发动机原理——第二章 发动机的换气过程汇总

第二章发动机的换气过程燃烧是做功之本。

燃烧需要空气与燃料。

重量比容积比燃料 1 1 液态空气15 1000 气态燃料受机械控制，容易加入。

而汽缸容积就那么大，要想多加空气就要困难得多。

因此，对发动机换气过程的研究就显得尤为重要了。

§2-1 四冲程发动机的换气过程一配气定时与工程热力学中介绍的不同, 进排气门的开启、关闭也需要时间, 故在下止点前排气－排气提前角40︒～80︒在上止点后关闭－排气迟闭角10︒～35︒在上止点前吸气－进气提前角0︒～40︒在下止点后关闭－进气迟闭角40︒～80︒进气提前角+排气迟闭角－气门叠开角二换气过程（一）排气过程1 自由排气阶段A排开p >>p’ →p = p’靠缸内压力将气体挤出气缸，其中p－缸内压力, p’－排气管内压力。

2 强制排气阶段Bp = p’ → p ≤p’靠活塞上行将废气挤出气缸。

3 超临界排气C排开→p = 1.9 p’=m/s。

其流量与压差（p - p’）在气阀最小截面处, 气体流速等于该地音速a kRT无关, 只决定于排气阀开启面积和气体状态。

4 亚临界排气Dp = 1.9 p’ →排闭。

其流量取决于压差（p - p’）。

（二）进气过程和气门叠开角-）使新鲜介质进入缸内。

由于节流作用, 缸内产生负压；（p p气阀叠开角：非增压：20︒～60︒ CA。

太大（引起）→废气回流进气道。

太小→扫气作用不明显。

增压：110︒～140︒ CA。

进气管p↑, 扫气明显, 气阀叠开角可以增大很多。

如6135型高柴：非增压：40︒, 增压：124︒。

扫气的作用：1 清除废气, 增加气缸内的新鲜充量。

2 降低排气温度。

3 降低热负荷最严重处（如气阀、活塞等）的温度。

三换气损失理论循环换气功与实际循环换气功之差。

如图：换气损失功－X+（Y+W）, 其中（W+Y）为排气损失功，X为进气损失功。

（一）排气损失功YW是因排气门提前开启而损失的膨胀功,称为自由排气损失。

Y是活塞作用在废气上的推出功, 称为强制排气损失功。

排气提前角↑→ W↑，Y↓。

综合效果, 要求（Y+W）↓, 故（W+Y）有一个最佳值（W+Y）min。

对应排气提前角亦有一个最佳值, n↑→（W+Y）min↑。

（二） 进气损失功X进气损失功小于排气损失功，即X < Y（三） 泵气损失功 （X+Y-D ）在实际示功图中, 把（W+d ） 归到指示功中考虑。

而把泵气损失功 （X+Y-d ） 归到机械损失中考虑。

§2-2 四冲程发动机的充气效率一 充气效率（一） 定义为比较不同大小、不同类型发动机的充气品质和换气过程的完善程度, 不受气缸工作容积V h 的影响, 引入充气效率ηv 的概念。

由于有进气阻力等因素的影响, 实际进入气缸中的新鲜充量必然小于理论上进气状态下充满工作容积的新鲜充量。

二者之比称为充气效率ηv , 即ηv =实际进入汽缸的新鲜充量进气状态下充满汽缸工作容积的新鲜充量ηv hG G m m V V ==≈∆∆∆∆001 其中：∆∆G m V ,,1－实际充量的重量，质量和体积； ∆∆G m V 001,,－理论充量的重量，质量和体积； 进气状态：非增压：空气滤清器后进气管内的气体状态, 通常取为当地的大气状态。

增 压：增压器出口状态。

严格地说，充气效率应为ηv =实际进入汽缸的新鲜充量以标准大气状态充满汽缸工作容积的新鲜充量更合理。

这样，在后面将要讲到的大气修正中，不同的压力和温度下进气量的比值就等于其充气效率之比。

否则，按照前头的定义式，大气温度越高，充气效率反而会越高，讲起来似乎无法接受。

而且也不具备可比性。

（二） 实际测量ηv h V V =1''理论流量实际流量= 其中：V 1'－实际测量 [ m 3/h ]V V L i n V i n m h h h h '[].[/]=⋅⋅⋅=10002600033 充气效率是衡量换气过程进行得完善程度的重要指标。

柴油机 0.75～0.90汽油机 0.70～0.85二 充气效率的分析式充入汽缸的新鲜充量 = 缸内气体的总质量－缸内残余废气质量（一） 进气门关闭时缸内气体的总质量m V V a c h a =+()'ρ其中V c －余隙容积；V h '－进气门关闭时缸内工作容积； ρa －进气终了缸内气体密度。

（二） 排气门关闭时缸内残余废气的质量m V r r r =ρ其中V r －排气门关闭时缸内容积；ρr －排气门关闭时缸内残余废气密度。

（三） 充入汽缸的新鲜充量ηρρρv h c h a r r V V V V 0=+-()'其中ρ0－大气状态下气体密度。

（四） 充气效率的分析式ηv m m =∆∆0=+-()'V V V V c h a r r h ρρρ0 =+-V V V V V V V c h c a r c r h c'ρρρ0 其中1+=V V h cε－压缩比；1+=<V V h c e 'εε－有效压缩比；V V r c ≈。

一般εe =(.08～09.)ε。

若假设εεe =，有 ηερρερv a r =--()10带入理想气体状态方程式，得ηεεv a a r r T p p T p T =--⎛⎝ ⎫⎭⎪1100 其中p T 00,－大气压力和温度；p T a a ,－进气终了时缸内的压力和温度；p T r r ,－排气终了时残余废气的压力和温度。

p T a a v ↑↓→↑,η；p T r r v ↓↑→↑,η。

ηv 的分析式为定性分析ηv 的影响因素提供了依据。

§2-3 影响充气效率的各种因素一 进气终了压力p a（一） 进气阻力∆p ap p p a a =-0∆∆p a ↑ → p a ↓ →ηv ↓ ∆p a 对p a 的影响最大。

进气系统的沿程阻力和局部阻力均会使∆p a 增大。

（二） 转速n ↑ → ∆p a ↑↑ → p a ↓ → ηv ↓（三） 负荷汽油机：负荷 ↑ → 节气们开度 ↑（质调节） → ∆p a ↓ → p a ↑ → ηv ↑柴油机：负荷 ↑ → 循环供油量 ↑ （量调节）（与∆p a 无关） →热负荷 ↑ →T a ↑ → ηv ↓ （不大）二 进气终了温度T aT a a v ↑→↓→↓ρη（一） 转速负荷一定：n ↑ →T a v ↓→↑η综合p a 、T a 的影响， n ↑ → ηv ↓。

（二） 负荷 转速一定：负荷 ↑ → 热负荷 ↑ →T a ↑ →ηv ↓ 柴油机：进、排气管分置。

避免排气管对进气管加热，使T a ↓ → ηv ↑汽油机：进、排气管同置。

虽然T a ↑ →ηv ↓，但燃油受热增发快，可以改善混合气形成。

三 排气终了压力p rp r ↑ → 残余废气量↑ →ηv ↓p r ∝ 排气门处的阻力 ∝ n 2，所以n ↑ → p r ↑ → ηv ↓ （影响较小）四 排气终了温度T rT r ↑ → ηv ↑五 压缩比εε↑ →ηv ↑ηv 公式仅为定性分析用的，是粗略的。

还有许多因素未予考虑。

如：压力升高比λ，绝热指数k ，进气马赫数Ma ，热传输和过量空气系数α等。

§2-4 提高充气效率的措施减小进气系统阻力。

沿程阻力，局部阻力（节流阻力）。

汽油机：空气滤清器→化油器→进气管→进气道→进气门柴油机：空气滤清器→进气管→进气道→进气门一减小流动阻力（一）进气门1 进气门直径d进一般: 进气门流通面积活塞顶面积=0.20～0.25d进↑→p a↑→ηv↑（影响大）d排↑→p r↓→ηv↑（影响小）一般：d进> d排2 四气门流通面积f1↑ 40%左右。

但结构复杂，造价较高。

f1↑↑→ηv↑↑→N e↑↑（可达30%），g e↓↓3 气门升程hh↑，时面值↑→ηv↑4 阀顶过渡圆角RR↑↑→f1↓→ηv↓R↓↓→流动阻力↑→ηv↓R应适中。

（二）进气管1 表面光洁度和流通面积表面光洁度↑，流通面积↑→沿程阻力↓→ηv↑2 转弯和节流阻力转弯半径R↑，截面突变↓→ηv↑3 截面形状考虑汽油机的雾化，蒸发，则管壁面积↑→沉积↑→蒸发↓→混合气分配不均匀截面形状圆形矩形D形流动阻力小大中底部蒸发小中大柴油机不存在底部蒸发问题，故多采用流动阻力小的圆形进气管。

（三）进气道转弯半径R↑，表面光洁度↑，各管口与垫片孔口对中→流动阻力↓→ηv↑设计时还要考虑组织进气涡流。

（四）空气滤清器通道面积↑，除尘效果↑→流动阻力↓→ηv↑经常清洗，更换纸芯。

（五）化油器喉口截面积↓→流动阻力↑→ηv↓，但雾化效果↑。

解决这对矛盾，采用双喉口。

小喉口：雾化；大喉口：进气。

二合理选择配气定时（一）配气定时的综合评定1 良好的充气效率以保证发动机的动力性能。

2 合适的充气效率以适应发动机的扭矩特性。

3 较小的换气损失以适应发动机的经济性能。

4 必要的燃烧室扫气以保证高温零件的热负荷得以适当降低，达到可靠运行。

5 合适的排气温度。

调整：1，2－进气迟闭角；3－排气提前角；4，5－气门叠开角（二）进气迟闭角ϕi1 转速n一定时，总有一个进气迟闭角ϕi使得充气效率ηv为最大。

2 n↓↓→气流惯性↓→缸内气体易倒流进气管→ηv↓n↑↑→一部分气体来不及进入汽缸→ηv↓3 ϕi↑→对应ηv,max的n↑所以，高速发动机转速大，要获得好的充气效率和动力性，进气迟闭角应大一些。

4 n↑→ϕi,最佳↑（三）排气提前角ϕoϕo↓→δ↑→ηv↑，δερ==VV14其中δ－后期膨胀比。

考虑经济性，在排气损失最小的前提下，尽量减小排气提前角。

（四）气门叠开角ϕi o,ϕi o,↑↑→缸内气体易倒流进气管；ϕi o,↓↓→pr↑，T a↑→ηv↓增压发动机气门叠开角应大一些。

§2-5 进气管内的动态效应一现象195柴油机：进气管长度L = 300 mm L = 1140 mm 气体在进排气管中有压力波动现象，有效组织、利用压力波动，可以提高充气效率。

进气门开闭时：p i'↑→ p a↑→ηv↑排气门开闭时：p o'↓→ p r↓→ηv↑动态效应与进排气管的长度和直径有关。

二波的动态机理闭口端：进：压缩波→反射: 压缩波－同型波进：膨胀波→反射: 膨胀波－同型波开口端：进：压缩波→反射: 膨胀波－异型波进：膨胀波→反射: 压缩波－异型波三进气动态效应（一）惯性效应阶段：进气门开→进气门闭←膨胀波→压缩波（进气门闭）（二）波动效应阶段：进气门闭→下一循环进气门开←压缩波→膨胀波←膨胀波→压缩波（进气门开）压力波动是周期性的。

压力波固有频率：faL14=[ 1/s ] 其中a－进气管内声速。