1、第三章第三章 发动机的换气过程发动机的换气过程o发动机的排气过程和进气过程的总发动机的排气过程和进气过程的总和，统称为和，统称为换气过程换气过程。o换气过程的任务换气过程的任务:是将缸内的废气是将缸内的废气排净，吸入尽可能多的新鲜工质。排净，吸入尽可能多的新鲜工质。目目 录录o第一节第一节 四冲程发动机的换气过程四冲程发动机的换气过程o第二节第二节 充量与充气效率充量与充气效率o第三节第三节 影响充气效率的因素影响充气效率的因素o第四节第四节 提高充气效率的措施提高充气效率的措施一、换气过程一、换气过程 根据气体流动特点根据气体流动特点和进排气门运动规律，和进排气门运动规律，换气过程分为：换气
2、过程分为：n 自由排气阶段；自由排气阶段；n 强制排气阶段；强制排气阶段；n 进气过程阶段。进气过程阶段。强制强制排气排气进气进气过程过程自由自由排气排气一、换气过程一、换气过程o 从排气门在下止点前开始开启，到气缸内压从排气门在下止点前开始开启，到气缸内压力接近于排气管压力这个时期，称为自由排力接近于排气管压力这个时期，称为自由排气阶段。气阶段。o 如图如图31所示，气门开启时，气缸内压力所示，气门开启时，气缸内压力较高较高(大于排气管压力大于排气管压力2倍以上倍以上)，可利用废，可利用废气自身的压力自行排出。此时，排气流处于气自身的压力自行排出。此时，排气流处于超临界状态，流过排气门处的气
3、体流速，等超临界状态，流过排气门处的气体流速，等于在该处气体状态下的音速。其流量只决定于在该处气体状态下的音速。其流量只决定于气门开启面积，并和气体状态有关，与排于气门开启面积，并和气体状态有关，与排气门前后的压差无关。气门前后的压差无关。1自由排气阶段自由排气阶段o 随着活塞的推移，缸内压力不断下降，当缸随着活塞的推移，缸内压力不断下降，当缸内压力与排气管压力之比为内压力与排气管压力之比为19以下时，排以下时，排气流进入亚临界状态，排气量由气缸压力和气流进入亚临界状态，排气量由气缸压力和排气管内的压力差来决定，压力差越大，排排气管内的压力差来决定，压力差越大，排出的废气量越大。当到某一时刻，
4、气缸内压出的废气量越大。当到某一时刻，气缸内压力与排气管内压力相等时，自由排气阶段结力与排气管内压力相等时，自由排气阶段结束，一般在下止点后束，一般在下止点后10。30。曲轴转角。曲轴转角。此阶段虽然历程较短，但废气流速很高，排此阶段虽然历程较短，但废气流速很高，排出的废气量可达出的废气量可达60以上。以上。1自由排气阶段自由排气阶段2强制排气阶段强制排气阶段o 这个阶段是由上行的活塞强制将废气推出。这个阶段是由上行的活塞强制将废气推出。此时流速取决于气缸内外的压力差。压差越此时流速取决于气缸内外的压力差。压差越大，气流速度越大，但耗功也越多。大，气流速度越大，但耗功也越多。o 排气门一般在上
5、止点后排气门一般在上止点后1035曲轴转角曲轴转角才关闭，这主要是因为在上止点附近，废气才关闭，这主要是因为在上止点附近，废气尚有一定流动能量，可利用气流惯性进一步尚有一定流动能量，可利用气流惯性进一步排气，减少缸内剩余废气量，同时还可以减排气，减少缸内剩余废气量，同时还可以减少排气阻力。少排气阻力。o 为了使新鲜空气充量更顺利地进入气缸，为了使新鲜空气充量更顺利地进入气缸，尽可能保证在活塞下行时有足够大的进气尽可能保证在活塞下行时有足够大的进气截面积，减小进气阻力，进气门一般在上截面积，减小进气阻力，进气门一般在上止点前止点前0 40曲轴转角翻开。为了利曲轴转角翻开。为了利用高速气流的惯性，
6、进气门通常在下止点用高速气流的惯性，进气门通常在下止点后后4070曲轴转角才关闭，以增加进曲轴转角才关闭，以增加进气量。气量。3进气过程进气过程o 排气门的迟后关闭和进气门的提前开启，使得排气门的迟后关闭和进气门的提前开启，使得在上止点附近一定的曲轴转角范围内，存在着在上止点附近一定的曲轴转角范围内，存在着进、排气门同时开启的现象，称为气门叠开。进、排气门同时开启的现象，称为气门叠开。o 气门叠开角一般为气门叠开角一般为2060度曲轴转角；度曲轴转角；o 增加新鲜空气充量；增加新鲜空气充量；o 利用新气帮助去除废气，减少气缸中废气量；利用新气帮助去除废气，减少气缸中废气量；o 叠开角过大可能发
7、生废气倒流入进气管中。叠开角过大可能发生废气倒流入进气管中。4气门叠开气门叠开1 1、自由排气、自由排气定义：从排气门翻开到气缸压力接近排气管压力所对应的阶段。定义：从排气门翻开到气缸压力接近排气管压力所对应的阶段。分段及详解分段及详解前期超临界排气：，废气以声速流经排气门口，与压差无干。前期超临界排气：，废气以声速流经排气门口，与压差无干。C=C=KRTKRT1/21/2，420-827420-827C C时，时，500m/s-700m/s500m/s-700m/s。中期亚临界排气：中期亚临界排气：1.9Pb/Pr1 1.9Pb/Pr1，流速低于音速且取决于压，流速低于音速且取决于压差。差。
8、结束阶段：结束阶段：PbPb与与PrPr趋于一致，废气不能自由排出，需活塞上行推趋于一致，废气不能自由排出，需活塞上行推出废气。出废气。一、换气过程一、换气过程1.1.自由排气自由排气特点特点排出废气量与工况尤其是转速无关仅取决于缸内排出废气量与工况尤其是转速无关仅取决于缸内状态及排气管阻力结束标志为压力平衡。状态及排气管阻力结束标志为压力平衡。时间极短但有近时间极短但有近6060的废气在此阶段排出。的废气在此阶段排出。2.2.强制排气强制排气定义：克服排气系统阻力活塞强制推出废气。定义：克服排气系统阻力活塞强制推出废气。一、换气过程一、换气过程3.3.进气过程进气过程定义：活塞下行、缸内容积
9、增加、缸内压力下降、环定义：活塞下行、缸内容积增加、缸内压力下降、环境压力缸内压力境压力缸内压力 进气系统阻力，吸入新鲜工质。进气系统阻力，吸入新鲜工质。特点：特点：初期缸内容积增加、压差缺乏不进气，进气系统压力初期缸内容积增加、压差缺乏不进气，进气系统压力急剧下降。急剧下降。压力下降到压差压力下降到压差 进气阻力后压力几乎不变。进气阻力后压力几乎不变。一、换气过程一、换气过程二、换气损失二、换气损失o换气过程的损失包括：换气过程的损失包括：n排气损失排气损失n进气损失进气损失1 1排气损失排气损失o 排气损失是从排气门提前翻开，直到进气行排气损失是从排气门提前翻开，直到进气行程开始，气缸内压
10、力到达大气压力之前，循程开始，气缸内压力到达大气压力之前，循环功的损失。它可分为：环功的损失。它可分为：o 1)1)自由排气损失，是由于排气门提前翻自由排气损失，是由于排气门提前翻开而引起的膨胀功的减少。开而引起的膨胀功的减少。o 2)2)强制排气损失，是活塞上行强制推出强制排气损失，是活塞上行强制推出废气所消耗的功。废气所消耗的功。1排气损失排气损失o 随着排气提前角增大，自由排气损失增加，随着排气提前角增大，自由排气损失增加，强制排气损失减小；强制排气损失减小；o 如排气提前角减少，那么强制排气损失增加。如排气提前角减少，那么强制排气损失增加。o o 最有利的排气提前角应使自由排气损失与强
11、最有利的排气提前角应使自由排气损失与强制排气损失之和为最小。制排气损失之和为最小。o 减少排气损失的主要措施：减少排气损失的主要措施：o 减小排气系统阻力减小排气系统阻力o 排气门处的流动损失排气门处的流动损失 o定义：定义：进气损失主要是指进气过程进气损失主要是指进气过程中，因进气系统的阻力而引起的功中，因进气系统的阻力而引起的功的损失。的损失。o与排气损失相比相对较小与排气损失相比相对较小第二节第二节 充量和充气效率充量和充气效率即充气量，是指在进气过程中，充入气即充气量，是指在进气过程中，充入气缸的新鲜空气或可燃混合气。缸的新鲜空气或可燃混合气。每循环充量是指发动机在每每循环充量是指发动
12、机在每一个循环的进气过程中，实际进入气缸的新一个循环的进气过程中，实际进入气缸的新鲜气体鲜气体(空气或可燃混合气空气或可燃混合气)的质量，即循环的质量，即循环实际充量，用实际充量，用m表示。表示。单位时间充量是指每小时进单位时间充量是指每小时进入气缸的新鲜气体的质量，用入气缸的新鲜气体的质量，用mh表示，表示，o 前已分析，由于排气系统存在阻力，当排气前已分析，由于排气系统存在阻力，当排气门关闭时，气缸内尚有一局部剩余废气存在，门关闭时，气缸内尚有一局部剩余废气存在，所占气缸为所占气缸为vrvr压力为压力为prpr温度为温度为TrTr那么其质量那么其质量为为 o 进气终了时，气缸内既有新鲜充量
13、，又有剩进气终了时，气缸内既有新鲜充量，又有剩余废气，所占比体积为余废气，所占比体积为vava、压力为、压力为pcapca温度温度为为tcatca，那么气缸内气体的总质量为，那么气缸内气体的总质量为o 充入气缸的新鲜充量为充入气缸的新鲜充量为o 剩余废气系数是指每循环残留在气缸内的废剩余废气系数是指每循环残留在气缸内的废气质量气质量mrmr与新鲜充量与新鲜充量m m之比。之比。o 气缸内气体的总质量又可以表示为气缸内气体的总质量又可以表示为o 气缸内的新鲜充量可表示为气缸内的新鲜充量可表示为单位时间充量单位时间充量o 单位时间充量是指每小时进入气缸的新鲜气单位时间充量是指每小时进入气缸的新鲜气
14、体的质量，用体的质量，用m mh h表示。表示。o 式中：式中：n n发动机转速发动机转速 i i 气缸数气缸数单位时间充量单位时间充量o 如果每循环充量如果每循环充量m m保持不变，转速增加；保持不变，转速增加；o 单位时间充量单位时间充量mhmh会直线增加，发动机功率也会直线增加，发动机功率也会不断增加。会不断增加。o 当转速增加时，每循环充量不可防止地要降低，当转速增加时，每循环充量不可防止地要降低，以至于单位时间充量的增加逐渐缓慢。以至于单位时间充量的增加逐渐缓慢。o 当转速增到某一数值后，当转速增到某一数值后，mhmh到达最大值到达最大值(此时此时进气流速到达音速进气流速到达音速)，
15、充量根本保持不变。，充量根本保持不变。o 假设大气压力及温度分别为假设大气压力及温度分别为p p。和。和T T。，气缸。，气缸工作容积的理论充量为工作容积的理论充量为m m。，那么。，那么可用来评定不同排量发可用来评定不同排量发动机换气过程好坏。动机换气过程好坏。occ越大，每循环实际充量越多，越大，每循环实际充量越多，每循环可燃烧的燃料随之增加，每循环可燃烧的燃料随之增加，动力性越好。动力性越好。o 充气效率可直接测定，用流量计测出发动机充气效率可直接测定，用流量计测出发动机每小时实际充气量每小时实际充气量V1 ，o 理论充气量理论充气量V 由下面的公式算出：由下面的公式算出：o 式中：式中
16、：Vs 气缸工作容积气缸工作容积L；o i 气缸数；气缸数；o n 发动机转速发动机转速rmin。ssinVniVV03.0602hm/3hm/3第三节第三节 影响充气效率的因素影响充气效率的因素acsaVVmrrcsassvVVVVrrrVmssrrcsavVVVVSCSCVVVVCrVVrsrasscsvVVVVV1csCscVVVVV1rcscraScsscscsvVVVVVVVVVVV111ScVVrasv11o 设剩余废气与新鲜充量的气体常数R近似相等，将气体状态方程 代入上式，那么o 式中：Ts、ps 进气状态的温度和压力；o Ta、pa进气终了时的气体温度和压力；o Tr、pr
17、剩余废气的温度和压力；o 压缩比。RTprraasSvpppT1111aassvpprarrcaarcrraScrrssvrVVVVVVVVmo 进气终了的压力进气终了的压力o 进气终了的温度进气终了的温度o 剩余废气系数剩余废气系数o 压缩比压缩比o 配气相位配气相位o 负荷负荷 111aassvpp1.进气终了的压力o 进气终了的压力越大，充气效率越大进气终了的压力越大，充气效率越大o 式中，式中，为气体流动时，克服进气为气体流动时，克服进气系统阻力而引起的压降系统阻力而引起的压降kPa。o 其中：其中：管道阻力系数；管道阻力系数；o 进气状态下气体的密度进气状态下气体的密度kgms；o
18、管道内气体的流速管道内气体的流速m/s。ascappp22vpavo 转速的影响转速的影响 vaappvn1.进气终了的压力o 负荷的影响负荷的影响n一定一定o 汽油机量调节，负荷汽油机量调节，负荷 节气门节气门小小 。o 柴油机质调节负荷柴油机质调节负荷 不变，不变，o 根本不变或稍根本不变或稍。1.进气终了的压力vaappapvaT 的原因：的原因：高温零件加热；高温零件加热；剩余废气加热；剩余废气加热；进气预热。进气预热。0TTcavaa影响因素：负荷影响因素：负荷 接触时间短接触时间短 aan 剩余废气系数增大，剩余废气系数增大，充气效率降低，而且使燃烧恶化。充气效率降低，而且使燃烧恶
19、化。特别是汽油机低负荷运转时，稀释可燃混合特别是汽油机低负荷运转时，稀释可燃混合气，使燃烧过程缓慢，经济性和排放性能气，使燃烧过程缓慢，经济性和排放性能变差。变差。剩余废气系数范围剩余废气系数范围 四行程非增压柴油机四行程非增压柴油机 四行程增压柴油机四行程增压柴油机 0 0 四行程汽油机四行程汽油机 4.4.压缩比压缩比压缩比增大压缩比增大气缸余隙减小气缸余隙减小剩余废气系数减小剩余废气系数减小提高冲量系数提高冲量系数5.5.配气相位配气相位 进气门迟闭角增加进气门迟闭角增加 新鲜充量的容积减小，但进气终了压力值却新鲜充量的容积减小，但进气终了压力值却可能因有气流惯性而增大可能因有气流惯性而
20、增大 适宜的配气定时应考虑适宜的配气定时应考虑 具有最大值。具有最大值。1aP111aassvpp6.进气或大气状态进气或大气状态 增大增大由于新气和缸壁温差小由于新气和缸壁温差小提高充气效率提高充气效率 ss,ssTP 111aassvpp第四节第四节 提高充气效率的措施提高充气效率的措施o 增大进气门头部直径，减小气门头部锥角，增大进气门头部直径，减小气门头部锥角，增大气门升程，延长气门开启时间，均可扩增大气门升程，延长气门开启时间，均可扩大气门开启时面值。大气门开启时面值。o 从而扩大气流通过能力，减少阻力提高充气从而扩大气流通过能力，减少阻力提高充气效率。效率。o 但增大气门直径受到燃
21、烧室结构的限制，因但增大气门直径受到燃烧室结构的限制，因此常用减小排气门头部直径的方法，相应增此常用减小排气门头部直径的方法，相应增大进气门头部直径。大进气门头部直径。o 现代发动机单进气门结构中，进气门直现代发动机单进气门结构中，进气门直径可达活塞直径的径可达活塞直径的4545-50-50，气门和活，气门和活塞面积比为。塞面积比为。o 减小气门锥角也受到强度刚度的限制，减小气门锥角也受到强度刚度的限制，不宜太小。增大气门升程和延长开启时不宜太小。增大气门升程和延长开启时间，又受惯性力和配气相位改变的限制，间，又受惯性力和配气相位改变的限制，涉及问题较多，影响也较复杂。涉及问题较多，影响也较复
22、杂。一减少进气门座处的流动损失一减少进气门座处的流动损失第四节第四节 提高冲气效率的措施提高冲气效率的措施o 在双气门一进一排在双气门一进一排o 式中：式中：d进气门直径进气门直径o D气缸缸径气缸缸径%50%45Ddo 流动阻力流动阻力n 沿程阻力沿程阻力 取决于管子的长度、直径、管壁粗取决于管子的长度、直径、管壁粗糙度、气体流速糙度、气体流速n 局部阻力局部阻力 取决于流道截面积大小、形状以取决于流道截面积大小、形状以及因流动方向的改变使流道内分布发及因流动方向的改变使流道内分布发生变化而引起的。生变化而引起的。较小较小o进气马赫数进气马赫数MaMan 定义：定义：进气门处气体的平均速度与
23、该进气门处气体的平均速度与该处声速处声速c的比值。的比值。n 它反映流动对充气效率的影响，成为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。分析充气效率的一个特征数。cvMamcemmvaccdDM2o 多气门结构多气门结构 o 缸径大于缸径大于80mm80mm时，采用时，采用结构；结构；o 缸径小于缸径小于80mm80mm时，采用时，采用结构。结构。o 四气门机与两气门机相比，功率可提高四气门机与两气门机相比，功率可提高70%70%，扭矩可提高，扭矩可提高30%30%。o 结构复杂，造价高；低速时扭矩小。结构复杂，造价高；低速时扭矩小。o 适当增加气门升程，改进凸轮型线，减适当增
24、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。力允许条件下使气门开闭得尽可能。o 适当加大气门杆身与头部的过渡圆弧，适当加大气门杆身与头部的过渡圆弧，减小气门座密封面的宽度，修圆气门座减小气门座密封面的宽度，修圆气门座密封锥面的尖角等措施，均可改善进气密封锥面的尖角等措施，均可改善进气门处流体动力性能，减小流动损失。门处流体动力性能，减小流动损失。4.4.采取较小的采取较小的S/DS/D值短行程值短行程S/DS/D值减小值减小活塞平均速度减小活塞平均速度减小马赫数降低马赫数降低二减小整个进气管道的流动阻力二减小整
25、个进气管道的流动阻力进气道进气道进气管进气管空气滤清器空气滤清器化油器化油器1.进气道进气道n 改善进气道形状，减小阻力改善进气道形状，减小阻力n 改善进气道形状，使新鲜工质形成涡流改善进气道形状，使新鲜工质形成涡流2.进气管进气管o进气管道结构、尺寸及外表质量对充气进气管道结构、尺寸及外表质量对充气效率有较大影响。效率有较大影响。o进气管道应保证足够的气体流通面积和进气管道应保证足够的气体流通面积和结构上的要求。结构上的要求。o汽油机还必须考虑燃料的蒸发、气化和汽油机还必须考虑燃料的蒸发、气化和分配；柴油机还应利于进气涡流的形成，分配；柴油机还应利于进气涡流的形成，以改善混合气的品质和燃烧等
26、。以改善混合气的品质和燃烧等。o 三种进气管截面形状三种进气管截面形状n 圆形圆形 圆形断面流动阻力最小圆形断面流动阻力最小n 矩形矩形 矩形最大矩形最大n D D形形 D D形居中形居中o 为了改善发动机低速时动力性和保证高速时为了改善发动机低速时动力性和保证高速时进气充分，现代发动机还采用可变长度的进进气充分，现代发动机还采用可变长度的进气管。由进气歧管转换电磁阀控制转换辊，气管。由进气歧管转换电磁阀控制转换辊，在发动机高转速范围，电磁阀工作，使进气在发动机高转速范围，电磁阀工作，使进气通道变短。通道变短。在相同截在相同截面情况下面情况下2.进气管进气管o 空气滤清器阻力随结构而不同。空气
27、滤清器阻力随结构而不同。o 阻力大小随使用时间的延长而增大。阻力大小随使用时间的延长而增大。o 它必须在保证滤清效果的前提下，尽可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，改正滤能减小阻力，如加大通过断面，改正滤清器性能。清器性能。o 在使用中，应经常清洗滤清器，及时更在使用中，应经常清洗滤清器，及时更换滤芯。换滤芯。o由于化油器喉管断面小，流动阻力大。由于化油器喉管断面小，流动阻力大。为了减小喉管阻力而又不影响燃料雾为了减小喉管阻力而又不影响燃料雾化，常采用多腔多喉管化油器。化，常采用多腔多喉管化油器。o近年来汽油机采用电控燃油喷射系统，近年来汽油机采用电控燃油喷射系统，
28、取消了化油器，既可以减小进气阻力，取消了化油器，既可以减小进气阻力，同时又满足了混合气浓度、雾化和分同时又满足了混合气浓度、雾化和分配均匀等要求，得到广泛应用。配均匀等要求，得到广泛应用。o 新鲜充量被吸人气缸的过程中，受到进气管新鲜充量被吸人气缸的过程中，受到进气管道、气门、气缸壁、活塞等一系列受热零件道、气门、气缸壁、活塞等一系列受热零件的加热，造成进气温度升高，气体密度下降，的加热，造成进气温度升高，气体密度下降，使循环充量减少。使循环充量减少。o 特别是汽油机，经常把排气管与进气管布置特别是汽油机，经常把排气管与进气管布置在发动机的同一侧。有些发动机采用调节预在发动机的同一侧。有些发动
29、机采用调节预热装置，根据季节温度不同可调节预热程度，热装置，根据季节温度不同可调节预热程度，在柴油机上采用进排气管分置于发动机两侧。在柴油机上采用进排气管分置于发动机两侧。o 排气系统包括：排气系统包括：o 排气门、排气管、排气道和消声器等。排气门、排气管、排气道和消声器等。o 排气系统阻力降低，排出的废气量增加，排排气系统阻力降低，排出的废气量增加，排气终了压力气终了压力prpr下降，不仅可以使剩余废气系下降，不仅可以使剩余废气系数减小，充气效率提高，而且还能够减少排数减小，充气效率提高，而且还能够减少排气损失。气损失。o 排气管道也应与进气管道同样注意其结构要排气管道也应与进气管道同样注意
30、其结构要求，使用中应注意消除残留积炭等。求，使用中应注意消除残留积炭等。一进气门迟闭角一进气门迟闭角 进气门迟闭角利用气流的过后充气现进气门迟闭角利用气流的过后充气现象来增加每循环气缸充量的。象来增加每循环气缸充量的。转速较低转速较低Ma较小较小转速较高转速较高Ma较大较大二进、排气门重叠角二进、排气门重叠角三排气提前角三排气提前角o 在保证排气损失最小的前提下，尽在保证排气损失最小的前提下，尽量晚开量晚开排气门。排气门。加大膨胀比加大膨胀比提高热效率提高热效率四配气相位的选择四配气相位的选择o根据发动机的高速性来决定：根据发动机的高速性来决定：o充气效率高，保证动力性充气效率高，保证动力性o
31、必要的燃烧室扫气必要的燃烧室扫气o适宜的排气温度适宜的排气温度o良好的充气效率特性，适应转矩良好的充气效率特性，适应转矩特性特性o较小的换气损失，保证经济性较小的换气损失，保证经济性o 1何谓换气过程何谓换气过程?包括哪几个阶段包括哪几个阶段?o 2什么是自由排气和惯性排气什么是自由排气和惯性排气?这两这两个阶段的长短对发动机性能有何影响个阶段的长短对发动机性能有何影响?o 3什么是换气损失什么是换气损失?如何减少换气损如何减少换气损失失?o 4何谓充量、循环充量、单位时间充何谓充量、循环充量、单位时间充量量?o 5何谓充气效率何谓充气效率?影响充气效率的因素影响充气效率的因素有哪些有哪些?o 6分析配气相位、转速、负荷、压缩分析配气相位、转速、负荷、压缩比对充气效率是怎样影响的比对充气效率是怎样影响的?o 7提高循环充量和充气效率的措施有提高循环充量和充气效率的措施有哪些哪些?o 8如何确定最正确排气提前角如何确定最正确排气提前角?
