1、第二章第二章 发动机发动机的换气过程的换气过程nEngine Gas Exchange Process12021下止点上止点22021换气过程排气过程进气过程 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。找出换气过程换气过程的的任务任务 排除废气充入尽可能多的新鲜工质 功耗要少32021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第二节第二节 四冲程发动机的充量系数四冲程发动机的充量系数第三节第三节 提高发动机充量系数的措施提高发动机充量系数的措施n作业及复习题作业及复习题42021第一节第一节 四冲程发动机的换气过程四冲程发动机的
2、换气过程一、换气过程：换气过程：n四冲程发动机的换气过程包括从排气门从排气门开启到进气门关闭开启到进气门关闭的整个时期。约占410 480曲轴转角。p25n换气过程可分作自由排气自由排气、强制排气、强制排气、进气进气和和燃烧室扫气燃烧室扫气四个阶段。52021四冲程发动机换气过程的典型曲线四冲程发动机换气过程的典型曲线620211、自由排气阶段：、自由排气阶段：从排气门开启到气缸压力接近于排气管内压力的时期，称为。排气提前角排气提前角：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3080曲轴转角。72021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
3、压力较高（0.20.5Mpa），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。82021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Nm/（kgK）。KRTc 在超临界排气时期，废气流量与排气管内压力pr、发动机转速无关，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消声器。92021（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。排出的废气量决定于气缸内及排气管内
4、的压力差压力差。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1030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。102021 高速发动机其排气提前角要大一些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。112021一般排气提前角为3080曲轴转角。随发动机转速的增加应相应增大增大排气提前角。一般持续到下止点后1030(CA)结束。自由排气阶段排出的废气量可
5、达60%以上。1220212 2、强制排气阶段：、强制排气阶段：自由排气阶段结束后，气缸内的废气将被上行活塞强制推出，直到排气门关闭这一过程就是。132021缸内平均压力要缸内平均压力要略高于略高于排气管内的平均压力排气管内的平均压力。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。一般一般排气门迟闭角为排气门迟闭角为10103535(CA)CA)惯性排气1420213 3、进气过程：、进气过程：从进气门开启到关闭的全过程准备进气：进气提前角一般为004040(CA)。正常进气：新鲜气体充入气缸。惯性进气：进气迟闭角一般为40407070(CA)。
6、152021 尽管利用过后充气可以有效地增加进入气缸的空气量，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，也会影响有效压缩比，从而影响压缩终了温度，使发动机的冷起动困难。因此，合理的进气定合理的进气定时是十分重要的时是十分重要的。1620214 4、气门重叠和燃烧室扫气过程、气门重叠和燃烧室扫气过程 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，称为，相应的角度是气门重叠角，它是排气迟闭角与进气提前角之和。有利于扫除缸内残余废气，增加进气量，特别是增压发动机，扫气更明显；又可以降低燃烧室内气缸盖、排气门、活塞顶、缸套的温度。作用：172021n气门重叠角的选择以气
7、门重叠角的选择以新鲜充量不流入排气新鲜充量不流入排气管为原则管为原则。n增压柴油机增压柴油机都采用比非增压柴油机大的气门 重 叠 角，一 般 为80160(CA)；n气门重叠角过大，会使气门与活塞发生相撞，一般非增压柴油非增压柴油机机的气门叠开角在2060(CA)范围内。182021换气损失换气损失排气损失进气损失192021二、排气损失二、排气损失从排气门提前开启，直到进气行程开始、缸内压力到达大气压力之前,所损失的循环功。a.自由排气损失自由排气损失W：由于排气门提前打开而引起的膨胀功的减少。b.强制排气损失强制排气损失Y：活塞上行强制推出废气所消耗的功。202021(1)随着排气提前角排
8、气提前角的增大，膨胀损失增加，而推出损失功减小，因此，最有利的排气最有利的排气提前角，应当是使两者损大提前角，应当是使两者损大之和之和(W+Y)为最小。为最小。(2)发动机的转速发动机的转速增高时两者之和在总体上呈现增加的趋势。减小排气系统的阻力和排气门处的流动损失。212021三、进气损失三、进气损失Xn进气损失进气损失主要是指进气过程中，因进气系统的阻力面引起的功的损失，与排气损失相比进气损失较小小。合理调整配气定时，加大进气门的流通截面、正确设计进气管及进气道的流动路径以及降低活塞平均速度等，都会使进气损失减少。222021n排气损失与进气损失之和称为换气损失换气损失(W十Y十X)。n泵
9、气损失泵气损失（X+Y-uX+Y-u）：）：在实际循环示功图中把面积(x+y-u u)相当的负功称为泵气损失。这部分损失放在机械机械损失损失中加以考虑。232021 一般而言，所有减少换气损失的措施以及以后将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，242021第二节第二节 四冲程发动机的充量系数四冲程发动机的充量系数n换气的目的是尽量排净废气，最大限度充入新气，以完善燃烧，提高效率。n评价发动机的换气质量，可用充量系充量系数数(充量效率、容积效率充量效率、容积效率)、残余废气系数来衡量。252021一、充量系数充量系数cn定义定义：内燃机每缸每循环实际进入气缸的新鲜空气质
10、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。进气状态进气状态：指空气滤清器后进气管内的气体状态，即进人气缸前气体的热力学状态，如温度与压力等。非增压：通常取为当地的大气状态大气状态。增 压：增压器出口状态。262021式中：ma 实际进入气缸的新鲜空气质量V1 实际进入气缸的新鲜空气在进气状态 下的体积ms 进气状态下理论计算充满气缸工作容 积的空气质量Vs 气缸工作容积ssacVVmm11272021一般非增压发动机在全负荷时的c汽油机顶置气门：0.750.85侧置气门：0.700.80柴油机0.750.90282021二、影响充量系数的因素二、影响充量系数的因素1）进气门关闭时，
11、缸内工质的总质量ma：进气门关闭时气缸容积：（Vs+Vc），则)(ascaVVm式中：进气门关闭时气缸工质的密度a2920212）排气门关闭时缸内工质的质量mr 排气门关闭时缸内体积为Vr，则rrrVm式中：排气门关闭时气缸工质的密度r3）每循环充入气缸新鲜充量的质量m1为残余废气)(1rrascVVVm3020214)进入气缸的混合气量：bagmm1式中：循环燃料量bg又，0LLa则：100)1(mLLmaaa令：001LLKaaaaK混合气的空气量比例系数)(rrascasscVVVKV312021令scscVVVVcrVV)()1(racscacK)()1(rraacsscacTpTpp
12、TK式中：p、T的下标s、a、r分别代表大气和进、排 气门管比时缸内压力和温度的状态。322021残余废气系数残余废气系数：进气过程结束时气缸内残余废气量与进入气缸内的新鲜空气的比值。)(rrascarrarVVVKVmmr 影响充量系数的因素有进气的状态、进气终了的汽缸压力和温度、残余废气系数、压缩比及进排气相位角等。332021（二）影响充气效率的因素（二）影响充气效率的因素1进气终了时的压力Pa Pa对对c c有重要影响，有重要影响，Pa愈高，愈高，c c值愈值愈大大 Pa=PsPa式中，pa为气体流动时，克服进气系统阻力 而引起的压降(kPa)。342021一般可写成 式中 管道阻力系
13、数；进气状态下气体的密度；V管道内气体的流速（m/s）。22vpa 可见，pa主要取决于各段管道的阻力系数和气体流速。若 大、V高时，pa增加，使pa下降。352021转速和负荷对进气压力的影响转速和负荷对进气压力的影响1）转速转速当节气门位置一定时，n增加，Pa降低。2）负荷负荷 汽油机：当节气门关小时，节流损失增加，引起Pa下降。且Pa 随转速的增加而下降的愈快，即曲线变化愈陡。柴油机：负荷调节为“质调节”，负荷减小时Pa变化很小。362021 2进气终了的温度进气终了的温度Ta Ta高于进气状态温度，Ta越高，充入气缸的工质密度越小，c值愈低。引起引起Ta升高的原因升高的原因是:1）新鲜
14、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。372021转速和负荷对转速和负荷对Ta的影响的影响 1）转速：当负荷不变而转速增加时，由于新鲜工质与缸壁等接触时间短，传热量少，所以Ta稍有下降。2）负荷：当转速不变而增加发动机负荷时，缸壁等零件温度升高，Ta有所上升。措施措施：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。3820213.残余废气系数残余废气系数 1）增加，增加，c c降低降低，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
15、力高，废气多。3920214配气定时配气定时 由于进气门迟闭而 1,新鲜充量的容积减小,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Pa具有最大值。5压缩比压缩比 压缩比增加,压缩容积减小,残余废气量随之减小,因而c c有所增加。6.进气状态进气状态402021第三节第三节 提高发动机充量系数的措施提高发动机充量系数的措施n进气系统进气系统：空气滤清器或加进气消声器、化油器或喷油器、节气门、进气管、进气道和进气门等组成。n减少各段通道的阻力，增大其流通能力，是提高充气效率，改善发动机性能的主要途径。412021提高充量系数措施提高充量系数措施降低进气系统的阻力损失，提降低进
16、气系统的阻力损失，提高气缸内进气终了时的高气缸内进气终了时的压力压力pa降低排气系统的阻力损失，以降低排气系统的阻力损失，以减小缸内的减小缸内的残余废气系数残余废气系数r减少高温零件在进气系统中对减少高温零件在进气系统中对新鲜充量的加热，以降低进气新鲜充量的加热，以降低进气终了时的终了时的充量温度充量温度Ta合理选择相位角合理选择相位角谐振进气与可变进气支管谐振进气与可变进气支管422021管道摩擦阻力(一一)降低进气系统的流动阻力降低进气系统的流动阻力432021进气系统的构成442021管道较短，壁面比较光滑452021降低进气系统的降低进气系统的流动阻力的措施流动阻力的措施1、降低进气门
17、处的流动损失2、减少进气道、进气管、空气滤清器的阻力4620211降低进气门处的流动损失降低进气门处的流动损失472021进气门座处2sssvp阻力系数有关与该处的流动速度vs的平方成正比降低进气门处的流动损失，可以从降低气门座处的流速和改善气门座处的流动情况以提高流量系数入手解决forward482021return 补充492021过高的气体流速，还会发生气体阻塞现象。考察气门座处的流动情况，并定义。p30v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，并且其大小与发动机的转速成正比。研究发现，(参见图)。502021512021522021 由于进气过程的重要性，
18、一般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。在现代高速内燃机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，这样排气门不得不缩小，但过小的排气门又会导致排气阻力的增大。因此，。532021 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。高速柴油机以往仅在缸径大于120mm时才考虑采用两进（进气门)、两排(排气门)即4气门的可能性；现在对于D=8090mm的柴油机，也认为采用4气门利大于弊。除了换气损失小、充量系数高以外，喷油器的垂直中置对混合气形成极为有利。4气门柴油机对具有进气
19、中冷的高增压系统也非常合适 对于汽油机来说其效果也是相当好的(表41)。542021 采用两进、两排的气门结构后，进气门面积之和可以达到气缸面积的30%，几乎比2气门提高30%50%。表4l列出了采用双顶置凸轮轴(DOHC，Double Overhead Camshaft)4气门发动机的优、缺点，总的结论是优点大于缺点。近年来，几乎所有强化程度高的车用发动机均采用了这一技术，发动机转速可达6000rmin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80mm。552021562021 图46是一个2L排量的4气门发动机与同排量2气门发动机的性能比较，显然，采用顶置凸轮轴
20、4气门技术,可以便发动机的功率提高约15%30%，转矩增大约5%10%。经济性能也得到改善。572021单顶置凸轮轴四气门结构582021双顶置凸轮轴四气门592021u 对于D80mm的点燃式内燃机，若采用两进、两排的4气门结构在气缸盖缸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火花塞。u 图47是采用5气门(三个进气门，两个排气门)的发动机与4气门发动机的比较情况，可见其高速性能进一步改善。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2进、1排的3气门结构，这样既能发挥
21、多气门的优越性，结构又相对简单。602021612021五气门布置622021单顶置凸轮轴三气门632021 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。一般在高速内燃机中，均利用气道使进气在其中发生弯曲和旋转，以便在气缸中形成定向的空气运动，以利于燃烧的进行。但这势必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。在进气门头部以及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。642021（补充）652021662021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
22、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门迟闭角，以最大限度地减小流动阻力，充分利用过后充气，提高充量系数，以满足动力性要求。2采用可变进气系统技术采用可变进气系统技术6720213)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。理想的气门定时应当是根据发动机的工作情况及时作出调整，应具有 一定程度的灵活性。显然，对于传统的凸轮挺杆气门机构，由于在工作中无法作出相应的调控，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682021 实际上，完全满足
23、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段如(GM汽车公司推出的以及Ford汽车公司的。由于制造成本和可靠性等原因，若将这种全电控的技术应用于实际发动机中气门要时间。目前较为常见的商品化系统可以分成两大类，即(VCS，Variable Camshaft System)和(VVT，Variable Valve Timing)。除此之外，也有可变气门升程、可变气门作用角等其他形式，其原理基本相近，只是实现方式不同而已。692021(1)可变凸轮机构技术一般都是通过两套凸轮或摇臂来实现的，即在高速时采用高速凸轮，其升程与作用角都较大；而在低速时切换到低速凸轮，升程与作用角均较小，如图48
24、a所示。图48b是采用可变凸轮机构后，发动机的性能与传统配气机构的性能比较，显然低速转矩和高速动力性能都得到了改善。702021可凸轮机构（补充）712021(2)相对于可变凸轮机构，可变气门定时技术的应用较多一些：对于DOHC系统而言，由于进、排气门是分别通过两根凸轮轴单独驱动的，可以通过一套特殊的机构将进气凸轮轴按要求转过一定的角度，从而达到改变进气相位的目的。根据实现机构的不向，这种改变又可以分成两类，调节范围最高可达60(CA)。由于技术上相对成熟，很多高性能的汽油发动机均采用了这一技术。从图49可以看出采用VVT技术可以使得发功机的低速转矩性能得到大幅度的改善。某3L排量的6缸车用发
25、动机上运用这一技术，油耗最大降低了4.5%，HC及NO2排放下降幅度分别达到10%和4%。722021732021可变定时机构（补充）742021 进气管的截面和通道流线，对进气过程影响也很大。其设计原则是：图410a和图410b分别是进气管的长度与管径的大小对充量系数的影响。出图可见，随着进气管长度的增大以及管径的减小，充量系数的峰值向低速一侧移动。这就是调谐现象的结果。3减少进气管的阻力752021762021其它可变进气系统结构形式（补充）772021 空气滤清器是进气系统阻力的主要来源之一，应当在保证滤洁效果的前提下尽可能减少空气滤清器的流动阻力，同时，定时对空滤器进行清理与保养也是减
26、小进气流动阻力的一个重要措施。782021 降低排气系统阻力，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。排气系统的设排气系统的设计目标计目标是：。与进气系统一样，排气流通截面最小处是排气门座处，此处的流速最高、压降最大，故在设计时应保证气门及其座面的良好结构。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。(二二)降低排气系统的流动阻力降低排气系统的流动阻力792021现代轿车排气系统构成802021 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。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。(三)减少对进气充量的加热812021 对于来说，由于需要进气加热来保证部分液态燃料在进气管中的蒸发。所以进气管与排气管布置在同一侧。对于，均采用进、排气管两侧布置的方案，以提高充量系数。对于，有时也采用进气冷却技术，以降低进气温度。则将进气中冷技术作为进一步提高增压压力、降低热负荷的重要途径之一。822021作业 P35 充量系数充量系数?832021
