831第四章柴油机的换气与增压第一节

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1换气过程

①自由排气阶段；②强制排气阶段； ③惯性排气阶段
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⑵进气过程
指从进气阀开始开启到进气阀完全关闭为止。也可分为三个阶段。
①准备阶段；②主要进气阶段；③补充进气阶段
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三、二冲程柴油机的换气过程
二冲程柴油机的换气过程是指从排气口（或排气阀）打开时起至排气口（或排气阀）完全关闭时止，新鲜空气充入气缸和废气排出气缸的过程。
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三、二冲程柴油机的换气过程
三个阶段： ⑴自由排气阶段 ⑵强制排气（扫气）阶段 ⑶过后排气（过后充气）阶段
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二冲程柴油机的换气过程
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四、换气过程的评定指标
换气过程的评定指标主要有：充气系数、残余废气系数、扫气效率、扫气系数、扫气过量空气系数等。
充入气缸的新鲜空气量愈多愈好；消耗的功及
流失的空气量要少。
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第一节柴油机换气过程
一、时面值与角面值二、四冲程柴油机的换气过程三、二冲程柴油机的换气过程四、换气过程的评定指标五、影响换气过程的主要因素
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一、时面图与时面值
f dt
若画出气阀或气口的开启面积f 随时间t
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一、时面图与时面值
时面值表征了气阀或气口的流通能力。因此，保证柴油机的换气品质的关键之一就是保证柴油机气阀或气口有足够的时面值。
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二、四冲程柴油机的换气过程
⑴排气过程 ⑵进气过程

柴油机的换气过程

II. 进气温度上升
III. 气阀定时的改变或调整不当时也将影响v
定义
残余废气系数r 为换气结束后留在气缸内的
残余废气量Gr与换气结束后留在气缸内的新
鲜空气量G0之比值，即：
γr
=
Gr G0
四冲程柴油机决定r的主要因素是燃烧室扫气
过程，扫气过程进行得越好，废气清除得越
干净，则r 越小。通常增压柴油机的r值在0~0.15之间。四冲程
定义
➢ 充气系数v为换气结束后留在气缸内的新鲜空气
量G0与在进气口环境条件(对非增压四冲程柴油机为大气压力p0，
温度T0；对于二冲程柴油机为扫气箱扫气压力ps，温度Ts；对于增压柴油机则
为中间空气冷却器后的公共扫气箱压力pk，温度Ts)下充满气缸工作
容积Vs的理论新鲜空气量Gs之比值，即：
( ) ηv
➢ 从扫气口关闭的C点到排气口关闭的E点（压缩开始点）为止的阶段，叫做过后排气阶段。
➢ 在此阶段缸内的部分新气将经仍开启着的排气口排至排气管，因而这是一个损失新气阶段。希望此阶段越短越好。
➢ 若使它与进气口同时关闭或早于进气口关闭，则可避免过后排气损失或实现过后充气。
四、评定换气过程质量的参数
缩比减小。
③ 实际进气时刻：是气缸内压力低于进气管压力时才真正进入气缸。非增压柴油机的实际进气时刻在上止点后。
气阀叠开和燃烧室扫气
① 气阀重叠角的定义：在上止点前后，从进气阀开启到排气阀关闭这段时间进气阀和排气阀同时开启所对应的曲轴转角称为气阀重叠角。一般非增压机为 20°~50°CA，增压机为80°~140°CA
评定换气过程好坏的标志
➢ 废气排除是否干净 ➢ 新鲜空气充入量 ➢ 新鲜空气消耗量

4 柴油机的换气与增压

4 柴油机的换气与增压（10％）4．1二冲程柴油机的换气过程二冲程柴油机换气过程各阶段的特点图4-2示出二冲程柴油机换气过程曲线图。

根据缸内气体压力变化的特点，可把换气过程分成三个主要阶段。

第一阶段：自由排气阶段（B→R)在膨胀冲程的末尾，下行的活塞把排气口打开（B 点），此时气缸内的压力p b比排气管中的压力p r高得多，p r/p b之比值小于临界值，废气以临界速度流出排气口进入排气管。

超临界流动持续到p r/p b之比值等于临界值的K点。

此后废气以亚临界速度自由排出气缸。

当气缸内压力约等于扫气箱空气压力时（即R点），自由排气阶段的结束。

如图所示，扫气口刚打开时（D 点），气缸压力仍略高于扫气压力。

但因压差不大而时间很短，倒流可忽略。

如果排气不畅、排气阀开启正时偏迟，废气倒冲就会变严重，甚至可能引起扫气箱着火。

第二阶段：强制排气和扫气阶段（R→C）此阶段开始时，由于扫气口开度小，排气口已开得很大，气缸中废气正以很高流速流入排气管，气缸内压力继续迅速降低。

由于废气流的惯性作用，气缸内压力进一步降低。

然后，随着扫气口开度的增加，扫气大量进入，气缸中压力逐渐升高。

在扫气口关闭而结束此阶段前，气缸内压力趋于稳定。

在本阶段中，主要是利用扫气空气进入气缸把气缸内的废气排挤出去，故称为强制排气及扫气阶段。

第三阶段：过后排气阶段（C→E)活塞上行先关闭扫气口（C点）。

此时，气缸中的残余废气掺混部分新鲜空气经由仍然开启的排气口（阀）继续排入排气管，直至排气口（阀）于E点关闭。

在E点之后，气缸内开始进行压缩过程。

二冲程柴油机换气的持续时间约为120˚～150˚曲轴转角，而四冲程柴油机实现换气过程所占的时间则相当于400˚～500˚曲轴转角。

如果转速相同，则二冲程柴油机的换气时间只有四冲程柴油机的大约1/3。

因此二冲程柴油机进行完善的换气较困难，高、中速柴油机尤其困难。

4．2换气过程评定指标4．2．1残余废气系数的概念和意义残余废气系数是指换气过程结束时，缸内残存的废气量G r 与充入气缸的新鲜空气量G 0之比，即G G r r =γ （8-5）残余废气系数是换气过程结束后废气排除的干净程度来表示换气过程的完善程度。

换气与增压

3)进气阶段（1）理论上自进气阀开启点开始到进气阀关闭为止，实际自缸内压力低于进气管压力时开始（非增压机上止点后）（2）进气阀开启时刻对排气惯性有影响；关闭时刻对进气惯性作用有影响（3）进气阀开启提前角太大易产生废气倒灌；进气阀关闭滞后角太大易产生新鲜空气倒流并减小有效压缩比
2.气阀叠开与燃烧室扫气 1）燃烧室扫气：气阀叠开期间新鲜空气对燃烧室的清扫 2）四冲程机换气质量较高 3）高增压机定时变化：排气阀提前角增大，滞后角增大，气阀重叠角增大，喷油提前角减小
（3）先后两个阶段：超临界——废气以当地音速排出气缸；亚临界——排气管压力与气缸压力之比大于临界值，小于音速排出气体（4）排气阀开启提前角要足够大以排尽废气多进新气，但如太大会使膨胀功损失增大，膨胀功减小，排气功减小（5）排气管内压力波振幅比进气管内大
2)强制排气阶段（1）自由排气结束开始到排气阀关闭为止（2）活塞推挤强制排气（3）排气阀在上止点后滞后关闭，如延后关闭角太大会使排烟管中废气又被吸入气缸
气口高度为活塞在下止点时其上平面到气口上边沿的距离。二冲程弯流扫气柴油机最大
第四章柴油机的换气与增压
第一节柴油机的换气过程
换气过程：从排气过程、扫气过程到进气终止的整个气体更换过程影响：柴油机的动力性、经济性、可靠性及排气污染
一、二冲程柴油机的换气过程
1.换气过程 1）自由排气阶段（1）排气口（阀）开启到开始进气点（缸内压力与扫气压力相等）止，并非到扫气口开止（此时缸内压力高于扫气压力）（2）借助于缸内与排气管中的压差自由排气 2）强制排气与扫气阶段（1）自缸内压力与扫气压力相等至扫气口关闭止（2）依靠扫气与缸内压差和缸内与排气管压差强制排气

第04章柴油机的换气与增压

任务4.1 任务4.2 任务4.3
•柴油机的换气过程分析
•柴油机换气机构的操作与管理 •柴油机增压系统和设备的操作与管理
任务4.1 柴油机的换气过程分析
【项目介绍】
介绍二、四冲程柴油换气过程的基本规律、评价柴油机换气质量好坏的基本指标。
任务4.1 柴油机的换气过程分析
知识目标
• 掌握二、四冲程柴油机换气过程的基本规律； • 理解评价柴油机换过质量好坏的指标的内涵。
2、特点 1）时间短；2）掺混严重； 3）新鲜空气消耗量大，耗功多； 4）气缸容积不能充分利用，存在有效压缩比。
背景知识——换气过程三、评定换气过程质量的参数 1．残余废气系数：表示换气过程的完善程度γ r=Gr/GO （1）理想情况下为零；（2）增压机小于非增压机（增压机进气压力大，进气量大）（3）四冲程机小于二冲程机（四冲程机换气完善过程长）（4）直流扫气机小于弯流扫气机；（5）其取决于换气完善程度。 ※四冲程机与燃烧扫气有关，二冲程机与换气形式、增压度有关。 2．充量系数（充气效率）φ C φ C= GO/GS=εPaTO/(ε-1)POTa(1+γ r) ＜1 影响充气系数因素：气缸进气终了时的参数（pa、Ta）；残余废气系数；排气系统的结构参数以及柴油机运行时的转速、负荷、增压程度、冷却情况、换气系统的清洁程度。
项目四柴油机的换气与增压
【项目描述】
通过二、四冲程柴油机换气过程分析、柴油机换气机构组成及工作原理、柴油增压的基本原理、增压方式及系统、增压设备结构原理等知识学习与技能训练，达到STCW78/95 公约中有关柴油机换气与增压系统与设备的操作与维护管理方面的适任要求。
项目四柴油机的换气与增压
背景知识——气阀机构 1．气阀：分进气阀和排气阀，一般进气阀阀盘直径大于排气阀，目的是为了提高充气量。（1）气阀的结构：由阀头、阀杆组成，采用大圆弧过度，以降低机械应力。阀头座合面是锥面，锥面角有30°和45°两种： 30°锥面角：阀口流通面积大，进气阻力小，单位承压面积小，阀面与阀座磨损小，进气阀采用。 45°锥面角：自动居中性能好，座合面单位面积压力大，密封性能好，一般排气阀采用。阀杆：上部开有环形槽，用于安装锥形锁块。

柴油机的换气与增压

四、换气机构的故障 1．气阀机构 1）阀面与阀座的磨损 2）阀面与阀座烧损 3）阀杆卡紧
4）阀杆和阀头断裂 5）气阀弹簧和弹簧盘断裂 6）阀壳产生裂纹 2. 气阀间隙测量与调整 3．气阀定时的检查气阀定时的测量与调整只有在气阀间隙符合要求时才能进行，气阀定时涡轮增压采用增压技术是提高柴油机功率或平均有效压力的最有效途径。一、柴油机增压概述 1．机械增压增压器1由柴油机曲轴通过齿轮2直接驱动的增压方式称为机械增压。 2．废气涡轮增压用柴油机排出的废气驱动的涡轮d带动的增压方式称为废气涡轮增压。
3．进气阶段
二、二冲程柴油机换气过程 1．自由排气阶段（B－R）从排气口（阀）开启点 B 起到缸内压力与扫气压力 pk 相等的点 R 为止的这一阶段，可分为超临界阶段和亚临界阶段。 2．强制排气阶段（R－C）从进气开始 R 点到活塞经下止点再上行而在 C 点关闭扫气口为止的阶段，靠新气与缸内废气的压力差，利用新气清扫废气。 3．过后排气阶段（C－E）从扫气口关闭的C点到排气口关闭的B 点为止的阶段，是一个损失新气阶段，越短越好。影响因素：扫排气重叠角的大小、气阀（口）开启的延续时间和气阀（口）的流通面积的大小。
3．复合增压既采用涡轮增压器，又采用机械驱动式增压器。
二、废气能量分析 g－ 0－ a－ h一 g：压气机消耗的总能量； g－ 2－ 4－ i一 g：扫气空气对涡轮所作的功； 4－ 2一 1－ 5－ 4：活塞推出废气所作的功，由柴油机活塞给予； 5一 1－ f－ e一 5：从废气中取得的部分能量； 5 － b － e － 5 ：脉冲动能能，或叫变压能。三、废气涡轮增压的两种基本方式 1．等压涡轮增压
第四节废气涡轮增压器一、废气涡轮把柴油机的废气能量转变成推动增压器转子旋转的机械功。有轴流式和径流式两种废气涡轮。喷嘴环由铸铁铸成的喷嘴内、外环和耐热钢制成的喷嘴叶片组成，外环上铣有数道通槽，外环与涡壳之间也留有一定的间隙，喷嘴叶片形成的通道从进口到出口呈收缩状。工作原理：（1）具有一定压力p0和温度T0的气缸排气以速度C0流入喷嘴。在喷嘴收缩形流道中膨胀加速，部分压力能转换成速度能。（2）喷嘴出来的燃气压力和温度下降至p1、T1而流速增高到 C1 ，再进入叶轮叶片间的流道时，气流被迫转弯。（ 3 ）离心力作用，迫使气流压向叶片凹面而企图离开叶片凸面，使叶片凹、凸面间产生压力差。作用在所有叶片上压力差的合力 pu 对转轴产生冲击力矩，使叶轮沿该力矩的作用方向旋转。（ 4 ）叶轮叶片的通道收缩，燃气继续膨胀。当气流在旋转的叶轮中流动时，因膨胀加速而给涡轮

柴油机的换气和增压

柴油机的换气和增压柴油机从开始排气、扫气到进气结束的整个气体更换过程称为换气过程。

换气过程进行的完善，压缩过程开始时残留的废气量就少，寸留在汽缸中的新鲜空气就多，就为燃油的完全、及时燃烧创造了良好的条件。

燃油完全、及时的燃烧，不但使柴油机发出更大的功率从而提高其动力性，使柴油机有较高的热效率，提高其经济性，而且完全的燃烧还意味着结碳减少，改善排气的污染，及时的燃烧还以为着较低的循环平均温度，从而提高柴油机的可靠性。

因此，换气质量的好坏是柴油机工作优劣的先决条件。

一．四冲程柴油机的换气过程因为汽缸压力及排气管内压力随曲轴转角的变化而变化；进、排气阀的通流截面积也随曲轴转角的变化而变化，因此，根据气体流动的特点，将换气过程分为几个阶段：***自由排气阶段：当排气阀开启时，汽缸压力远远高于排气管压力，排气管压力与汽缸压力之比小于临界值，气体流动为超临界流动，汽缸内废气以音速流过排气阀最小截面处。

汽缸压力迅速下降，排气管压力升高。

当排气管压力与汽缸压力之比大于临界压比时，气体流动转入亚音速流动阶段。

到某一时刻，汽缸压力接近于排气管压力时，自由排气阶段即告结束。

***强制排气阶段：活塞上行将汽缸内的废气强制推挤入排气管的阶段，即为强制排气阶段。

由于排气阀延迟关闭，此阶段的末尾可利用排气管中废气的流动惯性把汽缸内的废气继续吸出。

***进气过程：进气阀提前开启，汽缸中的废气压力低于进气压力时开始进气。

进气流具有一定的惯性。

进气阀滞后关闭可使气体的动能转化为压力能，使进气终了时汽缸压力接近或略高于进气管压力。

***气阀叠开和燃烧室扫气过程：在气阀叠开期间，进气管、燃烧室和排气管连通起来，当进气管中压力比排气管压力高时，新鲜空气进入汽缸并驱赶残留在燃烧室的废气一并进入排气管。

这样，既有利于清扫残余废气、增加新鲜空气量，又有利于降低燃烧室部件冷却液难以冷却到的高温壁面的温度。

但是，应该指出：气阀叠开角并不是大的就好，因为进气阀开启过早会造成废气倒冲入进气管；排气阀关闭过迟，过量的扫气空气会降低涡轮前排气温度，减少增压器涡轮获得的可用能。

柴油机.换气机构

分类
按其结构特点分： ① 不带阀壳 ② 带阀壳
2.气阀valve与阀座valve seat
1) 气阀
I. 阀盘 II. 阀杆valve spindle
2) 3)
阀座valve seat 排气阀阀面与阀座的接触形式
I. 全接触式 II. 外接触式 III. 内接触式
气阀
1.
2.
是使气阀复位并压紧在阀座上它有内外和左右旋之分一般成对安装提高弹簧疲劳强度在不降低应有弹力的条件下可采用较细软的弹簧增加工作的可靠性若一根弹簧折断仍可短期使用以避免气阀落入气缸除机械弹簧外目前超长行程直流扫气柴油机的排气阀普遍采用空气弹簧后述进气阀为不带阀壳结构结构较排气阀简单气阀导管气阀弹簧等零件与气阀都直接装在气缸盖上气阀直接闭合于缸盖本身加工出来的阀座上并常在缸盖阀座内加一铸铁环以提高阀座的耐磨性和调换方便
气阀弹簧
气阀弹簧的作用：是使气阀复位并压紧在阀座上，它有内、外和左、右旋之分，一般成对安装设臵内、外弹簧目的：
① ② 提高弹簧疲劳强度（在不降低应有弹力的条件下，可采用较细软的弹簧）增加工作的可靠性（若一根弹簧折断仍可短期使用以避免气阀落入气缸）

① ②
安臵左、右旋弹簧目的
减振（两根弹簧自振频率不同，互相干扰）防止相互插入（弹簧移动或折断时）

组成
气阀机构由气阀、阀座、气阀导管、
气阀弹簧和连接件等组成。
工作条件

I. II.
i.
ii.
气阀和阀座的工作条件最恶劣。尤其是排气阀
阀盘与阀座的底面受到燃气高温、高压的作用受到高速炽热气流的冲刷
排气阀阀盘的平均温度高达650℃~800℃，阀杆温度为150℃~250℃；进气阀阀盘的平均温度也高达450℃~500℃ ，阀杆温度为100℃~120℃ 。

柴油机的换气

第四章柴油机的换气、换气机构与增压第一节柴油机的换气过程及换气质量评定参数在柴油机的工作过程中，每完成一个工作循环都必需排除废气和充入新气。

从排气过程、扫气过程到进气终止的整个气体更换过程称为换气过程。

它的作用是将已燃气体排除并为下一循环吸入新鲜空气，为下一个循环的工作提供必要的条件。

换气过程的完善程度对柴油机的性能有重大影响。

如果换气过程进行的完善，压缩过程开始时气缸内残留的废气量少，新鲜空气量多，这就为燃油的完全、及时燃烧创造了条件。

燃油完全而及时的燃烧不但可使柴油机发出更大的功率，提高其动力性，使柴油机有高的热效率，提高经济性，而且，完全的燃烧还意味着结炭减少，减少排气污染。

另外，及时的燃烧还意味着较低的循环平均温度，从而提高柴油机的可靠性。

因此，换气过程的质量直接影响柴油机的动力性、经济性、可靠性及排放特性，是柴油机工作优劣的先决条件。

换气过程进行得好坏是以废气排除干净与否及新鲜空气充入量多少和新鲜空气的消耗量为标志。

它可以用充量系数、扫气效率等参数来评价。

一、四冲程柴油机的换气过程图4—1是四冲程柴油机在换气过程中，气缸压力、排气管中的压力随曲轴转角的变化情况以及相应的低压示功图（p—V图），从图中可以看出，排气阀开启后，废气从气缸急速流入排气管，气缸压力很快下降，直到排气上止点后的某一位置排气阀关闭为止。

进气阀在上止点前开启，新鲜空气流入气缸，直到进气下止点后的某一位置关闭为止。

在排气上止点附近，进、排气阀同时开启。

四冲程柴油机的换气过程可分为自由排气、强制排气、气阀重叠、进气四个阶段。

图4-1四冲程柴油机换气过程有关参数的变化a）气缸压力及排气管压力随曲轴转角的变化b）进排气阀流通截面比随曲轴转角的变化c）低压示功图第四章柴油机的换气、换气机构与增压119 1．自由排气阶段由于受配气机构的结构限制，气阀在开启过程中只能逐渐加大其流通截面。

如果排气阀刚好在膨胀行程下止点时开启，则排气阀流通截面增加过缓，活塞在向上止点回行时造成较大的反压力，增加排气行程所消耗的功。

第一节柴油机的换气过程及换气质量评定参数

第四章柴油机的换气、换气机构与增压第一节柴油机的换气过程及换气质量评定参数换气过程：排气过程、扫气过程到进气终止的整个气体更换过程作用：将已燃气体排除，吸入新鲜空气，为下一个循环提供条件。

换气过程的影响：动力性，经济性，排气污染，可靠性。

换气过程的评价：废气排除干净与否，新鲜空气充入量，新鲜空气的消耗量评定参数：充量系数、扫气效率等一、四冲程柴油机的换气过程1．自由排气阶段2．强制排气阶段　3．进气阶段4．气阀重叠和燃烧室扫气气阀重叠角：上止点附近进、排气阀同时开启相应的曲轴转角，它是排气迟闭角与进气提前角之和。

燃烧室扫气：在气阀重叠期间新鲜空气对燃烧室的清扫。

二、二冲程柴油机的换气过程1．二冲程柴油机的换气过程（图4-2）1）自由排气阶段（B—R）2）强制排气和扫气阶段（R—C）3）过后排气阶段（C—E）2．二冲程柴油机换气的特点（1）换气时间大大小于四冲程柴油机（2）主要是依靠压差换气，换气质量差（3）空气耗量大，耗功多。

（4）气缸容积不能充分利用。

三、评定换气过程质量的参数1．残余废气系数残余废气系数：换气过程结束时，缸内残存的废气量G r 与充入气缸的新鲜空气量G 0之比，即γr ＝G r ／G 0残余废气系数的作用：评价换气过程结束后废气排除的干净程度残余废气系数γr 是的影响因素：燃烧室扫气、扫气形式及扫气的完善程度2．充量系数(充气效率) φc充量系数：每一工作循环进入气缸的实际充气量G 0与在进气状态p 0、Ｔ0（二冲程机为p s 、T s ，增压机为p k 、T k ）下能充满气缸工作容积V s 的理论充气量G s 的比值，即φc ＝G 0／G s 充量系数是用来表征柴油机换气过程完善程度的一个极为重要的参数。

经整理：r a c a c T T p p γεεφ+⋅⋅⋅−=1110影响充量系数φc 的因素：转速、负荷、增压程度、冷却情况、换气系统的清洁程度等ε是由于充量系数的定义而出现的，并不影响换气过程的好坏。

柴油机的换气与增压课件

扭矩、排放等。
02
数据处理
对收集到的数据进行处理，包括去噪、滤波、计算等，以得
到准确的工况数据。
03
数据分析
根据处理后的数据，分析换气和增压对柴油机性能的影响，以及换气和增压设备的效率等
。
结果展示与讨论
结果展示
通过图表和表格展示实验结果，包括换气和增压对柴油机性能的影响，以及换气和增压设备的效率等。
喷油器
将燃料喷入气缸内，与压缩空气混合燃烧，产生动力。
增压技术在实际中的应用案例
车辆动力提升
通过增压技术提高发动机的进气密度和喷油量，增加发动机的动力输出，提高车辆的加速性能和
载重能力。
工程机械
利用增压技术提高发动机的性能，为工程机械提供更大的动力和
可靠性。
船舶动力
在船舶动力系统中采用增压技术，提高发动机的效率和可靠性，为船舶提供稳定、可靠的动力输
实验步骤
首先安装换气设备，然后将柴油机启动并逐渐增加负载，同时记录各个工况下的数据，包括转速、扭矩、排放等。接着安装增压设备，重复上述步骤。
实施细节
在实验过程中，需要注意保持柴油机的稳定运转，避免突然的负载变化，同时要保证数据的准确性和可靠性。
数据收集与分析的方法
01
数据收集
通过数据采集系统收集实验过程中的各项数据，包括转速、
涡轮增压器
通过涡轮将空气压缩并送入气缸，提高柴油机的功率和效率。
换气过程中的问题与解决方案
01
02
03
空气流量不足
进气门磨损
排气不畅
由于空气滤清器堵塞、进气管漏气等原因导致空气流量不足，影响燃烧效果。解决方法是定期清洗空气滤清器和检查进气管是否漏气。