在上止点前提前一定曲轴转角开启，以保证活塞下行时有足够大的开启面积，减少进气节流损失。进气门提前角一般为0～40ºCA。1.进气提前：

进气真正开始时刻，要待气缸内残余废气膨胀至低于进气管内进气压力才开始。由于该时进气管内气体加速需要压力差，进气门开启截面积又小，因此新鲜充量不能及时吸入气缸。进气门提前开启就是为了减少节流损失，增加气缸内充气量。2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程

为了利用吸气过程中产生的高速气流的惯性，进气门必须在下止点后适当曲轴转角才完全关闭，实现过后充气，以增加气缸内充气量。进气迟闭角一般为下止点后20-60ºCA。2、进气迟闭2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程

特点：1.进气管、气缸、排气管三者相通，有利于扫气增加。

2.新鲜冲量的冷却有利于降低缸内温度。

四、气门叠开和燃烧室扫气过程

由于排气门的迟后关闭和进气门的提前开启，在进、排气上止点附近，存在进、排气门同时开着的现象，称之为气门叠开。2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程气门叠开角的确定：

由于气流惯性，进气管、排气管虽然相通，在气门叠开角适当时不应出现废气倒流现象。1、汽油机气门叠开角较小，因为发动机怠速工况时节气门开度最小，进气节流损失最大，进气管内真空度最高，容易造成排气管内废气倒流现象。2、非增压柴油机进排气压力相当，允许采用较大的气门叠开角，增强扫气效果，提高充量质量，提高性能。气门叠开角一般为20～60ºCA。2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程

叠开角过大的问题：

a.会使气门与活塞发生干涉，活塞上的气门避让坑相应地要加深，直接影响燃烧室气体运动的合理组织以及压缩比的大小。

b.过多的扫气空气也会加重涡轮增压器的负担。

c.增压汽油机，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，故叠开角仍较小。3、在增压柴油机中，由于进气压力始终高于排气管内压力，新鲜充量可以经燃烧室后流入排气管中，以达到扫气的目的，不仅有助于降低受热零件表面温度，提高其可靠性，降低增压器涡轮的进口温度。因此，增压柴油机气门叠开角可以较大，一般为80～140ºCA。

4、机械增压柴油机:由于进、排气压差大，且过多的扫气会加重压气机的负担而使机械效率降低，故其叠开角一般取较小值；2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程五、四冲程内燃机换气损失定义:理论循环换气功与实际循环换气功之差。换气损失＝进气损失+排气损失2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程

排气门开启到吸气行程开始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1、排气损失2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程

发动机转速不变时，排气提前角较小时，内燃机的膨胀损失小，但活塞的推出功损失将会增加。

转速增高时，w的增加幅度远远小于x的增加幅度，而两者之和在总体上呈现增加的趋势。

减小排气系统阻力及排气门处的流动损失，是降低排气损失的主要方法—主要是排气消声器、排气道、排气门的结构设计。前者是主要影响因素。试验结果表明，因排气消声器引起的排气背压每升高3.39kPa，增压柴油机油耗平均增加0.5%，非增压柴油机平均增加1%，2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程2、进气损失

减少阻力损失主要从改进进气道结构设计着手，对柴油机而言，要求在一定的进气终了空气涡流强度条件下，尽可能提高流量系数。进气流动阻力造成的损失。2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程定义：每循环实际进入气缸的新鲜充量m1与以进气管内状态充满气缸的工作容积的理论充量msh之比。设残余废气系数为r，则残余废气质量为rm1，进气后缸内质量。

§2-2四行程发动机的充气效率一、充量系数v愈高，代表每循环进入一定气缸容积的新鲜工质量多，则发动机功率和扭矩可增加，动力性好。2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程二、影响充量系数各种因素（1）进气阻力

对的影响最大。进气系统的沿程阻力和局部阻力均会使增大。（一）进气终了压力

（2）转速

（3）负荷2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程（二）进气终了温度

（2）负荷

（1）转速

2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程（三）排气终了压力

（四）排气终了温度Tr

2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程（六）配气定时

合理的配气定时也可增加充气效率

（七）进气状态

进气或大气压力高，pa也随之增加，新鲜工质密度增加，进气量也增多。2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程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Pa。

三、提高充量系数的措施：4）降低排气系统的阻力损失，以减小缸内的残余废气系数r

。3）减少高温零件对新鲜充量的加热，以降低进气终了时的充量温度Ta。2）合理的配气正时和气门升程规律，在减小mr的同时，即增加pa，减小φr2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程§2-3减少进气系统的阻力一、进气门—与气门直径、气门锥角、气门最大升程、凸轮至气门的传动机构、凸轮型线等结构设计、尺寸参数有关。1、进气门瞬时开启流通截面积fd—气门室直径；lv—气门瞬时升程;—气门锥角2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程2、时面值在时间微元dt内通过气门的气体流量为dm=vmfdt。整个气门开启时间内的气体流量为m=Vmfdt式中的fdt称为气门的时面值，气门的通过能力与气门的时面值有关。式中的Vm是进气门处气体的平均流速2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程式中的fd称为气门的角面值。气门机构的结构设计、配气相位一定时，气门的角面值就一定，与发动机转速变化无关。但气门的时面值与发动机转速成反比。当发动机转速升高时，气门的时面值下降，充气效率v降低。2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程3、进气马赫数Ma

增大气门的相对通过面积，提高流量系数，合理的配气相位是限制Ma值、提高ηv、提高发动机转速的有效办法。2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程4、气门直径和气门数进气门直径一般比排气门直径大15%~20%。因为排气流速高于进气流速，按进、排气流量相等原则，可以进大、排小；其次，排气门热负荷较进气门严重，减小排气门直径可以减少排气门受热面积，降低热负荷。多气门优点：1）进气总通过断面积增加，有利于提高充气效率，提高发动机功率和扭矩。四气门机构与二气门机构相比，功率可提高70%，扭矩可提高30%，尤其是改善低速、低负荷性能；2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程3）有利于形成结构紧凑的半球型燃烧室，改善燃烧；4）排气门热负荷低。多气门缺点：结构复杂，传动布置困难。2）在相同缸径条件下，气门头部尺寸小，重量轻，气门升程小，有利于高速化；2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程5、气门升程—即气门最大升程。气门升程大，可增加气门通过时面值，提高充气效率，但气门最大负加速度大，气门容易发生飞脱、反跳等不正常开启现象。因此，最大气门升程与气门阀盘直径之比一般取0.26～0.28。2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程6、减少气门处的流动损失气门头部到杆身的过渡形状、气门与气门座的锐边等，都会影响气流的剥离，从而影响流量系数。如在进气门升程较小时，气门周围的气流部分发生倒流，减少了进气通道截面积，即减少了进气量。这当然与进气道的几何形状设计有关，如国外的进气道出口要求机械加工倒角、要求流线型几何形状设计。2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程二、进气道、进气管—保证足够的流通截面积，避免转弯（柴油机螺旋进气道除外）及截面突变，提高气道内表面的铸造光洁度，以减小阻力，提高ηv。

为使气流加速，进气道截面积是渐缩、渐扩的几何形状。气门导管处最小气道截面积的设计非常重要，它取决于气门最大升程的选定。一般认为，在稳流试验台上，超过最大气门升程时，进气道的设计应该保证气体流量不再增大。2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程对汽油机而言，采用直线型进气道可最大限度减少进气阻力。这一设计思想也体现在现代车用直喷式柴油机的进气道设计上，主进气道尽可能设计成直线型，而副进气道则设计成螺旋型，以组织进气涡流。2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程

为了避免或减少高温进气的加热，柴油机均采用进、排气管在气缸盖两侧布置的方案。对于汽油机，常采用进、排气管同侧布置方案，增压及中冷可提高内燃机的动力性、经济性和排放特性，还可提高ηv

。三、减少对进气充量的加热2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程

四、降低排气系统流动阻力：

排气道应避免截面突变和急转弯这有利于降低流通阻力

从缸盖底面到排气门座面应圆滑过渡，到最小流通截面逐渐缩小，

从气道转弯处到排气道出口截面形成扩压段，最小流通截面至出口截面面积应逐渐变大。

对于多缸脉冲涡轮增压内燃机，排气管应分支，避免排气倒流。

设计出高效低阻消声器，也是降低排气阻力的十分重要的一环

2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程§2-4合理选择配气定时配气相位角中，进气门迟闭角的改变，对充气效率影响最大。增大进气迟闭角，高转速时v最大值相当的转速增加，有利于最大功率的提高，但对中、低速发动机性能不利；减小进气迟闭角，能防止低速倒喷，有利于提高最大扭矩，但降低了最大功率。2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程合理的排气提前角应当在保证排气损失最小的前提下，尽量减小排气提前角，以加大有效膨胀比，提高热效率。当发动机转速增加时，相应的自由排气时间缩短，为减少排气损失，应增加排气提前角。进气门早开角和排气门迟闭角的影响体现在气门叠开角上，其中，排气门迟闭角的影响最大，随发动机转速的增加而加大（即气门叠开角随发动机转速的增加而加大），进气门提前角几乎不变。汽油机气门叠开角较小，柴油机较大；车用增压柴油机为保证低速性能，气门叠开角与非增压机型几乎一致。2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程§2-5进气管的动态效应由于间隙进、排气，进、排气管内存在压力波。可利用此压力波来提高气缸内充气效率。电控汽油喷射发动机的普及，使得进气管的设计自由度大大增加，进气管谐振系统广泛应用在中、高档轿车上，甚至可使充气效率超过100%，大大提高了发动机动力性能。进气管动态效应分为惯性效应与波动效应。2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程在进气过程后半期，压力波合并成为正压，并使正压恰在进气门关闭之前达到最大值（最佳t=ts/2），就能增加v（惯性增压）,进气管内的压力波对产生它的本次循环的进气过程直接产生影响，这种效应叫惯性效应（如图b）。一、进气管的惯性效应2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程如果使向进气门端传播的正压力波与下一循环的进气过程重合，就能使进气终了时的压力提高，从而提高了充气效率。这种前一个循环残存的压力波，对后一个循环的进气过程发生的影响叫波动效应。b、进气管波动效应

汽油机的进气管长就是利用了波动效应2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程c、转速与管长压力波的固有频率式中：c—进气管压力波声速Li*—进气管等效管长当发动机转速为n（r/min）时，进气频率f2为

用q来表示波动次数，则有：2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程当q=1.5、2.5…时，下一次进气门开启时，正好与正的压力波重合，使v增加；当q=1、2…时，进气频率与压力波固有频率合拍，下一次气门开启期间正好与负的压力波重合，使ηv减小。2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程当最佳的q1或q2一定时，管长与转速成反比，即高速机应选用短（粗）的进气管，转速不太高的发动机应选用长（细）的进气管。

换句话说：长进气管对应的在低速时有最大充气效率ηv，短进气管对应在高速时有最大ηv下的转速。2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程结论：1）排气管的长度、粗细、配气相位对v的影响趋势与进气管相似，即：高速机采用短而粗的排气管和大的排气开启持续角，低速机采用细而长的排气管及小的排气开启持续角。2）对于多缸发动机，若多缸共一根排气管就会产生相互干扰，往往使结果变坏。如某缸在关闭之前，另一缸在自由排气而形成正压力波，此缸使前一缸排气门处压力升高，不利于废气排出。因此，多缸机为排除上述干扰，常将某些排气时间不重叠的气缸分为一组，采用单独的排气管。2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程1、可变进气管长度系统：进气管长度可调以适用不同转速下的谐振充气。可变技术就是随发动机使用工况（转速和负荷）变化，为使发动机性能均保持最佳，发动机某系统结构参数可变的技术。可变进气管长、可变气门定时、可变气门升程、可变凸轮机构等结构。§2-6可变技术2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程FullloadperformanceofanAudiV6engine2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程FullloadperformanceofanAudiV6engine2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程2、可变进气道截面系统：进气道截面可以调整适用不同转速下的谐振充气。

2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程3、可变排气道截面系统：在排气管末端装有可变节流阀利于惯性扫气。2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程4、可变配气定时控制机构：2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程

1)可变凸轮机构：

该机构使用了高速和低速二种凸轮，高速凸轮的气门开启时间长，升程大，能改变配气相位也能改变气门升程。低速工作时，低速凸轮单独驱动气门，高速凸轮虽然也驱动中间摇臂，中间摇臂并不驱动气门。高速工作时，液压油的压力驱动液压活塞A和B，使三个摇臂结合成一体，这时三个摇臂都被高速凸轮所驱动，通过可变气门定时，汽油机在高低转速时均能获得大的ηv

，从而能获得高的功率。2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程可变配气相位2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程

2)电磁控制全可变气门机构：

在该气门机构中，有上下两个电磁极，一个衔铁固定在气门上。当下面的电磁极通电时，气门开到最大升程；当上面的电磁极通电时，气门被关闭。下面的电磁极的位置可以移动，以此改变气门的最大升程。当电磁线圈不通电时，气门在弹簧的作用下，在关闭和开启状态之间作简谐运动，电磁力只起固定气门位置的作用。可以改变进气定时，改变进气门的最大升程和升程曲线。应用该机构的汽油机，通过控制进气门开启时间来控制汽油机进气量，取消了节气门，提高了充气系数，减少了换气损失。由于气门控制方式的改变，气门驱动的机械损失降低，总的损失还是降低了30％左右。另外还对降低排放由一定的作用。2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程5、谐振充气系统：是将一组点火间隔相等的气缸，通过较短的进气管和谐振箱连接在一起，在进气波动的频率和进气系统的固有频率相等时，能取得较好的充气效果的系统，要求各缸点火间隔240°CA。

不可变进气系统谐振充气，只有在很窄转速范围内才有较好的充气效果。

涡轮增压内燃机，将谐振转速设计在低转速区，以弥补低速时增压效果较差的缺陷。

利用可变进气系统，谐振充气可在较大的转速范围内有较好的充气效率。2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程§2-5二冲程内燃机换气

二冲程内燃机进气、压缩、燃烧、膨胀和排气过程是用两个活塞行程来完成的，其换气过程的工作顺序是：在膨胀行程的末期，活塞下行，首先打开排气口，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，扫气泵的作用是对新鲜充量进行压缩，使其压力提高后，再进入气缸。一、二冲程内燃机的换气过程2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程

换气过程分为三个阶段，自由排气阶段、扫气与强制排气阶段和过后排气或过后充气阶段。

1.自由排气阶段—从排气口开启直到新鲜充量进入气缸为止。

特点

：（1）下止点前60～75°（CA）开启，气缸内压力较高，约为300—600kPa，气缸内的燃气以声速流出。

（2）排气流量与排气管内的气体状态无关，只取决于缸内气体的状态和排气口流通截面的大小。

（3）缸内燃气可以流出大约

70％～80％。

2.扫气与强制排气阶段—扫气口开启，新鲜充量进入气缸，直到活塞下行到下止点后再上行将扫气口关闭为止。

特点：利用扫气气体强制将废气排出气缸外，还要充入新鲜充量。

3.过后排气或过后充气阶段—从扫气口关闭到排气口关闭期间。

特点：该阶段所持续的时间较短。由于活塞已经开始上行，缸内气体压力提高，对过后排气是有利的而不利于过后充气。要达到过后充气的目的，就必须提高扫气泵的扫气压力，相应地增加扫气泵消耗的机械功。2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程

（1）换气时间短，换气质量差：

二冲程为120°～150°CA，而四冲程为400°

～500°CA。从气门叠开角占整个内燃机换气时间的比例来看，非增压约为3％～8％，增压为20％～30％，而二冲程达到了

70％～80％。将有较多的新鲜充量经过排气门直接流入排气管中，增加了空气消耗量（对于柴油机而言）或混合气消耗量（对于汽油机而言）。与二冲程增压发动机所匹配的增压器比四冲程发动机流量大的原因。

二冲程的换气过程与四冲程的差异：

（2）进、排气过程同时进行：

四冲程的换气过程在两个行程中进行，新鲜充量与废气掺混的机会较少，残余废气系数较小；而二冲程换气时进、排气过程同时进行，新鲜充量与废气易于掺混，残余废气系数比较大。

2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程

（3）扫气消耗功大：

尽管二冲程无泵气损失，但消耗的空气量大，扫气泵耗功多，使得其指示热效率明显低于四冲程内燃机，因此燃油消耗率较高。

（4）二冲程汽油机的HC排放高：

对于二冲程汽油机而言，由于在扫气期间有较多新鲜充量短路而直接流入排气管，导致其未燃HC排放远高于四冲程发动机。

2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程

二、换气质量的评价：

换气过程的评价参数：

1扫气系数Φs—换气过程结束后，留在气缸内的新鲜充量的质量m0与缸内气体总质量的比值，即

φS表示扫气品质的好坏。φS高，说明进入气缸新气流失少，或残余废气被清扫的多，它是评价扫气的重要指标。2023/2/5南京航空航天大学金城学院车辆工程2过量扫气系数（给气比）—通常用每循环流过