第三章(发动机的换气过程)

c = κ RT
式中 k—等熵指数； R—气体摩尔常数； T—气体的绝对温度 此阶段，废气流量与排气管内压力无关，只取决于气缸内的气 体状态和气门最小开启截面。
自由排气阶段
亚临界状态流动 随着废气大量流出，缸内压力迅 速下降，气体流速小于声速，转入亚 音速流动状态。此时废气流量决定于 气缸内和排气管内的压力差。到某一 时刻缸内压力与排气管内压力相近时， 自由排气阶段结束。自由排气约在下 止点后10°~30°（CA）结束。 自由排气阶段虽然时间不长，因 速度高，此阶段排出的废气量达60% 以上。
强制排气阶段
此阶段废气被上行活塞推出。因 为要克服排气系统阻力，缸内压力略 高于排气管内压力约10kPa左右。流速 取决于压差，流速越高，压差越大， 消耗功亦越多。排气过程一直进行到 上止点之后10°~35°（CA），排气 门才完全关闭。
惯性排气阶段
强制排气阶段接近终了时，在上止点 附近，废气尚有一定的流动能量，可利用 气流的惯性进一步排除废气。同时，如果 排气门在上止点时关闭，在上止点之前它 就要开始关小，产生较大节流作用，此时 活塞还在向上运动，致使气缸内压力上升， 结果排气消耗功和残余废气量都会增加。
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通 路径以及降低活塞平均速度等，都会使进 气损失减少。
第二节 四冲程发动机的充气效率
充气效率φc 充气效率是衡量不同发动机动力性能和进气过程完善程度的重要指 标，又称充量系数或容积效率。 充气效率的定义：是实际进入气缸的新鲜充量m与进气状态下充满 气缸工作容积的理论新鲜充量ms之比。
为了减少排气损失可以选择适当的排气 提前角，使（w+y）最小。减小排气系统阻 力及排气门处流动损失，是降低排气损失的 主要方法。
2.进气损失 进气损失是由于进气系统阻力的存在，使进气过程气缸压力低于进 气管压力造成的损失。进气损失比排气损失要小。 进气损失不仅体现在进气过程所消耗的功上，还体现在进气过程中 所吸入的新鲜充量的多少上。因为前者对发动机的热效率、功率影响不 大，后者对发动机的性能有显著的影响。
2.增加气门的数目 采用小气门，增加气门数的结构（两个排气门，两个进气门，甚至 更多）是增大进气门流通面积、降低排气损失的有效措施。 例如：上海柴油机厂生产的6135Q-1柴油机采用双气门（即进、排 气门各一个）的结构时，15min功率为162KW/2200r/min；改用四个小 气门（进、排气门各两个）后，15min功率增至194kW/2200r/min功率提 高20%。由于ŋv提高使得燃烧完全，因而循环ŋi和ŋe均提高，排气温度降 低，热负荷减小，延长了使用寿命。 赛车用高比功率的发动机采用多个小气门结构后，功率可提高70%， 扭矩可提高30%。 但由于多气门的机构复杂，造价较高，使其发展受到一定的限制， 其另一个缺点是低速时扭矩不大。
换气损失
换气损失，是由排气损失和进气损失两部分组成。 1.排气损失 从排气门提前打开到进气过程开始，缸内压力达到大气压力前，循 环功的损失称为排气损失，它包括以下两部分。 1）自由排气损失w，因排气门早开，排气压力线从Pb’点开始离开理想循 环的膨胀线，引起膨胀功的损失。 2）强制排气损失y，它是活塞 活塞将废气推出所消耗的功 消耗的功。 活塞 消耗的功
第三节 提高发动机充气效率的措施
可以按照上述对影响充气效率的多种因素的分 析，从多方面采取措施来提高充气效率ŋv 。
减少进气系统的流动损失
发动机进气系统包括空气滤清器、化油器（汽油机）、进气管、进 气道、气门与气门座。其中气门座处的流通截面最小，截面变化大，气 流损失也最大。减小此处的流动阻力，一直是人们关注的重点。 （一）减少进气门座处的流动损失 为减少进气门座处的流动损失，可采取如下措施： 1.增大进气门直径，选择合适的排气门直径 现代高速发动机单进、排气门结构中，进气门直径d与缸径D之比 为45%~50%，面积比为0.2~0.5。排气门的直径也必须足够大，以减少 排气损失。通常牺牲排气门直径来加大进气门直径，一般进气门直径比 排气门直径大15%~20%。排气门直径也不能过分缩小，否则会导致不 合理地增加排气损失和残余废气量。
ηv =
式中
V1 m = Vs ms
V1，m—实际进入气缸新鲜充量的体积和质量 V2，ms—进气状态下理论计算充满气缸工作容积的新鲜充量的 体积和质量。 进气状态：是指进入气缸前气体的热力学状态，如温度与压力等。
转矩Ttq可增加。 ηv可用实验方法测得。由流量计测出发动机每小时新鲜充量的流 量V1（m³/h）。而理论充量V（m³/h）由下式计算： V=0.03inVs 式中 Vs——气缸工作容积； i——气缸数目； n——转速（r/min） 发动机的充气效率一般在如下范围： 柴油机0.75~0.9 ；汽油机0.70~0.85
由于流速的大小是决定流动阻力大小的主要因素。空气动力 学理论中指出，在高速可压缩的流动系统中，决定气流流动性质 最重要的参数是马赫数Ma，Ma是进气门处气流平均速度vm与该 处音速c之比，即 Ma= vm /c 发动机的充气效率大小，与通过进气门座处的气流的马赫数 Ma密切相关。
给定的发动机（缸径、气门大小、配气相位一定）其Ma与发动机转 速成正比。根据一系列的实验可知，在正常的配气相位条件下，当 Ma>0.5左右，ŋv便急剧下降，如下图所示。 综上所述，可得出如下主要结论：Ma是一个反映ŋv由于流动损失而 受到影响的特性参数，即ŋv的高低决定于Ma的大小。因此，在设计发动 机时应尽可能使Ma在最高转速时不超过0.5。汽油机的Ma值已接近0.5， 柴油机的Ma值一般在0.3~0.4之间。
3.残余废气系数γ 气缸中残余废气增加，使ηv降低，燃烧恶化，燃油消耗率高，排放 差。排气系统阻力大，废气流动困难，使得排气压力提高，残余废气增 加，充气效率降低。 进排气门的重叠角大、压缩比高， γ值下降，故一般柴油机γ值较低。 汽油机在低负荷运转时，节气门开度小，新鲜充量减少，γ大大增 加，稀释可燃混合气，使燃烧过程缓慢，易造成汽油机低负荷工作不稳 定和经济性变差。
正常进气阶段 准备进气阶段结束后，活塞由上止点开始下行。由于气门提 前开启，此时进气通道截面已开启较大，保证大量新鲜气体进入 气缸。 由于进气系统阻力，活塞移到下止点时，气缸内压力仍然低 于大气压力。
惯性进气阶段 为了利用高速进气流的惯性 进气流的惯性，增加充气量，减少功耗，气缸 进气流的惯性 在活塞运行到下止点后才完全关闭进气门。从活塞由下止点上行 至气门完全关闭这个时期，称为惯性进气阶段。 该阶段曲轴转过的角度，称为进气迟闭角。
3.改善进气门处流体动力性能，减少气门处流动损失 适当增大气门的升程，改进配气凸轮型线，在惯性力容许的情况下， 使气门开闭尽可能的快。适当加大气门杆身与头部的过度圆弧，减少气 门座密封性面的宽度，修圆气门座密封锥面的尖角等措施，均可改善进 气门处流体动力性能，减小流动损失。 4.采取较小的S/D值（短行程） 在转速不变的情况下，S/D变小可使活塞平均速度Cm减小，使Ma降 低。另外，由于缸径D的增大还可采用大的气门直径，使ŋv提高。
换气过程可分为排气和进气两大部分。 其中排气阶段又包含：自由排气阶段、强制排气 阶段、惯性排气阶段； 进气阶段可分为准备进气、正常进气和惯性进气 三个阶段。
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， 压力的时期，称为自由排气阶段。 排气门开启是在活塞运行到下止点前 30°~80°，此时气缸内废气压力较高，约为 0.2~0.5MPa，气缸压力p与排气管压力pr之比 大于临界值1.9。排气流动处于超临界状态，流 速为当地声速c（m/s）
∆pa = λ
Байду номын сангаас
ρv 2
2
式中，λ为管道阻力系数；ρ为进气状态下气体的密度；v为管道 内气体流速。 △pa主要取决于各段管道阻力系数λ和气体流速v 。
汽油机是靠改变节气门开度调节进入气缸的混合气量来调节汽油机 负荷。 1）当节气门位置一定时，n增加，气体流速增加， △Pa显著加大 （呈平方关系），使Pa迅速下降。 2）节气门开度减小时， Pa降低。节气门开度越小， Pa随n提高而 下降的越快（如下图）。 负荷变化时，汽油机和柴油机的Pa变化不同，柴油机Pa几乎不随负 荷变化，而汽油机变化显著，这也就决定了ηv的变化趋势。
可燃混合气成分与汽油机性能的关系
第一节 四冲程发动机的换气过程
换气过程 四冲程发动机配气机构均采用气门换气方式，其换气过程包括从 上一循环排气门开启到下一循环进气门关闭的整个时期。 运转时，要在短时间内使排气干净、进气充足是比较困难的。为 了增加气门开启时间，充分利用气流的流动惯性，减少换气过程的损 失，从而改善换气过程，进排气门一般都是提前开启、延迟关闭。 整个换气过程超过两个行程，占410°~490°曲轴转角（简称 CA）。
2．进气终了温度Ta的影响 Ta越高，充入气缸的工质密度越小，ηv值越低。 引起Ta升高的原因是: 1）新鲜工质进入发动机与高温零件接触而被加热；新鲜工质与高温 残余废气混合而被加热。 2）对汽油机来说，为了便于液体燃料蒸发、混合，常利用排气歧管 或冷却水的热量加热新鲜充量，故进气终了温度升高。为了降低进气终 了温度，柴油机的进、排气道和进、排气歧管置于气缸盖两侧，控制进 气预热；适当加大气门重叠角，也有利于Ta的降低。 3）转速n和负荷都对Ta有影响，在负荷不变时，转速n越高，工质被 加热的时间缩短，Ta降低。在转速n不变时，负荷加大，缸壁温度升高， Ta提高。
因此，排气门是在活塞过了上止点后才关闭，从上止点到排气门完全关闭 这段曲轴转角称为排气迟闭角。一般排气迟闭角为10°~35°曲轴转角。
进气阶段
准备进气阶段 从进气门开启到活塞行至上止点这个时期，称为准备进气 阶段，相应曲轴转过的角度称为进气提前角。 由于进气提前角较小，相应开启的通道截面也小，加之缸 内残余废气压力高于大气压力，在此阶段新鲜气体一般不会进 入气缸。
汽车发动机原理
第三章 发动机的换气过程
发 动 机 的 换 气 过 程
思考
自由排气阶段 排气过程 强制排气阶段 惯性排气阶段 准备进气阶段 进气过程 正常进气阶段 惯性进气阶段
换气过程进行的好坏对发动机哪些性能有影响？
本章重点介绍： 1）四冲程发动机的换气过程 2）四冲程内燃机的充气效率及影响充气效率的 因素。 3）提高充气效率的措施。
4.配气相位的影响 进气迟闭角对进气终了压力影响最大。Pa会因为新鲜充气量的惯性 进气而增加。当发动机转速变化时，气流的惯性发生变化，但进气迟闭 角不变时，会使转速高时气流的惯性没有被利用；而转速低时，进气迟 闭角也不相应减少的话，会使气体造成倒流，从而影响进气压力与发动 机的正常工作。 选择适当的配气相位，可获得较高的充气系数。以ξ Pa具有最大值 为宜。 5.压缩比的影响 提高压缩比，使气缸余隙减小，残余废气量减少，从而提高ŋv。
上止点
下止点
配气相位
进、排气门的实际开、闭时刻和持续时间，称为配气相位， 通常用曲轴转角（CA）表示。四冲程内燃机配气相位如下图所示。
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，称为气门 重叠，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。
在气门重叠开启期内，可利用气流压差和 惯性清除残余废气，增加新鲜充量。特别是增 压发动机，由于进气压力高和较长的气门重叠 时间，可以更好地利用新鲜充量来帮助清除废 气和降低燃烧室热区零件的温度，称为燃烧室 扫气。 非增压机气门叠开角一般为20°~80° （CA），增压机的一般为80°~140°（CA）
影响充气效率的因素
由上式可知，影响充气效率的因素有进气状态和进气终了状态的 气缸压力、温度、残余废气系数、压缩比及配气相位。 1．进气终了状态压力Pa的影响 Pa对 ηv有重要影响，Pa值愈高， v 值愈大 η Pa=Ps－△Pa 式中，△pa为大气流动时，克服进气系统阻力而引起的压降。 这种流动阻力的一般公式为：
ηv 高，代表每循环进入气缸的新鲜充量多，则发动机的功率Pe、
影响充气效率的因素及其分析
充气效率 ηv的表达式
ε Ts pa 1 ηv = ξ ε − 1 ps Ta γ + 1
式中 pa，Ta——进气终了时气体压力、温度； ps，Ts——进气状态时气体压力和温度； γ ——残余废气系数，即进气过程结束时，缸内 残余废气量与缸内新鲜充量的比值； ε ——压缩比。