1、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。,2,3.1四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
2、转角。 组成：从排气门开启-进气门关闭的整个时期，约占410480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。,3,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：,4,配气定时（配气相位）图 1、排气提前角=3080 ：从排气门打开到下止点这段曲轴转角。 作用：在活塞上行时排气门有足够大的开启面 积，减小排气阻力； 高温废气迅速排出可减小发动机热负荷； 2、排气迟闭角= 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
3、废 气。 3、进气提前角=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。,5,4、进气门迟闭角=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 + ：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v） 但要保证不应产生废气倒流现象。 + 范围：增压发动机可达 80 160 ； 非增
4、压发动机一般为20 80 。,6,换气过程详解 一、排气过程 【180 + (30 80 )+ （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0.20.5MPa，Pb/Pr 1.9（临界值），废气以当地声速c（ms）流过排气门开启截面。,排气提前角,排气迟后角,当Tr=7001100K时，可达500700m/s,7,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
5、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PrC，TrC，VrC 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）。,8,二、 进气过程：进气门开启关闭(180 + (0-40) +（40-70）220 390 ) 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：040CA 足够开启面积，阻力； 迟关角：4070CA 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
6、，对改善发动机性能至关重要,9,W: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
7、， 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,10,3.2 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（rmin）。 s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
8、增压发动机指当时、当地的大气状态； 增压发动机，指增压器压气机出口的状态。 意义：vm1 Q1 pme PL Pe，即动力性可以提高,11,二、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 Va（有效进气容积）与气缸总容积Va的比值为1（有效进气体积系数，因为进气迟闭角， 1） 3、有 4、因为PVmRT，有P/RT=m/V；Va/Vc=， Vs/Vc=(Va-Vc)/Vc= -1
9、5、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,12,二、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、压缩比及气门正时引起的有效进气体积系数等。 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： 管道阻力系数； 进气状态下气体的密度（kgms）； 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。,13,二、影响充气效率的因素 1、转速的影响 若n （ + v ） pa pa v （对比汽、柴充气效率图、Pa图） 两端低
10、（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 柴油机无节气门小，所以充气效率高且下降平坦。,柴油机 汽油机,14,2、负荷的影响（n一定） 汽油机（量调节）， 负荷 （节气门小） pa pa v 。 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 v基本不变或略微下降,15,16,17,6、配气定时 由于进气门迟闭，有效容积系数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*
11、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（） 随进气迟关角的增加峰值越靠近高速区域。 合理匹配可以改变发动机的扭矩特性，功率特性。,18,7、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，m0.25-0.3. 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-1/2*v2*s，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
12、天的充气效率低，但功率大（与温度成0.3次方，而进气量m1与温度成1次方关系（从密度公式考虑），即温度低m1增加，动力性提高，但充气效率下降）。 高原时（温度不变），充气效率不变，动力性下降（Pa下降）。,19,3.3 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Ta,20,一、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。
13、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（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。,=,2、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 m 进气门开启期间的平均流量系
14、数； 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。,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。,22,2、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v的有效方法，对于高速发动机尤为重要。,23,3、气门直径和气
15、门数 进气门直径气流通路截面积 v 。 在双气门（一进一排） d/D可达45%50%； f1/A=0.20.25。 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%，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. 260.28。 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
16、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）,24,二）、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）、空气波清器 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，
17、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。,25,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 。,2）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） 3-进气阀 4-进气管气体质量（重块）,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
18、; 管内气流柱：惯性质量。,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 L,28,二、合理选择配气定时（、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) v曲线相当于在一定的配气定时下， 随转速变化的关系。 当 n 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
19、进入气缸的气体被关在气缸之外；v 当n气流惯性又可能使一部分气体被推回进气管 v （进气倒流） v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。,29,二、合理选择配气定时（、Ta） 2) 改变进气迟闭角，可以改变v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v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。,30,VVT-I (Variable Valve Timi
20、ng-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：,31,合理选择配气定时（ 、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， v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
21、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；,32,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, 3.5 EGR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
22、度 CO2浓度,大气中的CO2浓度,专用测试设备,定义1：,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，i，Tz，NOx,汽油机实施EGR率=0%25%时，NOx排放量可降低50%70%左右。,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排放量。,三、EGR系
23、统,1）汽油机的EGR系统：机械式和电控式两种,机械式EGR系统：进气压力和排气压力来调节EGR阀开度控制EGR率。 缺点：所能控制的EGR率较小515%，且控制自由度受限制。,电控EGR系统：由ECU控制电磁阀任意控制EGR率；结构简单，且可精确地实施较大的EGR率（1520%）。,系统组成：由EGR阀及其控制系统构成,EGR阀结构：与机械式基本相同；将EGR阀的负压控制系统电控式用专用电磁阀控制负压室真空度安装在发电机上的真空泵提供,1EGR开环控制系统,有三种：简单开关式； EGR率可变式； 背压修正式。,ECU,电磁阀,EGR阀,EGR率可变式：由台架标定的EGR率-n-进气量三维MA
24、P，ECU判断E/G工况，控制电磁阀，控制VCM阀(真空度控制电磁阀)的开关时刻，调节负压室真空度，控制EGR阀不同开度； EGR率随工况可变控制。,2EGR闭环控制系统：提高EGR率的控制精度,特点：EGR阀开度作为反馈信号反馈控制。,或在进气稳压箱内设EGR率传感 器作为反馈信号,2）柴油机EGR系统：外部EGR和内部EGR两种。,1. 外部EGR系统,特点：增压柴油机的EGR率 pp-pj,中低速区：易实施EGR。但随n和负荷，pj，在高速下难实现EGR。,任何工况，都易实现EGR。 但，压气机易污染、腐蚀；耐久性和可靠性,41,本章总结,基本概念： 气门叠开、换气损失、泵气损失、充气效率、排气损失、进气损失、自由排气损失、强制排气损失、残余废气系数、进气马赫数、进气管的动态效应 掌握内容： 换气过程的组成及各个阶段的定义、特征；换气损失、泵气损失（非增压）的定义；配气正时的含意及各个相位角对充量系数的影响；提高充气效率的的措施（充量系数的定性分析公式）；运行参数对充气效率的影响、充气效率与进气量的区别,
