换气过程与循环充量

换气过程与循环充量第1页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/291摩托车发动机原理换气过程排气过程进气过程

换气过程的任务

排除废气充入尽可能多的新鲜工质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

减少换气损失方向与措施。找出换气过程是持续运转的必要条件单位时间进入整机的充气量是决定发动机输出功率的“量”的因素

第2页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/292摩托车发动机原理

6.1

四行程发动机的换气过程一、换气过程四行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。换气过程的目的：•最大限度地吸入新鲜充量—φc是核心问题•最小的换气损失•各缸进气均匀性•在缸内形成合理的流场,以控制混合气形成和燃烧第3页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/293摩托车发动机原理换气过程1.排气阶段1）自由排气阶段2）强制排气阶段3）惯性排气阶段2.进气阶段1）准备进气阶段2）正常进气阶段3）惯性进气阶段3.气门叠开第4页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/294摩托车发动机原理

1.排气阶段1）自由排气阶段排气门开启到气缸压力接近了排气管压力的这一时期，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。第5页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/295摩托车发动机原理自由排气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。第6页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/296摩托车发动机原理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）〕。

在超临界排气时期，废气流量与排气管内压力pr无关，只与气缸内的气体状态及气门开启截面积有关。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。第7页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/297摩托车发动机原理

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。（2）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。

第8页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/298摩托车发动机原理

高速发动机其排气提前角要大一些：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。第9页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/299摩托车发动机原理2）强制排气阶段：活塞上行强制推出废气。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。第10页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/2910摩托车发动机原理3）惯性排气。当强制排气阶段接近终了，在上止点附近，废气尚有一定的流动能力，利用气流的惯性进一步排除废气。排气迟闭角，一般为10º~35º曲轴转角。第11页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/2911摩托车发动机原理2.进气阶段从下止点到进气阀终了这段曲轴转角称为进气迟闭角。从进气门打开到上止点为止，这段曲轴转角称为进气提前角。进气阀必须在上止点前开始打开？进气阀关闭时也必须在下止点后才关闭？3）惯性进气阶段1）准备进气阶段2）正常进气阶段第12页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/2912摩托车发动机原理进气门早开：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。进气门晚关：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。排气门早开：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。排气门晚关：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。排气门晚关进气门早开气门重叠第13页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/2913摩托车发动机原理

3.气门叠开：进、排气门同时开启

作用：由于进气管、气缸、排气管互相连通，可以利用气流的压差、惯性或进、排气管压力波的帮助，清除残余废气，增加进气量，降低高温零件的温度，但注意不应产生废气倒流现象。

气门叠开角：进、排气门同时开启时对应的曲轴转角，一般为20º～80º曲轴转角。在增压发动机可达80º~160º的曲轴转角。因其进气压力高。第14页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/2914摩托车发动机原理因为：a.进、排气流各自有自己的流动方向和流动惯性，加上重叠时间极短。b.进气流有助于更好地排气。气门重叠会产生串气吗？不会！第15页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/2915摩托车发动机原理二、换气损失换气损失由排气损失和进气损失两部分组成。第16页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/2916摩托车发动机原理1.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）自由排气损失（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），是活塞上行强制推出废气所消耗的功。

第17页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/2917摩托车发动机原理减少排气损失的主要措施是：减小排气系统阻力和排气门处的流动损失。

随着排气提前角增大，自由排气损失面积增加，强制排气损失面积减小，如图中b曲线，如排气提前角减少则强制排气损失面积增加，如图中c曲线。所以最有利的排气提前角应使面积（W+Y）之和最小。第18页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/2918摩托车发动机原理

2．进气损失进气损失：因进气系统的阻力而引起的功的损失。排气损失与进气损失之和称换气损失，即图中面积(W+X+Y)。在实际循环示功图中把面积(x+y-d)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19页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/2919摩托车发动机原理6.2四冲程发动机的充量系数

6.2.1充量系数的概念——每缸每循环实际吸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

式中ma、V1—实际进入气缸的新鲜工质的质量、体积（进气状态）；ms、Vs—进气状态下充满工作容积的新鲜工质的质量、气缸工作容积。对自然进气发动机：进气状态指当地大气压Ps、Ts。第20页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/2920摩托车发动机原理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

第21页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/2921摩托车发动机原理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

第22页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/2922摩托车发动机原理考虑到进、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，得第23页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/2923摩托车发动机原理1、使用因素第24页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/2924摩托车发动机原理

6.2.2影响充量系数的因素1、使用因素（1）转速nn进气流速流动阻力Paφc

n过低,惯性进气φc

。一定的进气系统，一定负荷下，有一个转速对应的充量系数最大。不同节气门开度、不同转速时的进气压力第25页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/2925摩托车发动机原理（2）负荷汽油机的负荷调节属于量调节，负荷，节气门开度，进气阻力，进气终点压力Paφc

。柴油机的负荷调节属于质调节，负荷的变化对充气系数无明显的影响。汽油机的充量系数随负荷的变化关系

1-全负荷2、3、4、5、部分负荷第26页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/2926摩托车发动机原理（3）大气状态大气压力：P0Pa，但Pa/P0基本不变，故充量系数不变。大气温度To：To变化，Ta也变化，To/Ta基本不变，故充量系数不变但P0↓(To↑)

ρ0↓ma↓发动机功率。第27页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/2927摩托车发动机原理2）结构因素

1．进气终了时的压力Pa'Pa'对有重要影响，Pa'愈高，

值愈大

Pa'=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、高时，△pa增加，使pa'下降。第28页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/2928摩托车发动机原理

2．进气门关闭时气体温度Ta'

进气终了的温度Ta'高于进气状态温度。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。

Ta'越高，充入气缸工质密度越小，充量系数越小。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'。第29页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/2929摩托车发动机原理3.残余废气系数

1）增加，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。第30页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/2930摩托车发动机原理4.配气定时

由的计算公式可见，由于进气门迟闭而＜1,新鲜充量的容积(Vs'+Vc)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ξ、Pa'具有最大值。配气相位合理依据：充量系数的变化是否符合动力性要求，转速增大，充量系数所对应的迟闭角增大。换气损失是否尽可能小，取决于排气迟闭角。能否保证必要的燃烧扫气作用，取决于气门重叠角排气指标好,推迟排气提前角，有利于排气性能的提高。第31页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/2931摩托车发动机原理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

有所增加。第32页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/2932摩托车发动机原理提高充量系数的措施：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'2）降低排气系统的阻力损失，以减小缸内的残余废气系数r3）减少高温零件在进气系统中对新鲜充量的加热，以降低进气终了时的无量温度Ta'；4）合理的配气正时和气门升程规律，在减小废气质量的同时增加新鲜工质，即增加pa',减小r。5)采用可变配气系统技术第三节提高充量系数的措施第33页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/2933摩托车发动机原理

进气系统：空气滤清器、喷油器、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）进气系统的流动阻力，按其性质可分为两类：1）一类是沿程阻力，实际上是管道摩擦阻力，与管长和管内流动面上的表面质量有关。2）另一类是局部阻力，它是由流通截面人小、形状以及流动方向变化，在局部产生涡流损失所引起的。1、降低进气系统的流动阻力第34页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/2934摩托车发动机原理（2）降低进气系统的流动阻力的措施：1）加大进气门直径。2）增加进气门数目。3）合理设计进气道及气门的结构。4）对空气滤清器定时进行清理。第35页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/2935摩托车发动机原理进气门直径增大,扩大气流通路截面积增加，

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。1）加大进气门直径。第36页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/2936摩托车发动机原理多气门结构：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。

2)增加气门数第37页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/2937摩托车发动机原理

四气门机与二气门机相比，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。第38页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/2938摩托车发动机原理

气门升程

气门升程增加、改进凸轮型线、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，以增大时面值，提高充量系数。最大气门升程与阀盘直径之比L/d取0.26~0.28。

a.流通截面尽量大b.气门开启和关闭迅速，以增大时面值，提高充量系数。第39页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/2939摩托车发动机原理2.减少对进气充量的加热

在进气的过程中，进入气缸的新鲜充量将会被各种高温表面所加热而温度升高。从而导致进气密度下降，充量系数减小，还可能促使发功机整体热负荷提高和不正常燃烧的发生。进气温升受到各种结构与运行参数的影响，如进气管结构、发动机转速、负荷、冷却水温度。措施:★尽量避免新鲜空气同高温零件接触。★降低活塞顶及气门处的温度进气道喷射的汽油机以及柴油机，均采用进、排气管两侧布置的方案，以提高充量系数。所以进气管与排气管布置在同一侧。★对于高速内燃机，有时也采用进气冷却技术，以降低进气温度。★组织燃烧扫气。★增压机进气中冷。第40页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/2940摩托车发动机原理3、降低排气系统的流动阻力（1）减小排气系统阻力，可以使气缸内的残余废气压力下降，这样不仅可以减少残余废气系数，有利于提高充量系数，而且可以减少泵气损失，提高指示效率（2）设计目标：降低排气背压、减小排气噪声措施:a.排气道应当是渐扩型，以保证排出气体的充分膨胀，从而降低气缸与排气管内的压力差，使得气缸内的废气压力得以迅速下降，达到提高充量系数和降低泵气损失的目的。b.选择良好的排气歧管的流形，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；c.在满足必要的消声效果要求下，应尽可能降低消声器的流通阻力。第41页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/2941摩托车发动机原理4.合理选择进排气相位角

从获得最大充量系数的角度出发，比较理想的配气系统应当要满足以下要求：1）低速时，采用较小的气门叠开角以及较小的气门升程，防止出现缸内新鲜充量向进气系统的倒流，以便增加转矩，提高燃油经济性。2）高速时应具有最大的气门升程和进气迟闭角，以最大程度地减小流动阻力，充分利用气流惯性，提高充量系数，以满足动力性要求。3）配合以上变化，对进气门从开启到关闭的持续期（又称作用角）也应进行调整，以实现最佳的进气定时。

措施：利用气门可变正时技术可以在全部转速范围内提高充量系数。第42页，共48页，2023年，2月20日，星期一2023/4/2942摩托车发动机原理

完全满足上述各项要求的机构是相当复杂的，目前还仅仅处于研究阶