第3章 发动机的换气过程

3.进气阶段
由于节流作用, 缸内产生负压；使新鲜介质进
入缸内。 • 进气门：提前开：进气初期增大气流通道α=0-400 迟后关：利用惯性进气β=40-800 。 • 目的：延长进气时间，增加新鲜充量。 • 进气损失X：克服因进气过程气缸内压力低于大气 压力而形成的阻止活塞下行的一种阻力消耗的功。
4.气阀叠开和燃烧室扫气
Ta>T0, Ta=T0+△T. Ta a v
△T的产生：新气与高温零件接触被加热； 新气与残余废气混合； 气体流动损失功转化为热量； 废气加热进气管（汽油机） 降低Ta的主要途径： ①尽量排净废气； ②抑制进气过程中新气的温度升高值。
3、压缩比
压缩比 ，压缩容积，残余废气量 ， v 。
在排气、进气两过程之间，存在两气门同时开 启的现象。非增压发动机的气门叠开角一般为 20-600 。
适当的气门叠开角：可以减 少残余废气，增大进气量。
增压发动机气门叠开角可以 增大很多，进行燃烧室扫气。
二、换气损失和泵气损失
换气损失由排气损失和进气损失组成。
1.排气损失：
排气损失=自由排气损失W +强制排气损失Y
2）合理控制进气马赫数M值——小于0.5
进气马赫数Ma是进气门处 气体的平均速度vm与该处 声速c的比值。 当Ma 超过一定数值(0.5左 右)时，ŋv 便急剧下降。 限制Ma值对于高速发动机 尤为重要。
3）气门直径和气门数
①加大进气门直 径——扩大气流通路 截面积。 实际中使进气门 直径大于排气门直径 20%；
式中：γ——残余废气系数；ξpa ——配气定时; ε ——压缩比; ps 、Ts （pa 、Ta ）——进气（进气终了）时的压力和温度。
由上式可以看出，影响充气效率的因素有：
p 1、进气终了压力a 2、进气终了温度 a T 3、压缩比 4、残余废气系数γ 5、进气压力和温度ps
、 Ts
1、进气终了压力 pa
第三节
提高充气效率的措施
主要为两方面： 减小进气系统的流动阻力: 沿程阻力，局部阻力（节流阻力）； 合理选择配气正时。
一、减小进气系统的流动阻力
1.进气门处
是整个进气系统中气流 通道截面最小，也是气流阻 力最大的地方。 1）保证尽可能大的 气门通过能力——时面值 时面值表示了气门的 通过能力 m vm fdt
②增加气门数目：
采用二进二排或三进 二排，但使气门控制复 杂化。
4）气门升程
适当增大气门升程，通过改进凸轮型 线设计实现。 气门升程 ——最大气门升程与阀盘直 径之比 L/d取0.26～0.28。 减少气门处的流动损失——改善气门处流 体动力性能，如气门头部到杆身的过渡形 状，气门和气门座的锐边等。
v max 随进气迟闭角β的变化关在不同配气正时时，随n， 最大充气值对应的转速将如何变化？
随进气迟闭角β，最大充气值对应的转 速呈增加趋势，而最大充气值呈下降趋 势。
不同进气迟闭角对充气效率影响
右图为两种不同 进气迟闭角（β=40 和β=60 ）条件下 的 v 和 Pe 曲线。
自由排气损失W 相当于膨胀功的减少；
强制排气损失Y 是把废气推出气缸所消耗的功 。
2. 进气损失功X
——为进气系统内气体克服气缸进气吸 力所消耗的功。 换气损失形成的原因： 排气门早开； 活塞上行推出废气； 气体流动损失； 克服进气过程的真空吸力。
3. 泵气损失功
其大小为：X+Y-u。
在实际示功图中，把（W+u） 归到指示 功中考虑，而把泵气损失功 （X+Y-u） 归到机械损失中考虑。
λ——管道阻力系数； v ——气体在管道内的流速；
r0 ——大气比重;
△P、Pa随n变化关系:
△P随n变化关系（λ一定时 ） △P 0 n
• Pa随n变化关系（λ一定时 ）
Pa 0 n
1） v 随n的变化关系（配气正时一定）
v
n1 n 当n<n1时，进气迟闭角显的过大，新气倒流， v ； 当n>n1时，进气迟闭角显的过小， △P ， v 。 提问：既然在配气正时一定的条件下只有一种转速 最佳，实际情况是需要多种转速下 v 最佳，如何解决 v 这一矛盾？（采取可变气门正时技术）
G m V1 v G0 m0 Vh
式中： G , m, V1 为实际充量的重量、质量和体积； G0 , m0 , V1 为理论充量的重量、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。
v 的意义：
最有利的排气提前角
最有利的排气提前角 应使（W＋Y）之和为 最小。
• 过早
• 过晚 • 排气门面积过小 • 转速提高
第二节 四冲程发动机的充气效率 一、充气效率（充气系数）
1.定义
实际进入气缸的新鲜充量与进气状态下充满气缸 工作容积的比值。
实际进入汽缸的新鲜充 量 v 以标准大气状态充满汽 缸工作容积的新鲜充量
第四节
可变技术
可变技术(VVT,Variable Valve Timing)—— 是发动机可变气门正时技术的简称。 发动机可变气门正时技术是近些年来被逐渐应 用于现代轿车上的新技术中的一种，发动机采 用可变气门正时技术可以提高进气充量，使充 量系数增加，发动机的扭矩和功率可以得到进 一步的提高。
一、可变技术
二、合理选择配气正时
1.配气正时
——进排气早开迟闭角 相对于上下止点的位置。
在下止点前排气 在上止点后关闭 在上止点前吸气 在下止点后关闭
— — — —
排气提前角30～80； 排气迟闭角10～35； 进气提前角 0～40； 进气迟闭角40～80；
四个角度中，进气迟闭角最重要
由于惯性力的限制，进排气门不能开启 太快，因而必须有早开迟闭角度。 对于排气损失而言，排气提前角大小是关键； 对于进气而言，进气迟闭角是关键。 总体而言，进气迟闭角β最重要。 故认为：一台发动机的进气迟闭角改变，则其 配气正时改变。
换气过程的好坏：直接影响发动机的动力性， 经济性指标及气缸的热负荷。
一、换气过程
从排气门开启 进气门关闭。实际曲 轴转角4100-4800。 1.自由排气阶段 靠缸内压力将气体挤出气缸，气体以超临 界状态（超音速）流出。 特点：流出速度高，排量达（60-70）%，伴随 有特殊刺耳的噪声
排气门开启时刻与排气提前角相关
2） 随的Pe变化关系
v
柴油机：
汽油机：
v
v
Pe
Pe
柴油机、汽油机的 v 随Pe变化不同原因
柴油机负荷调节——质调节： 改变供应量、进气量不变，使得α改变； 汽油机负荷调节——量调节： 进气量改变、α基本不变。 当负荷，节气门开度，进气阻力， v 。
2、进气终了温度 Ta
2. 配气正时一定，v 随n的变化关系
图1表明：在β一定时，转速不同，因气流惯性不 同，最佳的充气量不同。
v
v
β1 β2
n1
图1（β一定 ）
n
n1 n2
图2 （β2>β1 ）
n
图2表明：配气正时改变时，最佳的充气量对应的 转速亦不同。
3. 配气正时改变， v 随n的变化关系
发动机转速不同，气流惯性不同，从有利于进气 而言，气门开闭的延长时间亦不同，即最有利β （配气正时）应不同。
随使用工况（转速、负荷）变化，使发动机 某系统结构参数可变的技术。 为了解决车用发动机既要满足高功率化的要 求，又要保证中、低转速，中、小负荷的经 济性和稳定性。
主要有可变进气管长度、可变气门正时、可 变气门升程、可变进气涡流等技术。
1、可变进气管长度（直径）
对进气管的要求是： 在高转速、大功率时，应配装粗、短 的进气管。 而在中、低速，最大转矩时，应配装 细、长的进气管。
pa 决定于：发动机进气系统的结构λ；
发动机的使用情况n。 对于进气系统： P0= Pa-△P 当大气压力P0一定时，△P ，Pa ； △P——气体流过进气系统引起的压力降; 0v 2 由流体力学知： p
2g
而v正比于n，即 v k n 则 p
0v 2
2g
kn 2
4、残余废气系数γ
排气终了压力Pr的高低直接影响残余废气量的多少， Pr ，缸内残余废气量，使 v ；Tr,△T, v 。 进排气门的叠开角大，压缩比高，γ。
5、进气压力和温度ps 、Ts
进气温度Ts升高，进气压力ps下降均会使进入 气缸充量的密度减小，绝对进气量减少，但影 响较小。
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 v 。
进气道设计时还要考虑组织进气涡流。
在发动机维修装配过程中，必须保证进气管 口、道口及其之间所加的密封垫孔口三者对 齐。
几种不同形式的滤芯：
3、空气滤清器
在保证空气滤清效果的前提下，尽可能减小阻力。 空气滤清器阻力随滤芯结构（微孔纸质滤芯、锯 末滤芯）不同而不同。 空气滤清器的作用： ①阻止灰尘、杂质进入气缸，减少磨损，延长使用 寿命； ②完成进气消声； 对于滤芯： ①使用中要定期清洗保养，避免积垢，使阻力增加； ②注意及时更换滤芯（滤芯属易损件）。
二、充量效率的解析式
充入气缸的新鲜充量 = 缸内气体的总质量－缸内残余废气质量 充气效率的解析式
Vc Vh Vr a r Vc Vc Vh 0 Vc
m v m0
三、影响充气效率的因素分析
充气效率的数学表达式 Ts pa 1 v 1 ps Ta 1
4.确定有利配气正时的原则
对于在固定转速下工作的发动机，应以其工 作转速来选择最佳的配气正时。 对于车用发动机： 轿车：主要考虑高速性，应按最大功率对 应的转速来选择最佳的配气正时，即按高转 速选择β 。 原因：高速发动机转速高，要获得好的充 气效率和动力性，故进气迟闭角应大一些。