第02章 发动机的换气过程1

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。补充内燃机构造基本知识(二):

气门式配气机构的布置及传动组成：由气门组和气门传动组组成分类：（一）按气门的布置形式分：1）顶置气门式2）侧置气门式（二）按凸轮轴的布置位置分：1）下置凸轮轴式2）顶置凸轮轴式（三）按凸轮轴的传动方式分：1）齿轮传动式2）链条传动式3）齿形皮带传动式（四）按每缸气门数目分：1）二气门（传统一进一排）2）多气门（四气门为主）第一节四冲程发动机的换气过程一、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。1、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。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。2、强制排气阶段此阶段内，气缸内废气被上行活塞强制推出，气缸内平均压力要比排气管内平均压力略高一些，在排气管较长的场合下，会出现气缸内压力低于排气管内压力情况。气缸内废气流量与压差有关。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）通常把自由排气阶段当成至下止点结束，而且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。在强制排气阶段接近终了时，由于排气门开始关闭，产生较大节流损失，因此在上止点附近，气缸内压力回升，排气消耗功和残余废气量都增多了。因此排气门不能在上止点时恰好完全关闭，应适当延迟某一曲轴转角，即排气迟闭角，一般为10~35ºCA。此外，排气迟闭，可利用排气管中气体的流动惯性把气缸内的废气继续吸出，降低残余废气量和增加新鲜充量。排气门在气缸内废气停止流出时恰好关闭是最理想的时刻。3、进气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。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。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40~70ºCA。4、气门叠开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。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。非增压柴油机气门叠开角一般为20~80ºCA。在增压柴油机中，由于进气压力始终高于排气管内压力，因此，可以直接冷却排气门，降低其热负荷，因此，增压柴油机气门叠开角可以较大，一般为80~160ºCA。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。将进、排气门开、关角度相对于上下止点的位置画出，称之为配气相位图。二、换气损失—进气损失+排气损失。1、排气损失—从排气门提前打开直至进气行程开始，缸内压力到达大气压力前循环功的损失。它等于自由排气损失W+强制排气损失Y。自由排气损失W—膨胀功损失。强制排气损失Y—将废气强行推出所消耗功。排气提前角加大，自由排气损失W增加，强制排气损失Y减少。最佳排气提前角应使（W+Y）之和最小。当发动机转速升高、排气门截面积减小时，按曲轴转角计算的实际超临界排气时期延长，因此最佳排气提前角应增加。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%，2、进气损失—进气流动阻力造成的损失。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。换气损失—排气损失+进气损失（W+X+Y）。泵气损失—对非增压发动机，排气过程与进气过程封闭曲线包围的示功图面积（X+Y+d）。一般为15~30kpa。虽小，但对充气效率影响甚大。影响泵气损失的因素：1）进气节流的影响—汽油机小负荷运转时，由于进气节流，进气管中压力下降，泵气损失显著加大，可能达到70kpa。发动机转速或活塞平均速度的影响—发动机转速愈高，超临界排气期间愈长（指所占的曲轴转角间隔愈长，过下止点后的曲轴转角间隔愈长，活塞开始上行时气缸内的残余废气量愈多），强制排气和进气的压力差与发动机转速（严格说与活塞平均速度）的平方成正比，因此泵气损失愈大。上图看出，柴油机负荷对泵气损失略有影响。第二节四冲程发动机的充气效率一、充气效率—实际进入气缸的新鲜工质质量与进气状态下充满气缸工作容积的新鲜工质质量之比。（进气状态对非增压发动机指大气状态，对增压发动机，指增压器出口状态）V1—实际循环进气量在进气状态下所占的体积；VS—气缸工作容积。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。实际发动机充气效率可直接测定：用孔板或喷嘴、层流式空气流量计直接测出发动机每小时实际充气量Vk（m3/h），理论充气量Vt

（m3/h）由下面的公式算出：二、影响充气效率的因素假定进气门关闭时气缸容积为（Vs+Vc），进气终了时缸内气体密度为a，则进气终了时缸内气体的总质量为：ma=（Vs+Vc）a假定排气门关闭时气缸容积为Vr，残余废气的密度为r，则残余废气的质量为：mr=Vrr充入气缸的新鲜充量的质量为：

vVss

=（Vs+Vc）a—Vrr令这里，是有效压缩比（=（0.8~0.9）），这是考虑了进、排气门迟闭的影响，则：（因Vs=（-1）Vc，则）假定残余废气与新鲜充量的气体常数近似相等，并以气体状态方程

=p/（RT）代入上式，得：残余废气系数是进气过程结束时气缸内残余废气量mr与气缸中新鲜充量vVss的比值。代入上式得：由此可见，影响充气效率的因素有：进气（或大气）的状态、进气终了时的气缸压力和温度、残余废气系数、压缩比、气门正时等。1、进气终了压力pa—pa愈高，v愈高。2、进气终了的温度Ta—Ta愈高，v愈低。3、残余系数—愈高，v愈低。4、配气定时—，新鲜充量的容积减小，但pa值却因进气流动惯性而使进气量增加，因此，合适的配气定时应使pa具有最大值。5、压缩比—增加，压缩容积减小，残余废气量减少，v有所增加。6、进气（或大气）状态—由于进气密度随进气状态而变，因此，充气效率v并不代表发动机绝对进气量的尺度。为了比较发动机在不同大气条件下的充气能力，应该用如下定义的充填效率c表示：充填效率c：假定标准大气状态p0=760mm汞柱，T0=20+273=293，相对湿度0=60%，水蒸气分压0pw0=10.5mm汞柱，干空气密度0=1.188公斤/米3，则进气温度Ts高，进气终了温度Ta也高；进气压力ps愈高，进气终了压力pa也愈高。因此，充气效率v变化并不大，但充填效率c变化大：Ts高，c降低；ps高，c升高。发动机功率应该与充填效率c直接有关。三、由吸入空气量计算平均有效压力pme1、过量空气系数—燃烧1kg燃料的实际空气量与理论空气量之比称为过量空气系数结论：提高发动机动力性能指标的基本途径有：1）采用增压技术2）合理组织燃烧过程，提高循环指示效率3）改善换气过程，提高气缸的充气效率4）提高发动机转速5）提高内燃机的机械效率6）采用二冲程机提高升功率第三节减少进气系统的阻力进气系统由空气滤清器（或加进气消声器）、化油器喉管、节气门、进气管、进气道和进气门等组成。减少各段通路的阻力，是提高充气效率v、提高发动机动力性能的主要途径。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。因此，可变配气相位机构（高、低速凸轮或电控电磁阀）是国外主要研究方向。3、进气马赫数Ma—进气门处气体的平均速度Vm与该处声速c的比值：平均流速Vm的定义：实际每循环进入气缸的新鲜充量vVs与进气门有效时面值Ft之比。式中，sm—进气门开启期间的平均流量系数，通过稳流吸风试验台，测得进气门在不同气门升程下的流量系数s，求出平均值：进气道的流通能力是衡量流动特性的一个重要指标,通常用流量系数CF表示,流量系数是指气体通过气门阀座的实际质量流量与理论质量流量的比值

Fm—进气门平均开启面积；

t0、tc—进气门开、关时间；0、c—进气门开、关角度。由于所以式中，D—气缸直径；d—进气阀盘（室）的直径。当进气马赫数Ma0.5时，充气效率v急剧下降。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v、提高发动机转速的有效办法。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。增大气门直径，可提高v，二气门结构进气门阀盘直径可达活塞直径的45%~50%，进气门与活塞面积之比为0.2~0.25。但进气门直径增加，除受结构限制之外，惯性质量增大使惯性力增大，在高速发动机中容易引起气门飞脱、反跳等不正常现象。因此，增加气门数是高速发动机中增大气门通过能力、提高充气效率v的有效途径。根据优化气门数和进气门开启面积的关系可知，当缸径大于80mm时，采用二进二排结构；缸径小于80mm时，采用三进二排的结构。可获得最大气门开启面积，进气体积流量可大幅度增长。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%；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；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。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。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。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v。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。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。进气管的直径和长度应考虑进气管的动态效应，通常，高速、高功率、进气管直径宜选择粗一些（长度较短），为中、低速工况经济性考虑，进气管直径宜选择细一些（长度较长）（进气流速太低）。三、空气滤清器—滤芯容易堵塞。第四节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。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。第五节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。一、进气管的惯性效应在进气行程，由于活塞下行，在进气门气门端产生负压，它会以波动形式从进气管的气门端，以声速向入口端传播，经过t时间后到达入口端并反射为正压力波。设进气时间为ts，若进气管很长，这时t»ts，其结果对进气过程无直接影响；对短进气管，压力波返回时间短，这时将发生负压力波与正压力波重合。如果进气管管长选择恰当，便能在进气过程后半期，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）。像这样，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。二、进气管波动效应当进气门关闭后，进气管内在进气门端产生压缩波（正压波），向进气管的开口端以声速传播，到达管端时将反射为膨胀波（对于开口、管端外压力不变时，反射波的性质与入射波相反），从管端向气门端以声速传播。当到达进气门端时，若进气门仍关闭，则边界条件为封闭型，气门处反射波的性质与入射波的性质相同，即为膨胀波（负压波），在进气管开口端再次反射时，成为压缩波（正压波）向进气门端传播。如此周而复始，气体压力波在进气管内来回传播，进气门处的压力也时高时低。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。三、转速与管长压力波的固有频率f1

=c/(4Li*)

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f1与f2之比为波动次数q2，说明进气管内压力波的固有频率与发动机进气频率的配合关系。对惯性效应，发动机进气周期与压力波半周期相配，即对波动效应，当q2=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q2=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v减小。q1、q2愈小，则需要进气管愈长；q1、q2愈大，则由摩擦引起的压力波衰减愈大。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：长进气管对应的最大充气效率v在低速，短进气管对应最大v下的转速在高速。结论：1）发动机转速和管长：长进气管对应的最大充气效率v在低速，短进气管对应最大v下的转速在高速。2）进气管截面积（或管径）高速机应选用短而粗的进气管，转速不太高的发动机应选用细而长的进气管。3）配气相位高速机应选用大的i*，中、低速机应选用较小的i*。4）如果使用可变的进气系统，在高速工作时，使用短而粗的进气管和大的i*，以保证高速下获得大的进气充量及高速动力性；在中低速下采用细而长的进气管和小的i*，以保证中低速下v最佳，从而改善了低速稳定性和经济性。这就是当前最为流行的可变进气系统的理论依据。五、排气管的动态效应排气门打开初期，在排气门处产生大的正压力波向排气管口传播，在出口端又返回负压力波。由于排气压力波排气能量大、废气温度高，故排气压力波的振幅大、传播速度高。若能在排气过程后期，特别是在气门叠开期间，使排气管的气门端形成稳定的负压，便可减少残余废气和泵气损失，有利于提高v。如图所示，排气门的开启持续时间与压力波的一个或二个周期一致最佳。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。第六节可变技术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。现有可变进气管、可变气门定时、可变气门升程、可变进气涡流等结构。一、可变进气管—高速大功率时短而粗，低速大扭矩时细而长。二、可变气门定时要求：进气迟闭角与排气提前角应随发动机转速的升高而加大；怠速时，气门叠开角要小，随转速升高，气门叠开角应加大。1、凸轮相位可变—双顶置凸轮轴的进气凸轮轴上，气缸盖上装油压切换阀，由计算机控制。在油压作用下，带螺纹花键2的活塞3可作轴向移动，使齿形皮带轮与凸轮轴脱开，凸轮轴转动一个角度（一般可转20~30）。2、进气持续期可变—凸轮轴上装两组凸轮，为低速、大扭矩时的短升程、短持续期的进气凸轮和高速、大功率时的长升程、长持续期的进气凸轮，可实现高速、低速和可变排量三种方式动作的机构。T型连杆内的控制活塞在油压控制下，实现高速或低速摇臂与T型连杆的连接，从而实现高速或低速凸轮与气门的驱动关系。第七节二冲发动机的换气过程一、二冲程发动机的换气过程及示功图以曲轴箱扫气型式的二冲程汽油机的换气过程为例。基本分类（按进气方式分类）：活塞阀进气簧片阀进气旋转阀进气活塞-簧片阀进气

1、进气过程

给气比是衡量进入曲轴箱内新鲜可燃混合气量的多少，因此愈高，发动机动力性愈好。（1）活塞阀进气方式的结构、工作特点进气口面积受到限制。进气口高度方向上下边沿位置受到进气相位的限制，进气口上边沿位置必须在活塞处于上止点位置时使进气口全开。通常设计成长方形，但过宽削弱气缸壁结构强度，而且气环容易弹入进气口折断。发动机低转速时，给气比急剧降低，高转速时高。低速时活塞下行时，曲轴箱内新鲜可燃混合气有更多时间倒喷入进气管。高转速时气流惯性来不及转向流出。曲轴箱进气示功图I0点是进气开启点，新气进入曲轴箱，压力上升，一直到上止点；活塞下行，曲轴箱内气体由于惯性仍在流入，但也有可能因曲轴箱容积减小而使气体倒流，因此压力增加较平缓。Ic点是进气口关闭点，此后曲轴箱密封并压缩而使压力迅速增加。S0点是扫气口开启点，新气进入气缸，曲轴箱内气体压力随着预压缩过程的进行而变化不大。活塞上行，容积增大，曲轴箱内气体压力急剧下降，直至扫气口关闭点Sc。随后，压力下降程度变缓。（2）簧片阀进气方式的结构与工作特点进气口开、关时间不对称，可以早开、早关。进气口不布置在气缸壁上，而是布置在曲轴箱上。在化油器和曲轴箱之间装有一个簧片阀，簧片阀由阀座、簧片和限位板组成，混合气只能单向流动。活塞向上移动，曲轴箱内真空度大到足以克服簧片阀弹簧力，就推开簧片阀，新鲜可