汽车内燃机学四冲程换气过程培训课件.ppt

1、第四章 内燃机的充量更换 内燃机的充量更换过程：是指从排气门或排气口开启（对二冲程内燃机而言）至进气门或排气口关闭的整个阶段，亦称四冲程发动机的进排气过程或二冲程发动机的扫气过程。 内燃机充量更换过程的目的：是将已燃气体排出，并为下一循环吸入新鲜充量， 判断充量更换过程是否完善的指标：已燃气体是否排尽、进入气缸的新鲜充量是否充分。 充量更换过程完善程度：取决于与充量更换过程有关的各种附属系统的设计是否合理、有效，与发动机运行状态也有关系。 另外，采用增压可以提高进气密度，改善换气质量，提高发动机的升功率，因此，增压也是本章介绍的一个重点。,第一节 四冲程内燃机的换气过程 下图是四冲程内燃机在换

2、气过程中，气缸压力、排气管压力随曲轴转角的变化（a图），以及相应低压示功图（c图）（p-V图）。,从（a）图中可以看出： 排气门开启后，燃气从气缸急速流入排气管，气缸压力很快下降，直到排气上止点后的某一位置排气门关闭为止。 进气门在上止点前开启，新鲜充量流入气缸，直到进气下止点后的某一位置关闭为止。 在排气上止点附近，进、排气门同时开启。 四冲程内燃机的换气过程可分为：自由排气、强制排气、气门叠开、进气等阶段， 下面分别介绍各阶段的特点、分析换气损失、提出提高充量系数的措施。,一、自由排气阶段 由于机械式配气机构的特点，气门开启过程中，其流通截面的增加是一个逐渐增加的过程。 如果排气门在膨胀行

3、程下止点时开启，则排气门流通截面增加过缓，气缸压力下降迟缓，活塞在向上止点回行时将造成较大的反压力，增加排气行程所消耗的功。 所以，内燃机排气门都须在膨胀行程到达末期前，即活塞到达下止点前的某一位置提前开启，称为排气提前。排气提前角一般为30-80（CA）。 排气门刚打开时，缸内压力远高于排气管内压力，随着排气过程进行以及排气门流通截面的逐渐增大，排气管内的压力将逐渐升高，直至在某一时刻达到或接近缸内压力。这一阶段由于有正向压力差的存在，排气可以自发地进行，故把从排气门开启到气缸压力达到排气背压（排气管内压力）的时期，称为自由排气阶段。,在气门开启时间内，流经气门的气体质量流量与气门前后的状态

4、关系式为（与式3-11类似）： （4-1） 式中，下标表示上游流动参数（相应地，表示下游的流动参数）；与A分别为气门处的流量系数与流通截面积，可分别根据试验结果和气门的几何参数确定；为流函数，与上、下游的流动状态有关，其计算式为： 亚临界流动 （4-2） 超临界流动,在自由排气阶段的初期，由于排气门刚刚开启，缸内压力较高， 排气管压力与气缸压力之比往往小于临界值 ，流动呈现超 临界状态，缸内气体以当地声速流过排门。此时，排气质量流量只取决于缸内气体状态和排气门有效开启截面的大小，与排气管内的气体状态无关。 随着排气的进行，排气门流通截面不断增大，排气管压力与气 缸压力之比超过临界值 之后，气体

5、流动逐渐进入亚临界状 态；直到某一时刻气缸压力与排气管内的气体压力接近相等，自由排气阶段结束。 显然，在自由排气阶段中流出的气体质量，不仅与排气门有效流通截面有关，还与缸内、排气管内的压力差有关。,一般情况下，自由排气阶段中排出的废气量与内燃机的转速无关，但在高速时，同样的排气时间对应的曲轴转角将大为增加。 为使气缸压力及时下降，必须加大排气提前角，否则将使自由排气阶段（以曲轴转角计）延长、排气消耗功增加。所以，随发动机转速的增加应相应增大排气提前角。 自由排气阶段占整个排气时间的比例不大，但由于废气流速很高，排出的废气量可达60%以上，一般持续到下止点后1030（CA）结束。 二、强制排气阶

6、段 自由排气阶段结束后，气缸内废气被上行活塞强制推出，直到排气门关闭，这一过程就是强制排气阶段。 在这一流动过程中，要克服排气门、排气道以及消声器等处的流动阻力，所以，缸内气体压力要略高于排气管内平均压力，气体流速越高，压力差也就越大。因排气管内存在压力波动，气缸压力可能会低于排气管内压力。这在排气管较长时的强制排气初期易出现。实际缸内压力由活塞速度及位置、气门有效流通截面变化和排气管内气体状态等共同决定。,在排气过程中后期，随着活塞的上行，排气门流通截面开始逐渐减小，气体流经气门的节流作用加强，当达到上止点附近时，气缸压力再次升高，这样，排气所消耗的功与缸内的残余废气量都增加了，对换气与燃烧

7、过程都不利。 因此，排气门应当在上止点后一定角度时关闭，这就是排气迟闭。排气迟闭期间，可以利用缸内气体流动惯性，从气缸内抽吸部分废气，实现过后排气， 上止点后，由于活塞已开始下行，气缸容积不断增加，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上时，就是理想的排气门关闭时刻，排气门迟闭角为10-70（CA）。 三、进气过程 从进气门开启到关闭的全过程都是进气过程。为了使在进气过程开始时，进气门有一定的流通截面，以减少进气过程的阻力，增加进入的新鲜充量，进气门一般也在上止点前提前开启，称为进气提前，进气提前角为1040（CA）。,在进气过程中，新鲜充量真正吸入，要等到气缸内残余废

8、气膨胀到低于进气管内压力才开始。 在进气初期，活塞下行造成缸内体积的膨胀，加上气门开启还不充分，缸内的压力有一段短时间迅速降低，这为新鲜充量的顺利流入创造了条件。 随着进气门流通截面积加大，进入气缸的新鲜充量不断增加，另外，已进入气缸的新鲜充量被温度较高的燃烧室表面和残余废气所加热，气缸压力逐渐升高。 到进气终了，一部分充量的动能转变为压力能，由于涡流和湍流的作用，另一部分动能转变为热能，从而加热进气，于是新鲜充量的温度与压力都有所提高。 为了利用进气管内气流的流动惯性，进气门在下止点过后的一定角度时延迟关闭，即进气迟闭，以实现气缸的过后充气。这样，有可能在进气过程终了时，使缸内压力等于或略高

9、于进气管压力。进气迟闭角一般为2060（CA），高速时应大一些。 但过大的进气迟闭角，会使得低速时发生缸内气流倒流进入进气管的现象，会减少有效压缩比，使发动机的冷起动困难。,四、气门叠开和燃烧室扫气过程 因为进气门提前开启与排气门延迟关闭，都位于排气上止点前后，这样就会在排气行程上止点附近出现进、排气门同时开启的特殊现象，通常将这一现象称为气门叠开，相应的角度是气门叠开角，它是排气迟闭角与进气提前角之和。 在气门叠开期间，进气管、气缸、排气管三者直接相通，此时如果进气管压力大于排气管压力，新鲜充量在正向压力差的作用下流入气缸，与缸内残余废气进行混合后，部分可以直接排入排气管中。 在正向压力差的

10、作用下，有利于扫除缸内的残余废气，增加气缸充量，达到扫气目的；同时又可以降低燃烧室内气缸盖、排气门、活塞顶、缸套的温度，虽然带走的热量不多，但对于受热严重、冷却困难的高温零件，效果是显著的。,气门叠开角的大小对于不同型式的内燃机，也有所差异。 对于点燃式内燃机：由于采用节气门来调节内燃机的功率（量调节），进气管内压力总是低于大气压，特别是在小开度时更是如此。叠开角过大时高温废气有可能倒流进入进气管乃至燃料供应系统中，引起进气管回火。同时，由于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，故这类内燃机的气门叠开角一般都是比较小的。 对于非增压柴油机：进气管内压

11、力始终接近大气压力，因此可以允许采用较大的气门叠开角，增强扫气效果，以达到提高内燃机在常用转速范围内充量质量的目的。一般非增压柴油机的气门叠开角在2050（CA）范围内。,对于增压柴油机：在一般情况下，增压柴油机进气管内的压力在气门叠开期内总是高于排气管内的压力，因此总有一定数量的新鲜充量在正向压力差的作用下由进气管通过燃烧室后流入排气管中，以达到扫除燃烧室内残余气体的目的。 同时，增压柴油机的热负荷较非增压柴油机严重，适当的扫气冷却不仅有助于降低受热零件（如排气门）表面的温度，提高其可靠性，还可以降低增压器涡轮的进口温度。所以，增压柴油机都采用比大的气门叠开角，一般为80140（CA）。 对

12、于机械增压柴油机：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。 对于涡轮增压柴油机，进、排气压差小，叠开角可取较大的值。 但过大的叠开角可能会使气门与活塞发生相撞，活塞上的气门避让坑相应地要加深，将直接影响燃烧室气体运动合理组织以及压缩比大小。而且，过多扫气空气也会加重涡轮增压器的负担。 对于高速内燃机：较大气门叠开角也有较大的优点，对于提高缸内充量是十分显著的。,五、换气损失 换气损失定义为理论循环换气功与实际循环换气功之差。不同类型的发动机，换气损失是不同的。下图是四冲程内燃机在非增压与增压条件下的换气损失示意图。 非增压：理论循环- 图a-换气

13、功为零；实 际循环-图b-换气功 为负-阴影面积。 增压：理论循环-图 c-换气功为正-矩形面 积，因pbpT；实际 循环-图d-换气功为正 -封闭曲线面积，但 小于理论循环换气功 ，两者之差为换气损 失（图d中阴影面积）。,换气过程主要是由进气过程和排气过程所组成，所以，换气损失也是由进气损失和排气损失两部分组成。 1、排气损失 从排气门提前开启，直到吸气行程开始、气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。它又可以分为两部分，即膨胀损失功面积和推出损失功面积x，如上图b和图d上所示，前者是有效膨胀功的减少，后者是排气推出所消耗的功。 下面讨论不同的排气提前角和发动机

14、转速对排气损失的影响。,下图a表示：排气提前角增大，膨胀损失功增加，而推出损失功减小。因此，最有利排气提前角，应当是两者损失之和为最小。 下图b表示： 发动机转速对排气损失影响也较大。一般转速增高时，发动机膨胀损失功增加的幅度远远小于推出损失功增加的幅度，两者之和随转速增加，呈现增加的趋势。 降低排气损失的主要方法：合理确定排气提前角；采用双排气门，可以有效地减少排气过程中的损失。,2、进气损失 进气损失体现在两点：一是进气过程消耗有效功；二是进气过程吸入新鲜充量有多少（更重要）。 前者对于内燃机热效率及功率影响不大（绝对数值不大），但后者对内燃机性能有显著的影响。 进气损失功可用阴影面积y表

15、示，见前面图4-2b和图4-2d，这是因为进气道、进气门等处存在流动阻力损失。 对于非增压机：进气压力线总是位于大气压力线p0之下； 对于增压机： 进气压力线总是位于增压压力线pb之下； 图4-4上给出了换气损失随转速的 变化，可以看出，进气损失相对于排 气损失，其值明显相对较小。 减少进气损失的措施：合理配气 定时；加大进气门流通截面；正确设 计进气管及进气管流动路径；降低活 塞平均速度等。,3、泵气损失 换气损失由进气损失与排气损失所组成，对应图4-2中面积、y与x之和。 泵气损失定义： 在实际循环示功图中，面积和掺杂在面积x和y中的一小部分u（图中以交叉线表示）所表示的功损失，在求取平均

16、指示压力时已经包括进去。 因此，将换气损失中由面积x+y-u所表示的功损失，定义为泵气损失。 对于非增压内燃机：泵气损失由p-V图中换气过程封闭曲线面积所代表的负功来表示的，即 Wp = ( x + y - u ) Lp 式中，Lp为示功图的比例系数。,对于增压内燃机：因进气压力高于大气压力，所以，换气过程封闭面积是有用功，它将对内燃机的效率产生正面的影响。 增压内燃机泵气损失越小，则这块面积就越大。因此，泵气损失是由增压压力和涡轮排气压力所围成的矩形面积与封闭曲轴面积之差，其计算式如下： （矩形面积） （封闭面积） 一般用平均泵气压力pp来表示泵气损失的大小，其定义为 （4-3） 显然，所有

17、减少换气损失的措施以及以后要讨论到的提高充量系数的途径，对降低泵气损失都是有利的。 另外，二冲程内燃机没有单独的进排气活塞行程，所以泵气功为零。,六、充量系数分析式 充量系数（充气效率）：它是衡量内燃机充气性能的一个重要指标。 定义为：内燃机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。 所谓进气管状态，是指进入气缸前气体的热力学状态，如温度与压力等。 充量系数对于评价进气系统是非常重要的，下面导出充量系数的理论分析式，用来分析提高充量系数的各种措施。 设残余废气系数r，进气终了时的缸内残余废气质量为rm1，进气门关闭时（以下标a表示）缸内气体的总质量

18、ma为： 根据充量系数的定义，可得：,引入气体状态方程 以及压缩比定义式， 可得 （4-4） 式中，下标s表示进气管内的状态。 这就是发动机充量系数的理论分析式，从中可以看出：在结构参数（如压缩比c）不变前提下，提高充量系数的措施可以归结为以下几点： 1）提高缸内进气终了时的压力pa-降低进气系统阻力损失； 2）减少缸内残余废气系数r-降低排气系统阻力损失； 3）降低进气终了时的充量温度Ta-减少高温零件在进气过程中对新鲜充量的加热。,七、提高充量系数的措施 对上述三个影响因素，下面分别加以介绍。 （一）降低进气系统流动阻力-最为重要 进气系统流动阻力可分为两类： 沿程阻力-即管道磨擦阻力，与

19、管长和管内流动面的表面质量有关； 局部阻力-局部产生涡流引起，与流通截面大小、形状以及流动方向变化有关。 内燃机局部阻力是流道中的主要损失，因进气系统管道较短，壁面较光滑，其沿程阻力并不大； 局部阻力由一系列的局部阻力叠加而成，进气门座处、空气滤清器和流道转弯处，流动损失更为明显。 因此，降低这些地方的局部阻力损失，对降低进气系统的流动阻力，提高充量系数有显著的意义。,1、降低进气门处的流动损失 进气门座处的流通截面，是进气流道中截面最小、流速最高的地方，因而该处的局部阻力最大。 该阻力与阻力系数及该处流动速度s的平方成正比，即 可见，为了降低进气门处的流动损失，可以从降低进气门处的流速（过高

20、流速会发生气体阻塞）和改善该处的流动情况（提高流量系数）入手。 空气动力学理论指出，在高速可压缩流动系统中，马赫数是决定气流流动性质的最重要参数。因进气门座处的真实流速是一个随时间变化的参数，为方便起见，用平均速度代替。 考察进气门座的流动，定义平均进气马赫数Ma： 式中： 为进气门座处气流的平均速度； cs 为进气门流通截面处的气体声速。,由连续方程式（不可压）： 式中， D为活塞顶部直径；ds为进气门阀盘直径； sm为进气门在开启期间的平均流量系数，其求法是：以气门盘面积为参考面积，通过稳流吸风试验，测得在不同曲轴转角（即不同升程）下的流量系数，求出其平均值，即 （4-6） 于是，可以得到

21、平均进气马赫数Ma的表达式： （4-5）,可见，进气平均马赫数Ma综合了进气门大小、形状、升程规律以及活塞速度等因素的影响。 下图给出了小型四冲程发动机充量系数与平均进气马赫数的关系。可见， 当Ma超过0.5后， 充量系数急剧下 降。这一结论， 对于设计和评价 气门机构具有指 导意义。,减小进气门流通截面处流动损失的具体措施： （1）加大进气门直径 应尽可能布置较大尺寸的进气门，以降低流经进气门截面时的气体流速，从而降低局部流动阻力。 现代高速内燃机2气门结构中，进气门直径d与缸径D的比值可达45%50%，面积比为0.20.25，这样排气门不得缩小，但过小的排气门又会导致排气阻力的增大。 因此

22、，通过加大进气门直径的方式来提高充量系数，受到结构上的限制。 （2）增加进气门数目 增加进气门数，可以取得与加大进气门直径同样的效果，即增大了进气门的有效流通截面积。 以往柴油机仅在缸径大于120mm时才考虑采用两进、两排的4气门的可能性；现在对于D=8090mm的高速柴油机，也认为采用4气门是利大于弊。 优点：进排气面积大、泵气损失小、充量系数高；喷油器可以垂直中置，对混合气形成极为有利；配置双顶置凸轮轴，可减轻气门系统运动质量。高增压中冷柴油机和汽油机也可适用。 缺点：制造及维修成本增加；顶置凸轮轴使发动机高度增加。,因采用两进、两排的气门结构后，进气门与气缸的面积比可达30%，几乎比2气

23、门提高30%50%。 所以，近年来几乎所有高强化程度车用发动机均采用了这一技术，发动机转速可达6000r/min或更高，平均有效压力达1.0MPa以上。最小的4气门发动机，其缸径仅为80 mm。 图4-6给出2L排 量发动机的性能比 较。可见，采用顶 置凸轮轴4气门技术 后，发动机最大功 率提高约15%30% ，最大转矩增大经 5%10%，经济性 能也得到改善。,对于更小缸径的发动机，如D80mm的点燃式内燃机，若采用两进、两排的4气门结构，在气缸盖中间部位往往难以布置即便是最小尺寸的火花塞，这时只好适当缩小进气门直径。若采用三进、二排的气门结构，既能充分利用气缸外围尺寸，又能利用气缸中心布置

24、火花塞。 图4-7是采用5气 门（三进两排）的发 动机与4气门发动机 的比较。可见，高速 性能进一步改善。 另外，对于排量 较小（1.5L以下）的 4缸小型轿车用汽油 机来说，也有采用二 进、一排结构，这样 结构相对简单。,（3）合理设计进气道及气门的结构 改善进气门座、进气道以及气门头部的结构，也有助于降低局部阻力，提高气门流通截面的流量系数。 在高速内燃机设计中，为了在气缸中，能形成定向的空气运动，以利于缸内燃烧，均利用气道使进气空气在其中发生弯曲和旋转。但影响气门的流量系数，增大流动损失。 因此，在设计及制造中，应尽可能保证气道内壁面的过渡圆滑、平稳，避免气流急转弯现象。 在进气门头部、

25、气门座面处设计合理的形状，对改善气流的流动阻力也有十分显著的效果。,2、采用可变进气系统技术 为了获得最大充量系数，较理想的配气系统应满足以下要求： 1）低速时，采用较小气门叠开角以及较小的气门升程，防止缸内新鲜充量向进气系统倒流，以便增加转矩，提高燃油经济性。 2）高速时，应具有最大气门升程和进气门迟闭角，以减小流动阻力，充分利用过后充气，提高充量系数，以满足动力性要求。 3）要配合以上变化，同时对进气门从开启到关闭的持续期（又称作用角）进行调整，以实现最佳的进气定时。 总之，理想气门定时应当根据发动机工作情况，能及时作出调整，即应有一定程度的灵活性。 显然，对于传统的凸轮挺杆气门机构，由于

26、在工作中无法作出相应的调整，也就难于达到上述要求，因而限制了发动机性能的进一步提高。 因此，出现了许多新的配气机构，因较复杂，多处于研究阶段。如GM汽车公司推出的无凸轮电磁气门驱动机构以及Ford汽车公司的液压气门驱动机构等，由于制造成本和可靠性等原因，用于实际发动机中，仍需要若干年的时间。,目前较为商品化的系统分成两大类：可变凸轮机构（VCS，Variable Camshaft System）和可变气门定时（VVT，Variable Valve Timing)。此外，还有可变气门升程、可变气门作用角等形式，原理基本相近，只是实现方式不同。 （1）可变凸轮机构 可变凸轮机构一般采用两套凸轮或摇

27、臂来实现。高速时采用高速凸轮，其升程与作用角都较大；低速时切换到低速凸轮，其升程与作用角均较小， 如图a所示。 图b是与传统 配气机构的性能 比较，显然低速 转矩和高速动力 性都得到了改善 （点划线是原机 ）。,（2）可变气门定时 该技术应用相对较多一些。对于DOHC（双顶置凸轮轴）系统，进、排气门由两根凸轮轴单独驱动，所以，可方便地通过一套特殊机构，将进气凸轮轴按要求转过一定角度，从而达到改变进气相位的目的。 该机构可以分成分级可变与持续可变两类，调节范围最高可达60CA，技术 上相对成熟， 已用于很多高 性能汽油机。 右图表明，采 用该技术，发 动机低速转矩 性能得到了大 幅度的改善。,另

28、外，采用VVT技术可以使得发动机经济性、排放特性能得到改善。如某3L排量6缸车用发动机运用这一技术，油耗最大降低了 4.5%，HC及NOx排放分别下降10%和40%。 3、减少进气管和空气滤清器的阻力 进气管的截面和通道流线，对进气过程影响也很大。 设计原则： 低空气流动阻力； 各缸新鲜充量分配均匀； 适当加热进气（汽油机），以提高燃油雾化质量； 利用进气管中的谐振或称调谐（Tuning)现象； 设计专门机构（EGR、进气道燃油喷射）等 。,下图图a和图b分别给出了 进气管长度与管径对充量系数的影响。由图可见，随着进气管长度的加大以及管径减小，充量系数峰值向低速一侧移动，这就是调谐现象的结果。 调谐机理：在进气过程中，活塞下行导致进气管内产生膨胀波，该膨胀波将在进气管开口端反射正压力波，向气缸传播。在合适的条件下（如转速、进气管长度等），这个正压力波可以使进气过程结束时， 进气门处压 力高于正常 进气压力， 结果发动机 就可以多进 气，从而， 充量系数提 高。出现如