第四章__柴油机的换气与增压
4.柴油机的换气与增压(9-26)
4．柴油机的换气与增压定义：这个工质更换的过程称为换气过程，它指的是柴油机从开始排气、扫气到进气结束的整个气体更换过程。
换气过程进行完善，压缩过程开始时残留废气量少，存留在气缸中的新鲜空气量多，就为燃油的完全、及时燃烧创造了良好条件。
燃油的完全而及时的燃烧，不但使柴油机发出更大功率，提高其动力性；使柴油机有高的热效率，提高其经济性；而且，完全而及时的燃烧还意味着减少结炭和较低的循环平均温度，从而提高其可靠性；减少排气污染也必须有好的换气质量。
因此，换气质量的好坏是柴油机工作优劣的先决条件。
作用：更换工质，为下一循环燃油的燃烧创造必要条件。
要求：废气从气缸内排除得愈干净愈好，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。
1．二冲程柴油机的换气形式在二冲程柴油机中，不同的换气形式对换气质量以至对柴油机性能有重要影响。
至今已出现多种换气形式。
根据气流在气缸中的流动路线，二冲程柴油机的换气形式可分为弯流与直流两大类。
每一大类中又有不同的换气形式，即： 横流（图1-2-4）回流（MAN 低速机）弯流 排气口有阀控制半回流（Sulzer 低速机）简单半回流排气阀—扫气口式（B&W 、三菱及Sulzer RTA ）直流排气口—扫气口式1．弯流扫气扫、排气口布置于气缸下端，扫气空气由下而上，然后由上而下地清扫废气。
横流扫气的船舶主机已淘汰多年，目前仍有半回流和回流两种。
1）半回流（新横流）扫气Sulzer 公司大型柴油机的传统形式。
进气口布置在排气口同侧的下方及两侧。
如图1-2-6所示。
其气缸盖结构较简单，不用设排气阀。
扫气口在纵向（与气缸轴向成角度）和横向（与气缸径向成角度）两个方向均有倾斜角，使扫气空气进入气缸后有向上和绕气缸轴线旋转的运动。
活塞顶的形状也有引导扫气空气向上的作用。
这样可控制气流方向，防止进气直接流向排气口，减少新、废气掺混，提高换气效率；避免死角，减少残留废气，提高换气质量。
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。
第四章__柴油机的换气与增压
• 1、换气过程
• 1）自由排气阶段 • 2）扫气阶段 • 3）过后排气阶段 • 2、特点 • 1）时间短； • 2）掺混严重；
§4-1
柴油机的换气过程
•三、二冲程柴油机的换气形式
•1、弯流扫气 • 1）横流扫气：扫气口与排气口位于气缸中心线
的两侧。 • 2）回流扫气：扫气口与排气口位于气缸下部同 一侧且排气口在扫气口上方。 • 3）半回流扫气：扫气口在排气口下方及两侧。
§4-2
• • • • •
换气机构
2、气阀间隙检查与调整： 气阀关闭（滚轮在基圆上） 3、气阀定时的检查与调整： 气阀间隙正确或为零 4、气阀与阀座的修铰与研磨
§4-3
废气涡轮增压
•一、柴油机增压概述
•1、柴油机增压的目的 •Pe∝iD2smnpe
pa pr 1 T0 C ( ) 1 Ta p0 p0
第四章 •柴油机的换气与增压
§4-1
柴油机的换气过程
• 换气过程——每完成一个工作循环，把废气排
出气缸，并把新鲜空气吸入气缸的工质更换的过程。
• 要求：①排气——干净——进气多
•
②进气——多——烧的油多、作功能力 大；燃烧完全，经济性好，排放性好；热负荷低。 • ③空气消耗量小，耗功少。
• 每循环的最大供油量，完全取决于各 循环的充气量。
•3、影响充量系数（换气质量）的因素
•1）进排气道流动阻力的影响 •2）柴油机转速的影响 • n↑→流速↑→流动阻力↑→pa↓，pr↑→ Φc↓ • n↑→时面值↓ →G ↓ •3）柴油机负荷的影响 • Pe↑→气缸温度上升→Ta↑→ Φc↓ •4）气阀间隙的影响——时面值 •5）气阀定时的影响——时面值、工作紊乱
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
第四章柴油机换气、机构、增压(3-7节)
4、提高柴油机的转速n
5、提高平均有效压力pe 平均有效压力pe=pi·ηm 要求增加进入气缸的空气量
增压的实际意义就是用提高进气压力的方法增加气缸 的充气量，以保证燃烧更多的燃油，从而提高柴油机的功 率。
根据驱动增压器所用能量来源的不同，增压方法基本 可分为三种型式，即：机械增压、废气涡轮增压和复合增 压。
4）起动和低负荷运转性能差，所以，必须增设电动鼓风 机以便在低负荷和起动时使用。
2、压器供气显著下 降，而辅助增压泵 的供气量远远不足， 故柴油机在低负荷 时的工作性能差。 必须附设电动鼓风 机以便在起动和低 负荷时使用。
近代船用低速柴油机增压系统 的基本趋势是：采用定压单独增压 系统，附设电动鼓风机以备起动与 低负荷时使用。
2．脉冲涡轮增压 在增压 压力较低时， 脉冲动能E1 所占比例增 大，此时采 用脉冲增压 可使废气能 量可得到更 充分的利用。
脉冲涡轮增压的特点是各缸的排气管必须进行分组。 分组的原则是：同组排气管所连各缸的扫排气时期不相 重叠（或重叠较小）。 二冲程柴油机： 扫排气延续时间为120°曲轴转角 处在同一组的最多允许缸数i＝360°／120°=3 四冲程柴油机： 排气延续时间约为240°曲轴转角 处于同一组的最多允许缸数I=720°／240°＝3 二冲程六缸柴油机，发火顺序为1－6－2－4一3－5； 四冲程六缸柴油机，发火顺序为1－5－3－6一2－4；
1．机械增压
只适于增压压力pk ＜（0.15～0. 17） MPa的低增压柴油 机。
2．废气涡轮增压
3．复合增压
两级增压两级中冷
总的增压 压力达到0.4～ 0.5MPa
二、 废 气 能 量 分 析
三、废气涡轮增压的两种基本方式
1．等压涡轮增压系统
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。
柴油机的换气与增压课件
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。
热力发动机原理-换气过程
4.无泵气损失， 4.无泵气损失，但机械效率较低 无泵气损失 二冲程内燃机因无单独的进排气行程，泵气损失为零。 但空气耗量大，扫气泵耗功多，其机械效率一般比四冲程内 燃机的低，燃料消耗率较高，但增压后，二冲程内燃机的燃 料消耗率可接近或略高于四冲程内燃机的燃料消耗率。 5.采用纯燃气涡轮增压较困难 5.采用纯燃气涡轮增压较困难 由于二冲程内燃机的扫气空气耗量较大，新鲜充量部分渗 入燃气，使涡轮增压器前的排气温度降低，排气可用能下降， 所以涡轮增压二冲程内燃机的排气能量平衡问题比四冲程内 燃机更难解决，特别在启动、低负荷时这一矛盾更为突出。 二冲程内燃机一般采用辅助扫气泵、活塞底泵或机械增压器 与燃气涡轮增压器联合供气的办法来解决这一矛盾。
一般大功率四程机的空气耗量为6.8～7.6kg/(kW·h)，二程 柴油机则为10.2～11.5kg/(kW·h)。在 功率大体相同时，二冲程 内燃机匹配的涡轮增压器比四冲程内燃机的大。 2. 换气质量较差，残余燃气系数较大，排气压力波动强烈 换气质量较差，残余燃气系数较大， 四冲程内燃机的进、排气过程在两个不同的活塞行程内进 行，新鲜空气与燃气掺混的机会较少。二冲程内燃机换气时活 塞在下止点附近，进、排气过程同时进行，新鲜空气与燃气易 于掺混，换气质量较差，残余燃气系数比较大。二冲程内燃机 气口开闭由活塞控制，启闭速度比气门快，排气开始时缸内压 力比四冲程内燃机的高，因此，排气压力波动现象较四冲程内 燃机强烈，进排气系统对换气的影响较四冲程内燃机的大。
气口气门直流扫气
气口气口直流扫气
1）气口气门直流扫气 ） 如图所示，它的优点是：扫、排气相互混合较少，故扫气 效率高；由于它是非对称扫气，故可进行补充充气；扫气口可 布置在缸套的全周上，这可使气口高度减小，减少失效行程。 这种扫气方式是最好的，低速、中速、高速内燃机上均有采用。 由于扫气效果好，气缸新鲜充量多，便于增压，目前，广泛应 用于加长行程的低速机型上。缺点是结构较复杂，四冲程内燃 机中气门机构基本保留，尚需加扫气泵，排气门尺寸大，这对 高速化不利，解决的办法是采用多个排气门减小排气门尺寸， 但这会使气门机构变复杂。 2） 气口气口直流扫气 一般在对顶活塞式内燃机中采用气口气口直流扫气方式， 每个气缸有上下两个相对运动的活塞，扫气口的启闭由下活塞 控制，排气口的启闭由上活塞控制。扫排气口各占气缸一端，
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。
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
船舶柴油机换气与增压系统
进气冲程
亚临界
2.气阀叠开和 燃烧室扫气
2
气缸压力 1 排气管内的压力 下止点 上止点
气阀重叠
下止点
三、二冲程柴油机换气过程
• 1.二冲程机换气特点：
• （1）用于换新鲜 空气驱赶废气的方式，进、排同时进行。 • （3）扫气所需气体压差较大，所消耗的功及 空气耗量较大。 • （4）气缸容积不能充分利用。
• 1.离心式压气机的基本工作原理
• 2.单级轴流式涡轮机的基本 工作原理：
三、离心式压气机的工作特性及 喘振机理
当压气机工况变化时,在不同转速下 压气机的排出压力和效率随空气流量的 变化规律被称为离心式压气机的特性。 表示这种特性的曲线叫压气机的特性曲 线。
喘振：是由于流量小于设计值很多时叶轮 进口和扩压器叶片内产生强烈的气流分 离引起的震动。
• 分组原则：
3.两种增压方式的比较
• （1）废气能量的利用。 • （2）涡轮的工作性能。 • （3）增压系统的布置。 • （4）管理上的要求。 • （5）柴油机的加速性能及低负荷性 能。
四、其它增压形式
• 1.脉冲转换增压：
• 排气支管和废气涡轮之间设脉冲转换器，即有 效的利用脉冲能，又能使涡轮的进气压力稳定 和流量连续，可提高涡轮效率。
2
1 Vb
ƒ
ƒ
四冲程等压涡轮柴油机废气能量
三、废气涡轮增压的两种形式
• 1.定压涡轮增压：
• 特点：排气支管连接到一根总管上，涡轮前 排气管压力基本上是恒定的，只利用了废气 的定压能，而脉冲能基本都损失掉了。
• 2.脉冲涡轮增压：
• 特点：排气管经过分组直接与涡轮相连，排 气管细而短，涡轮前的压力是波动的，它利 用了脉冲能并能较好的利用定压能。
第04章柴油机的换气与增压
•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。
第四章柴油机的换气与增压 (1)
第四章柴油机的换气与增压1287 柴油机换气过程是指_______。
A．排气行程B．进气行程C．进、排气行程D．进、排气过程1288*二冲程柴油机换气过程中，当活塞将扫气口关闭到排气口关闭，这一阶段时间称为_______。
A．自由排气阶段B．过后排气阶段C．强制排气与扫气阶段D．超临界排气阶段1289*二冲程柴油机在换气过程中，活塞将扫气口打开到扫气口关闭，这一阶段称为_______。
A．自由排气阶段B．过后排气阶段C．强制排气与扫气阶段D．超临界排气阶段1290*从提高换气质量要求，应力求缩短的换气阶段是_______。
A．过后排气阶段B．自由排气阶段C．扫气阶段D．强制排气阶段1291*二冲程柴油机换气过程第互阶段是自由排气阶段，它是从_______。
A．排气口（阀）打开到扫气口打开B．排气口（阀）打开到缸内压力等于临界压力C．排气口（阀）打开到缸内压力等于扫气压力D．排气口（阀）打开到缸内开始进新气1292*二冲程柴油机换气过程第Ⅱ阶段是强制排气与扫气阶段，它是从_______。
A．缸内压力等于扫气压力到扫气口关闭B．缸内出现最低压力到扫气口关闭C．活塞将扫气口打开到扫气口关闭D．开始进入新鲜空气到扫气口关闭1293 换气过程的自由排气阶段中，废气的排出主要靠_______。
A．气体流动惯性B．气缸内外压力差C．活塞上行的推挤作用D．新鲜空气驱赶1294 由二冲程柴油机换气过程可知，当扫气口打开瞬时缸内压力_______。
A．略高于扫气压力B．等于扫气压力C．略低于扫气压力D．A和B都可能1295 二冲程柴油机的换气过程是从_______。
A．扫气口开到扫气口关的过程B．扫气口开到排气（阀）关的过程C．排气口（阀）开到排气口（阀）关的过程D．排气口（阀）开到扫气口关的过程1296 二冲程直流扫气式柴油机在缸套扫气口上有纵横两个方向的倾斜角度，其目的是_______。
A．增加缸套强度B．提高扫气速度C．有利于气缸冷却D．形成气垫，改善扫气效果1297 二冲程气口气阀式直流扫气柴油机，其气口、气阀时面值形态曲线分布状态是_______。
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§4-1 柴油机的换气过程 三、二冲程柴油机的换气形式
1、弯流扫气
1）横流扫气：扫气口与排气口位于气缸中心线的两侧。
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2）回流扫气：扫气口与排气口位于气缸下部同一侧且排气口在扫气口上方。 3）半回流扫气：扫气口在排气口下方及两侧。
特点：扫气流动路线长（2S）、新气与废气易掺混、死角、气流短路， 特点：
G = ω ∫ f ⋅dt
∫ f ⋅dt — 时面值
结构不变，n↑→时面值↓→换气质量↓ 结构不变，
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§4-1 柴油机的换气过程
五、评定换气过程质量的参数
1、残余废气系数
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——换气过程结束时，气缸内残存的废气量与充入气缸的新鲜空气量之比。 γr=Gr/G0
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§4-1 柴油机的换气过程
1、排气过程
自由排气——压差 强制排气——推动功 过后排气——惯性
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2、进气过程
准备进气阶段——创造压差、开度条件 主要进气阶段——压差 补充进气阶段——惯性
循环进气量对应于气缸工作容积Vs
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每循环的最大供油量，完全取决于各循环的充气量。 每循环的最大供油量，完全取决于各循环的充气量。
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§4-1 柴油机的换气过程
一、四冲程柴油机的换气过程
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柴油机的气口沿水平和垂直方向均有倾斜角以控制气流方向。 柴油机的气口沿水平和垂直方向均有倾斜角以控制气流方向。
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§4-1 柴油机的换气过程 四、时面图和时面值
设通路流通面积为，则在时间微元内，流过通路的气体数量为：
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dG=ωfdt
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第四章 柴油机的换气与增压
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§4-1 柴油机的换气过程
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换气过程——每完成一个工作循环，把废气排出气缸，并把新鲜空气
吸入气缸的工质更换的过程。
要求：①排气——干净——进气多 要求：
②进气——多——烧的油多、作功能力大；燃烧完全，经济性 好，排放性好；热负荷低。 ③空气消耗量小，耗功少。
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§4-1 柴油机的换气过程 二、二冲程柴油机的换气过程
1、换气过程
1）自由排气阶段 2）扫气阶段 3）过后排气阶段
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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。
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换气质量差；气缸下部受热不均易变形；结构简单、管理方便。
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§4-1 柴油机的换气过程
2、直流扫气
气口－气阀式、气口－气口式
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特点：气流流动路线短、不易掺混，质量好；气缸下部受热均匀；机构复杂，管 特点：
理不便；易于长行程（S/D＞2.5）和超长行程（S/D＞3）柴油机。
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§4-2 换气机构
反之亦反。
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阀面锥角——气阀锥面与底面的夹角。锥角大，对中好，密封好，但磨损严重； 阀线——气阀阀盘与阀座相接触的很窄的一圈接触线。阀线宽度应适当，过窄则 密封虽好，但磨损严重，连续且位置正确。连续、宽度、位置。 连续、宽度、位置。
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§4-2 换气机构
气阀旋转机构
旋转帽式旋阀器 推进器式旋阀器
在气缸内的新鲜空气量之比。
给气比β——每循环通过扫气口的新鲜空气量与在进气状态下充满气缸工作容积
的理论空气量之比。
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§4-2 换气机构
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换气机构——保证柴油机按规定顺序和时刻完成柴油机的进、排气过程
的机构。
型式： 气阀式换气机构 型式：
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§4-1 柴油机的换气过程
4、扫气效率、扫气系数和给气比 扫气效率、
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扫气效率ηs——换气过程结束后，气缸内的新鲜空气量与气缸内总气量之比。 扫气系数Φs——在一个循环中通过扫气口的全部扫气空气量与换气过程结束后留
3、影响充量系数（换气质量）的因素 影响充量系数（换气质量）
1）进排气道流动阻力的影响 2）柴油机转速的影响 n↑→流速↑→流动阻力↑→pa↓，pr↑→ Φc↓ n↑→时面值↓ →G ↓ 3）柴油机负荷的影响 Pe↑→气缸温度上升→Ta↑→ Φc↓ 4）气阀间隙的影响——时面值 5）气阀定时的影响——时面值、工作紊乱
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§4-1 柴油机的换气过程
3、 气阀重叠和燃烧室扫气
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气阀重叠角——进排气上止点前后，进排气阀同时开启的现象。排气滞后角与
进气提前角之和。
扫气作用：
1）使排气更干净； 2）降低热负荷。
重叠角高速机大于低速机，增压机大于非增压机。
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2、充量系数
——每以循环进入气缸的实际充气量与在进气状态下充满气缸工作容积的 理论空气量之比。 ηV=G0/Gs＜1
pa pr 1 T0 ηV = (ε − ) ε − 1 Ta p0 p0
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§4-1 柴油机的换气过程
气口式换气机构 气口－气阀式换气机构
气阀式换气机构： 气阀式换气机构：
气阀机构 气阀传动机构 凸轮及凸轮轴 凸轮轴传动机构
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§4-2 换气机构 一、气阀机构
1、型式
带阀壳式 不带阀壳式
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2、组成
（阀壳）、气阀、 阀座、导管、气阀 弹簧、弹簧衬盘、 卡块、卡簧和转阀 机构。