内燃机学-周龙保-课件第四章_内燃机的换气过程

1.降低进气系统的流动阻力
图4-5 充量系数与平均进气马赫数的关系
1.降低进气系统的流动阻力
图4-6 不同进气门数的方案比较 I—进气门 E—排气门
1.降低进气系统的流动阻力
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1.降低进气系统的流动阻力
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2.采用可变配气系统技术
1) 低速时，采用较小的气门叠开角以及较小的气门升程，防止出现缸内新鲜 充量向进气系统的倒流，以增加低速转矩，提高燃油经济性。 2) 高速时应具有最大的气门升程和进气门迟闭角，以最大限度地减小流动阻 力，并充分利用过后充气，提高充量系数，满足发动机高速时动力性的要求。 3) 配合以上变化，进气门从开启到关闭的进气持续角也进行相应地调整，以 实现不同工况下最佳的气门正时，将泵气损失降到最低。
2.压气机中的能量转换
图4-18 离心式压气机的流量特性
3.离心式压气机的特性
1) 离心式压气机的特性曲线 在相同转速的条件下，压气机增压比πb和效率 ηb随压气机流量qmb的变化关系，称为压气机的流量特性，简称为压气机的特 性。 2) 压气机的喘振与堵塞 在图4-18中，还有一条压气机的喘振线，是压气机 稳定工作的边界。 3) 压气机的通用特性 压气机特性曲线中的参数，都是在一定的大气状态下 测得的。
3.合理利用进气谐振
图4-12 进气管对充量系数的影响 a) 进气管长度的影响 b) 进气管管径的影响
3.合理利用进气谐振
图4-13 可变进气系统及其对发动机性能的影响
4.降低排气系统的流动阻力
•降低排气系统阻力，可以使气缸内的残余废气压力下降，这样 不仅减小了残余废气系数，提高充量系数，而且可以减少泵气损 失，提高发动机的热效率。排气系统的设计原则是降低排气背 压，减小排气噪声。 •与进气系统一样，排气流通截面最小处是排气门座处，此处的 流速最高，压降最大，故在设计时应保证排气门处的良好流体动 力性能。排气道应当是渐扩型，以保证排出气体的充分膨胀。 •排气管也存在谐振现象，所希望的谐振效果是使排气门处的压 力降低，以利于排气。良好的歧管流型与结构也有助于降低排气 流动阻力，特别是对于高速多缸发动机，为避免排气压力波的互 相干涉，用多枝型排气管或多排气管结构来替代单排气管，可以 获得良好的低速转矩与充量系数。 •在排气管中往往还有消声器和排气后处理器(催化转化器)，设计 时应在保证良好的消声与降污效果的前提下，尽可能降低流动阻 力。
第四章 内燃机的换气过程 第一节 四冲程内燃机的换气过程 第二节 四冲程内燃机的换气损失 第三节 提高内燃机充量系数的措施 第四节 内燃机的增压 第五节 二冲程内燃机的换气
第一节 四冲程内燃机的换气过程 一、排气过程 二、进气过程 三、气门叠开和燃烧室扫气过程
第一节 四冲程内燃机的换气过程
图4-1 四冲程内燃机换气过程的示意图 a) 配气相位与低压p-V示功图 b) 气门升程与p-φ示功图 IVO—进气门开启角 IVC—进气门关闭角 EVO—排气门 开启角 EVC—排气门关闭角 —余隙容积 —气缸工作容积
第二节 四冲程内燃机的换气损失 一、排气损失 二、进气损失 三、泵气功与泵气损失
第二节 四冲程内燃机的换气损失
图4-2 四冲程内燃机的换气损失示意图 a) 自然吸气内燃机理论换气过程 b) 自然吸气内燃机实际换气过程 c) 增压内燃机理论换气过程 d) 增压内燃机实际换气过程 W—膨胀损失 X—推出损失 Y—吸气损失
3.发动机增压技术的优势与代价
代价 1) 增压后缸内工作压力和温度明显提高，机械负荷及热负荷加大，内燃机的 可靠性和耐久性受到考验。 2) 低速时由于排气能量不足，可能会使发动机的低速转矩受到一定影响，对 工程机械和车用造成不利影响。 3) 由于在涡轮增压器中，从排气能量的变化到新的进气压力的建立需要一定 的时间，所以内燃机的加速响应性能较自然吸气机型差。 4) 增压发动机性能的进一步优化，受到增压器及中冷器的限制，其中增压器 的问题集中在材料的机械强度、耐热性能、润滑、效率等方面，而对中冷器 的要求是体积小、质量轻、效率高。
一、排气损失
图4-3 排气提前角和转速对排气损失的影响 a) 转速不变时排气提前角的影响 b) 排气提前角不变时转速的影响
二、进气损失
图4-4 换气损失随内燃机转速的变化
三、泵气功与泵气损失
泵气功是指缸内气体对活塞在强制排气行程和吸气行程所做 的功，泵气损失则是指与理论循环相比，发动机的活塞在泵 气过程所造成的功的损失［2］。从图4-2可以看出，对于自 然吸气发动机，它的泵气功的大小可用图中面积Y+X表示， 对整个循环来说为负功，泵气损失在数值上等于它的泵气功。 对于增压发动机，由于进气压力高于排气背压，因此它的泵 气功大于零，其泵气损失依然可以用图中面积X+Y来表示， 其值为负。
优势 1) 增压器的质量与尺寸相对发动机而言都很小，增压可以使发动机在总质量 和体积基本不变的条件下，输出功率得到大幅度的提高，升功率、比质量功 率和比体积功率都有较大增加，因而可以降低单位功率的造价，提高材料的 利用率，对于大型柴油机而言，经济效益更加突出。 2) 与自然吸气内燃机相比，排气可以在涡轮中得到进一步膨胀，因而排气噪 声有所降低。 3) 内燃机增压后有利于高原稀薄空气条件下恢复功率，使之达到或接近平原 性能。 4) 柴油机增压后，缸内温度和压力水平提高，可以使滞燃期缩短，有利于降 低压力升高率和燃烧噪声。 5) 增压柴油机一般采用较大的过量空气系数，HC、CO和碳烟排放降低。 6) 技术适用性广，适用于从低速到高速的二冲程和四冲程的各种缸径的发动 机。
(1)机械增压 发动机输出轴直接驱动机械增压装置 (如螺杆式、离心式、滑片式、 涡旋式、转子活塞式等压缩机 )，实现对进气的压缩。
(2)排气涡轮增压
图4-14 内燃机增压的几种基本形式 a)机械增压 b)一级涡轮增压 c) 二级涡轮增压 d)复合增压 E—发动机 C—压气机 T—涡轮机
3.发动机增压技术的优势与代价
第三节 提高内燃机充量系数的措施 一、四冲程内燃机的充量系数 二、提高充量系数的技术措施
一、四冲程内燃机的充量系数
1) 降低进气系统的阻力损失，提高气缸内进气终了压力pa。 2) 降低排气系统的阻力损失，减小缸内的残余废气系数ϕr。 3) 减少高温零件在进气过程中对新鲜充量的加热，以降低进气终了时的充量 温 4) 合理的配气正时和气门升程规律，在减小mr的同时增加m1，即增加pa，减 小ϕr。
二、提高充量系数的技术措施
1.降低进气系统的流动阻力 2.采用可变配气系统技术 3.合理利用进气谐振 4.降低排气系统的流动阻力 5.减少对进气充量的加热
1.降低进气系统的流动阻力
虽然充量系数的表达式中不直接反映进气流动过程，但所有损 失恰恰是由于流动造成的。按进气系统流动阻力的性质可分为 两类，一类是沿程阻力，即管道摩擦阻力，它与流速、管长、 管壁表面质量等有关；另一类是局部阻力，它是由于流通截面 的大小、形状以及流动方向的变化造成局部产生涡流所引起的 损失。在内燃机进气流动中，由于进气的管道粗短，壁面比较 光滑，其沿程阻力并不大，进气流动的局部阻力损失是主要损 失，是一系列不同的局部阻力叠加而成，尤其是在空气滤清器、 流道转弯处和进气门座圈处，因此，降低这些部位的局部阻力 损失，对降低进气系统的流动阻力，提高充量系数有显著的作 用。
二、进气过程
从进气门开启到关闭，内燃机吸入新鲜充量的整 个过程称为进气过程。为了增加进入气缸的新鲜 充量，进气门在吸气上止点前要提前开启，在吸 气下止点后应推迟关闭。进气门提前开启的角度 称为进气提前角，一般在上止点前10°～40°(CA) 之间。
三、气门叠开和燃烧室扫气过程
四冲程内燃机换气过程还存在一个特殊的阶段： 在进排气上止点前后，由于进气门的提前开启与 排气门的延迟关闭，使内燃机从进气门开启到排 气门关闭这段曲轴转角内，出现进排气门同时开 启的状态，这一现象称为气门叠开。气门叠开所 对应的曲轴转角叫气门叠开角，等于排气迟闭角 与进气提前角之和。内燃机的形式不同，对气门 叠开角大小的要求也有所差异。
二、涡轮增压器的工作特性
(一) 离心式压气机的工作特性 (二) 径流式涡轮机的工作原理
二、涡轮增压器的工作特性
图4-15 径流式涡轮增压器结构图 1—压气机蜗壳 2—压气机叶轮 3—推力轴承 4—压气机端密封座 5—挡油板 6—中间壳体 7—浮动轴承 8—涡轮叶轮 9—涡轮蜗壳
(一) 离心式压气机的工作特性
5.减少对进气充量的加热
在进气过程中，进入气缸的新鲜充量不可避免地 被各种高温表面加热，从而导致温度升高，使缸 内进气密度下降，充量系数减小。进气温升主要 受发动机的结构与运行参数的影响，如进气管结 构、发动机转速、负荷、冷却水温度及冷却水道 设计等。为提高充量系数，应尽量减少对进气的 加热。
第四节 内燃机的增压 一、内燃机增压技术概述 二、涡轮增压器的工作特性 三、排气涡轮增压系统简介 四、涡轮增压器与内燃机的匹配 五、汽油机的增压技术 六、机械增压
图4-19 压气机损失分析图
图4-20 压气机的通用特性曲线
(二) 径流式涡轮机的工作原理
1.排气在径流式涡轮机中的流动 2.涡轮中的能量转换 3.涡轮机特性曲线
(二) 径流式涡轮机的工作原理
图4-21 径流式涡轮机的工作简图 1—进气蜗壳 2—喷嘴环 3—工作轮 4—出气道
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1.排气在径流式涡轮机中的流动
一、排气过程
由于受配气机构及其运动规律的限制，排气门不 可能瞬时完全打开。在排气门开启的最初一段时 间(曲轴转角)内，气门升程小，排气流通截面积 小，废气排出的流量小。如果排气门刚好在膨胀 行程的下止点才开始打开，则由于排气不畅造成 气缸压力下降迟缓，活塞在向上止点运动强制排 气时，将增加排气冲程所消耗的活塞推出功。所 以内燃机的排气门都在膨胀行程到达下止点前的 某一曲轴转角位置提前开启，这一角度称为排气 提前角。排气提前角的范围为30°～80°(CA)，视 发动机的工作方式、转速、增压与否而定，一般 汽油机的排气提前角小些，柴油机的大些，增压 柴油机的更大一些。
一、内燃机增压技术概述
1.内燃机的增压方式 2.增压对内燃机动力性和经济性的影响 3.发动机增压技术的优势与代价
1.内燃机的增压方式
(1)机械增压 发动机输出轴直接驱动机械增压装置 (如螺杆式、离心式、滑片 式、涡旋式、转子活塞式等压缩机)，实现对进气的压缩。 (2)排气涡轮增压 压气机与涡轮同轴相连，构成涡轮增压器，涡轮在排气能 量的推动下旋转，带动压气机工作，实现对进气增压。
径流式涡轮机主要是由进气蜗壳1、喷嘴环2、工 作轮3以及出气道4等组成，如图4-21所示。涡轮 机的工作原理与压气机正好相反，内燃机排气由 进气蜗壳1流入喷嘴环2，喷嘴环是由周向均匀安 装、带有一定倾角的多个叶片组成，叶片之间形 成渐缩通道，内燃机高温排气流过喷嘴环时被加 速，压力、温度下降，速度大大增加，一部分排 气能量转化为气流的动能。部分小型涡轮常设计 为无叶喷嘴环结构。
2.采用可变配气系统技术
图4-9 发动机转速和进气 迟闭角对充量系数的影响
图4-10 气门正时和升程变化示意图 a) 固定的气门正时和气门升程 b) 气门正时不变，气门升程可变 c) 气门正时可变，气门升程不变 d) 气门正时和气门升程均可变
图4-11 三段式凸轮可变配气系 统i-VTEC发动机的外特性
1.离心式压气机的工作过程 2.压气机中的能量转换 3.离心式压气机的特性
1.离心式压气机的工作过程
图4-16 离心式压气机工作过程简图 a) 离心式压气机简图 b) 空气沿压气机通道的参数变化 1—进气道 2—工作轮 3—扩压器 4—蜗壳
2.压气机中的能量转换
图4-17 压气机和涡轮机前后气体状态焓熵图 a) 压气机中的焓熵变化 b) 涡轮中的焓熵变化
2.涡轮中的能量转换
与压气机相反，涡轮机将排气能量通过喷嘴部分 转化为动能，并在叶轮中进一步膨胀，推动涡轮 叶片旋转，从而将排气能量转化为机械功