章 发动机的换气过程2015

1发动机原理第三章发动机的换气过程本章目的：了解换气过程的情况，分析影响充气量的因素，寻找提高充气量的途径。2023/12/222§3.1四行程发动机的换气过程

作用：尽可能排除缸内废气并充入尽可能多的新鲜工质。每循环进入气缸的新鲜工质量对性能影响：影响到汽车的经济性、排放、噪声及乘坐的舒适性等。要求：尽可能合理地延长换气时间：发动机换气过程包括排气过程和进气过程。理论上进排气各占180°（合计360°

）曲轴转角。实际上由于发动机转速高，一个行程的历时只有

60/（6000*2）＝0.005s=5ms，∵时间短→充气不足，排气不净→Pe↓。∴要尽量延长进、排气时间（换气过程)，即扩大进、排气的曲轴转角。组成：从排气门开启--进气门关闭的整个时期，约占410º～480º曲轴转角。一般分作自由排气、强制排气、进气和气门叠开四个阶段。2023/12/223配气定时（配气相位）：

进、排气门开、关的曲轴转角时刻称为配气定时（相位），用相对上、下止点的曲轴转角的环形图来表示则称为配气定时图。主要阶段及特点如下：2023/12/224配气定时（配气相位）图1、排气提前角γ=30°～80°

：从排气门打开到下止点这段曲轴转角。作用：①在活塞上行时排气门有足够大的开启面积，减小排气阻力；②高温废气迅速排出可减小发动机热负荷；2、排气迟闭角δ=10°～35°：从上止点到排气门完全关闭这段曲轴转角。作用：利用压力差和废气流惯性尽可能排净出废气。3、进气提前角α=0°～40°：从进气门打开到上止点这段曲轴转角。作用：在活塞下行时进气门有足够大的开启面积，新鲜工质可以顺利流入气缸；冷却燃烧室壁面以降低Ta提高充气效率。2023/12/2254、进气门迟闭角β=40°

～70°

：从下止点到进气门关闭这段曲轴转角。作用：利用高速气流的惯性和压力差在下止点后继续充气，增加进气量。5、气门叠开δ+α

：由于排气门的迟闭和进气门早开，存在进、排气门同时打开的状态，称为气门叠开（气门重叠）。作用：扫气，清除残余废气，减小残余废气系数；降低高温零件的温度（降低Ta提高ηv）但要保证不应产生废气倒流现象。δ+α范围：增压发动机可达80°～160°；非增压发动机一般为20°～80°。2023/12/226换气过程详解一、排气过程

【180°+γ(30°～80°)+δ

（10°～35°）】≈（220°～295°）

排气形式分类（按速度）：超临界排气：废气流量与排气管内压力无关，只决定于气缸内气体的状态和气门有效开启面积。排气初期：排气为超临界状态，此时缸内废气压力约为0.2～0.5MPa，Pb/Pr>1.9（临界值），废气以当地声速c（m／s）流过排气门开启截面。

排气提前角排气迟后角当Tr=700～1100K时，可达500～700m/s2023/12/227亚临界排气：随着废气排出、缸内压力的下降排气流动转入亚临界排气，此时废气流量决定于气缸内和排气管内的压力差，和气门有效开启面积排气形式分类（按做功）：自由排气阶段：从排气门打开到气缸压力接近排气管压力的这个时期。特点：自由排气阶段排出废气量与转速无关，时间虽短但占60%以上。自由排气结束的标志为:Pb=Pr；在Pr＝C，Tr＝C，Vr＝C强制排气阶段：克服排气系统阻力活塞强制推出废气（一般从下止点算起）。2023/12/228二、进气过程：进气门开启~关闭作用：活塞下行、缸内容积增加、缸内压力下降。环境压力－缸内压力>进气系统阻力，吸入新鲜工质。提前角：0~40°CA

足够开启面积，

阻力；迟关角：40~70°CA

利用气流惯性，多进气

随发动机工况变化，设计或控制最佳进气迟关角，对改善发动机性能至关重要

(180º+α(0-40º)+β（40-70º）≈220-390°)2023/12/229W:自由排气损失：由实际循环线外侧、理论循环线内侧、Va的平行线所组成的面积，在计算指示功时不记录此部分面积。是实际循环相对于理论循环损失的部分，仅作为换气损失而不是泵气损失的组成部分。Y：强制排气损失，由排气线、P0线、Va的平行线组成的面积。是理论循环与实际循环损失的一部分，也在实际循环中作为负功。X：进气损失：进气线、压缩线、P0线组成的面积。是换气、泵气损失的组成部分。

进气损失→X三、换气损失自由排气损失→W；（W+X+Y）排气损失强制排气损失→Y。

（X+Y-d）的面积称作泵气损失在所有损失中排气损失为绝大部分，因此适当匹配排气提前角，使得W+Y的面积最小可以降低换气损失，从而提高发动机的性能2023/12/2210§3.2四行程发动机的充气效率一、充气效率定义：充气效率：实际进入气缸的新鲜工质量（m1）与进气状态下充满气缸工作容积的新鲜工质量（ms）的比值。测量方法：充气效率可直接测定，用空气流量计测出发动机每小时实际充气量m1（kg/h）理论充气量ms（kg/h）由下面的公式算出：式中：Vs——气缸工作容积（m3）；

i——气缸数；

n——发动机转速（r／min）。

ρs——进气状态下气体密度式中：m1、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。进气状态s：非增压发动机指节流阀前；增压发动机，指增压器压气机出口的状态。意义：ηv↑→m1

↑→Q1

↑→pme

↑→PL

↑→Pe↑，即动力性可以提高2023/12/2211二、影响充气效率的因素：公式推导1、设进气完成后缸内残余废气质量为mr，进入新鲜工质质量为m1

，则进气终了缸内总工质质量ma=m1+mr

，令残余废气系数r=mr/m1

，则有

m1=ma/（1+r）2、令进气终了时气缸内的总容积V΄a（有效进气容积）与气缸总容积Va的比值为ξ<1（有效进气体积系数，因为进气迟闭角，ξ<1）3、有4、因为PV＝mRT，有P/RT=m/V＝ρ；Va/Vc=ε，Vs/Vc=(Va-Vc)/Vc=ε-15、将3式分子分母同除以Vc，且对于理想气体有Ra为常数，可以推出

2023/12/2212二、影响充气效率的因素：可见，影响充气效率的因素有：环境温度和压力Ts,Ps、进气终了的气缸温度和压力Ta,Pa、残余废气系数r、压缩比ε及气门正时引起的有效进气体积系数ξ等。进气终了的压力pa式中，为气体流动时，克服进气系统阻力而引起的压降（kPa）。

其中：λ——管道阻力系数；

ρ——进气状态下气体的密度（kg／ms）；

v——管道内气体的流速（m/s）。可见，△pa主要取决于管道阻力系数与气体的流速。2023/12/2213二、影响充气效率的因素1、转速的影响若n↑→

（λ+v）↑→△pa

↑→pa↓→ηv

↓（对比汽、柴充气效率图、Pa图）两端低（自然中间就高了），出现的峰值转速决定于进气迟关角。低速时，由于进气流速低、惯性小，活塞上行时进气反流。高速时，时间短，进气惯性没完全利用，同时进气阻力降增加，下降更剧烈柴油机无节气门λ小，所以充气效率高且下降平坦。柴油机汽油机2023/12/22142、负荷的影响（n一定）汽油机（量调节），负荷↓→（节气门小）→△pa↑→pa↓→ηv↓。负荷↑→Pa增加（系数、速度），Ta略微增加，充气效率增加。柴油机（质调节）负荷↑→pa不变，Ta↑→ηv基本不变或略微下降2023/12/22153、进气终了的温度aT：

aT=T0+aDT

aT>T0的原因是：

①高温零件加热；

②残余废气加热；

③进气预热。

¯¯®­®DTvaahr

\在条件允许的情况下，应力求降低aT值。例如，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aT

影响因素：

负荷­­DT®a

¯DT­®an（接触时间短）

2023/12/22165、压缩比ε

ε↑→Vc↓→残余废气量↓→ηv↑4、2023/12/22176、配气定时由于进气门迟闭，有效容积系数ξ<1

，新鲜充量的容积减小，但pa值却可能因有气流惯性而使pa↑，合适的配气定时应考虑ξ*pa具有最大值。下图随进气迟关角的增加峰值的外包络线逐渐下降（ξ↓）随进气迟关角的增加峰值越靠近高速区域。合理匹配β可以改变发动机的扭矩特性，功率特性。进气迟关角β↑nηv2023/12/22187、进气或大气状态Ts、Ps环境温度Ts随环境温度的增加，环境温度与缸壁等热部件的温差减小，Ts/Ta↑，充气效率有所增加。一般情况下，充气效率与（Ts/Ta）m

成正比，m≈0.25-0.3.转速增加，作用时间短Ts/Ta增加；负荷增加缸壁温度增加，Ts/Ta减小。环境压力Ps对充气效率没有影响。Pa=ps-1/2λ*v2*ρs，两端同除以Ps，可见，Pa/Ps在温度相同的情况下为常数，充气效率不变。则，冬天与夏天相比，冬天的充气效率低，但功率大，m1增加，动力性提高。高原时（温度不变），充气效率不变，动力性下降（Pa下降）。2023/12/2219§3.3提高充气效率的措施从影响因素出发，提高充气效率的措施主要有：减小进气系统阻力：提高pa合理匹配配气相位：综合优化有效容积比和惯性进气。减小排气系统阻力：降低残余废气系数减小进气加热：降低Ta2023/12/2220一、减小进气系统的阻力（Pa）一）减小进气门处的阻力在整个进气系统中，进气门处的流通截面最小且截面变化最大，因此增大此处的流通能力并减小流动损失一直是人们关注的重点。1、时面值、角面值（气门开启丰度）定义：整个气门开启过程中开启面积对时间、角度的积分称为时面值、角面值。代表了气门总的开启面积，也可以反应气门开启的丰满程度φ（流通能力）。

与凸轮升程规律（气门升程规律）、气门密封锥角有关。一般的角面值不变化（凸轮一定、气门升程规律一定），而时间变短，时面值下降，换气过程就相对困难（阻力系数λ增加）。在具体的发动机中，角面值一般不随转速而变化，则高转速时，时面值减小。

=

=6nt；f：dt内气门开启的面积2023/12/222、进气马赫数Ma：进气马赫数Ma是进气门处气体的平均速度与该处声速c的比值。平均流速vm：实际进入气缸的新鲜充量与进气门有效时面值F（t）之比，式中μm

——进气门开启期间的平均流量系数；

Fm——进气门平均开启面积；

t0、tc——进气门开、关时间；

φ0

、φc——进气门开、关角度。式中：F——活塞面积；

Cm——活塞平均速度；

D、d——活塞与进气阀盘的直径。2023/12/22222、进气马赫数Ma：根据试验可知，在正常的配气条件下，当Ma超过一定数值（0.5左右）时，会形成气阻，无法进入更多气体，便急剧下降。即使提高转速，因单位时间充气量无法增加，功率也不能增加。因此，必须注意控制Ma值。它反映流动对充气效率的影响，成为分析充气效率的一个特征数。由式知，增大气门的相对通过面积；改善气门处的气体流动；合理的配气相位，是限制Ma值、提高ηv的有效方法，对于高速发动机尤为重要。2023/12/22233、气门直径和气门数进气门直径↑→气流通路截面积↑→ηv↑。在双气门（一进一排）进气门直径/活塞直径=45%～50%；进气门比排气门直径大15-20%进气门面积/活塞面积=0.2～0.25。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，可获得最大开启面积。四气门机与两气门机相比，功率可提高70%，最大扭矩可提高30%。

4、气门升程规律适当增加气门升程，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得尽可能快，从而增大时面值，提高通过能力。最大气门升程与阀盘直径之比L/D＝0.26～0.28。5、减少气门处的流动损失气门头部与杆部的过渡要尽量保证流线型，防止产生流动涡流（阻力）；薄壁化（喇叭口）；气门封面锥角走向（小角度时面值会大，大角度承压面积减小）2023/12/2224二）、进气道和进气管为减少进气道内的阻力应避免急剧拐弯；（广、直、匀、光）过渡回角应选择大一些；截管道各面变化要平缓；表面光洁度要高。进气管截面一般有三种：圆形、矩形及D字形。截面相同时，圆形阻力最小。可变进气管长，谐波进气（根据发动机的转速不同，自动调整进气管长度，从而能够充分利用进气过程中较高的进气谐波，提高充气系数）。一般原则为低速、大扭矩时细长（在阻力变化不大情况下提高惯性）、高速时短粗（惯性不变的情况下减小阻力系数）。三）、空气滤清器空气滤清器阻力随结构而不同。它必须在保证滤清效果的前提下，尽可能减小阻力，如加大通过断面，改过滤清器性能。在使用中，应经常清洗滤清器，及时更换滤芯。2023/12/2225二、合理选择配气定时（ξ、γ、Ta）利用进气迟关角来优化匹配最大值对应的转速，从而优化最大功率点、最大扭矩点；利用气门叠开角扫气减小残余废气系数并降低热负荷、减小NOx排放，且保证不倒流。合理选择配气定时，保证最好的充气效果，改善发动机性能，是非常重要的问题。

1)ηv曲线相当于在一定的配气定时下，随转速变化的关系。当n↑→①气流惯性↑若进气门迟闭角不变→使一部分可以利用气流惯性进入气缸的气体被关在气缸之外；ηv

↓当n↓→气流惯性又可能使一部分气体被推回进气管→

ηv

↓（进气倒流）

ηv是在某一转速下达到最高值，说明在这个转速下工作，能最好地利用气流的惯性充气。

n1n22023/12/2226二、合理选择配气定时（ξ、γ、Ta）2)改变进气迟闭角，可以改变ηv随转速变化的趋向，可用以调整发动机外特性的扭矩曲线，满足不同的使用要求。加大进气门迟闭角，高转速时ηv增加，有利于最大功率的提高，但对低速和中速性能则不利。减小过气迟闭角，能防止低速倒流，有利于提高最大扭矩，但降低了最大功率。因此，对于配气定时不能改变的发动机，应根据常用工况确定进气迟闭角。

n1n22023/12/2227VVT-I(VariableValveTiming-intelligent)系统：特点：随n可连续改变进气凸轮轴相对曲轴的位置

改变配气相位。1-油压控制阀2-VVT-i皮带轮

3-螺旋齿轮4-曲轴位置传感器5-机油泵6-凸轮转角传感器系统组成：2023/12/2228合理选择配气定时（ξ、γ、Ta

）合理的排气提前角应当在保证排气损失最小的前提下，尽量晚开排气门，以加大膨胀比，提高热效率。当转速增加时，相应的自由排气时间减小，为降低排气损失，应增加排气提前角。在气门叠开期间，可以利用排气管的压力波减小残余废气系数，ηv增加，新鲜工质流过高温零件，降低热负荷，减少NOX，故应安排适当的气门叠开角。车用汽油发动机的使用转速范围宽广，当发动机在低速、小负荷时，进气管真空度大，且同样的叠开角相当的时间长，会产生废气倒流，故为改善低速性能及怠速稳定性，要求气门叠开角小；2023/12/2229三进气管长度及气流的动态效应进气管对

v的影响：进气管长度

进气系统阻力；波动效应

管道内压力波动

可变进气管长度：从

进气阻力角度，越短越好，但气管长度

低速充气效率

，且峰值

。

低速区：气流速度低，流动损失不明显；动态波动效应

v

高速区：气流速度高，流动损失明显，

v

2023/12/22动态效应：惯性效应波动效应

用发动机间歇进排气产生的进排气管内压力波

v惯性效应：利用进气行程中产生的压力波，在进气门关闭之前进气门处出现正压波

v的效果。惯性效应原理1-活塞(手)2-气缸容积（弹簧6）3-进气阀4-进气管气体质量（重块5）压力波：活塞运动时气缸容积变化而产生负压引起活塞：激振源；缸内容积：弹簧;管内气流柱：惯性质量。

2023/12/22本次进气行程中，进气压力波的固有频率：当转速为n时，进气频率

：c：进气管内气体的声速；L：进气管当量长度则定义惯性效应的波动次数

：由此确定惯性增压n所对应的进气管长度L2023/12/22(2)波动效应：利用进气门关闭后的进气管内压力波，来提高气缸进气量的效果。进气管长度调节，故需与惯性效应同时考虑。进气门关闭：气门处向外传正压波，至管端反射;管端开口边界:反相，负压波；负压波至气门处

反射负压；负压波至管端

反射正压波。周而复始。正压波与进气过程重合时可提高充气效率2023/12/22波动效应：气体压力波在进气管道内2个来回完成一次振动，其固有频率为：故，波动效应的波动次数为：当qb=1,2,…时波动效应与进气同步,气门开启期与负压波重合，

v

当qb=1.5,2.5,…时,气门开启期间与正压波重合，

v

2023/12/223）惯性可变谐振增压进气系统动态效应是进气管内压力波的谐振结果

谐振效果同侧的1/3/5缸和2/4/6缸各采用独立进气共振管、稳压箱和各自的进气支管。稳压箱和各进气支管长度构成该气缸惯性增压系统。长进气管2、稳压箱以及各气缸构成各自的共振系统。图3-21惯性可变共振谐振管1-双节气门2-共振管长3-惯性增压4-切换阀5、7-共振增压6-进气支管惯性增压共振管2023/12/2235减小排气系统阻力（r）选择合理的排气消音器和后处理器结构（排气管合格的国标为动力性下降小于5%），也是为了减小残余废气系数。减少进气加热（Ta）进排气管分布在两侧4）、排气管的波动效应2023/12/22§3.5EGR系统（废气再循环）残余废气系数：评价气缸换气的完善程度

EGR：调节混合气成分，

混合气总热容

控制燃烧速率，

Tz，有效降低NOx。一、EGR率定义：无EGR时进入气缸的空气流量有EGR时进入气缸的空气流量EGR流量定义2：EGR混合后的CO2浓度流经EGR管气体的度

CO2浓度大气中的CO2浓度专用测试设备定义1：2023/12/22二、EGR对发动机性能的影响汽油机实施EGR：进气流量

，但喷油量也

，

A/F保持不变。

EGR的作用：

加热混合气，与残余废气一起稀释混合气，工质的总热容，

燃烧速度，着火落后期i，Tz

，NOx

汽油机实施EGR率=0%~25%时，NOx排放量可降低50%~70%左右。2023/12/22柴油机实施EGR：

进入气缸的空气量

喷油量不变

混合气变浓；结果

缸内氧和氮浓度；同时废气的惰性作用

混合气热容

，抑制燃烧，

Tz。

柴油机废气中含氧量>>汽油机，而CO2含量少，

可实施较大EGR率=40%~50%。柴油机实施EGR后，在保持经济性的前提下，可有效降低NOx