内燃机学-周龙保-课件第四章_内燃机的换气过程
内燃机学 第四章
ηmk ηm0
p mmk 1 p mik p mm0 1 p mi0
将pmmk≈pmm0以及定义式 pmm0=pmi0(1-ηm0)代入后
φck Tb 0.25 φc0 T0
2、增压内燃机性能的估算
– 降低进气门处的流动损失，
1. 降低进气门处的流动损失 – 进气门座处的流通截面， 是进气流道中截面最小、 流速最高的地方，该处的 局部阻力最大，与阻力系 数ξ有关和该处的流动速 度vs的平方成正比，即
可以从降低气门座处的流 速和改善气门座处的流动 情况以提高流量系数入手 解决。过高的气体流速， 会发生气体阻塞现象。 – 定义平均进气马赫数Ma 2 D Cm vs Ma d μ c cs s sm s
排气提前角 90 75 P/MPa 40 P/MPa 60 n = 3400rpm 3200 2800 2400 2000
上止点Βιβλιοθήκη 下止点活塞行程活塞行程
平均排气损失压力
平均进气损失压力 n
六、充量系数分析式
– 进气门关闭时（以下标a表
七、提高充量系数的措施
– 在发动机的结构确定的前
示）缸内气体的总质量为 ma ＝ m1 + mr ＝(1 + φr)m1
– 经济性能指标（有效燃油
的过量空气系数保持不变的情 况下，有
消耗率）
1 be ηit ηm
Pek ρsk ηitk φck ηmk Pe0 ρs0 ηit0 φc0 ηm0 b ek ηit0 ηm0 b e0 ηitk ηmk
下表“0”和“k”分别表示增压前 后的参数
内燃机的换气过程教学课件
Fvte－进气门有效时间截面值。
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Maim
Vsv
aFvte
Vsv
aFvtm
2 1
6n
6 20
式中， Fvte－进气门有效时间截面值；
Fvtm－平均有效时间截面值；
φ1、φ2－进、排气门开启和关闭时刻， 对应的曲轴转角。
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说明：
1）平均进气马赫数考虑了进气过程的主要影响 因素，是表示进气流动的特征参数。
谐振充气系统是将 一组点火间隔相等的气缸， 通过较短的进气管和谐振 箱连接在一起，在进气波 动的频率和进气系统固有 频率相等时，取得较好的 充气效果。
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注意：
1）为了保证各缸的进气不发生干扰，谐振充气 系统一般要求气缸的点火间隔为240°CA。
2）对于不可变进气系统，谐振充气只有在很窄 的转速范围内才有较好的充气效果；对于可变进 气系统，谐振充气可在较大的转速范围内具有较 好的充气效果。
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❖ W－自由排气损失，是排气门提前开启而引
起的膨胀功的减少；
❖ X－强制排气损失，是活塞把燃气推出气缸
所消耗的功。
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2、进气损失
进气过程中缸内气体的压力低于进气管内气 体的压力，损失的功相当于Y所表示的面积，称 为进气损失。
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（二）泵气功
四冲程内燃机，在进气行程和排气行程中缸 内气体对活塞做功的代数和就称为泵气功。
常用平均泵气压力表示泵气功的大小，其定 义为：
pp
Wp Vs
6 3
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内燃机学周龙保第三版期末考试知识点整理教学文案
内燃机学周龙保(第三版)期末考试知识点整理．《内燃机学》第二章《内燃机的工作指标》名词解释：1.示功图：指发动机气缸内工质压力P随气缸容积V（或曲轴转角φ）而变化的曲线。
2.指示性能指标：指工质对活塞做工为基础的指标。
1)动力性能指标：a)指示功Wi：指气缸内完成一个工作循环所得到的有用功（J）。
b)指示功率Pi：内燃机单位时间内所做的指示功称为指示功率。
c)平均指示压力Pmi：单位气缸容积所做的指示功(Pa)。
2)经济性能指标：a)指示热效率：发动机实际循环指示功与所消耗的燃料热量的比值。
b)指示燃油消耗率bi：单位指示功的耗油量。
【g/(kW*h)】3.有效性能指标：指曲轴输出的相关指标。
1)动力性能指标：a)有效功率Pe:发动机轴上所净输出的功率。
b)平均有效压力Pme：单位气缸工作容积所做的有效功。
c)升功率Pl：在标定工况下，发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率。
d)有效扭矩：曲轴的输出转矩。
2)经济性能指标：a)有效热效率：b)有效燃油消耗率：4.充量系数φc（容积效率）：每缸每循环吸入缸内的新鲜空气量与按进气系统前状态计算而得的理论充气量之比。
(75%-90%)5.过量空气系数φa:燃烧单位质量燃料的实际空气量与理论空气量之比。
6.压缩比：气体容积与燃烧室容积之比。
7.燃油消耗率：发动机每输出1kW*h的有效功所消耗的燃油量。
8.平均机械损失压力Pmm：发动机单位气缸工作容积一个循环所损失的功。
有效功率与指示功率之比。
:机械效率9.简答题：1.什么是发动机的机械损失？它由哪些损失组成？答：发动机曲轴输出的功或功率小于其气缸内气体膨胀所做的功或功率，两者之差称为发动机的机械损失。
1)活塞与活塞环的摩擦损失。
2)轴承与气门机构的摩擦损失。
3)驱动附属机构的功率损失。
4)风阻损失。
5)驱动扫气泵及增压器的损失。
2.机械损失测定的四种方法？动图法、倒拖法、灭缸法、油耗线法。
使用范围：1)倒拖法:只能用于配有电力测功器的情况，因而不适用于大功率发动机，而较适用于测定压缩比不高的汽油机的机械损失。
第四章 内燃机的换气过程
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换气过程可分为：排气、气门叠开、进气三个阶段。
一、排气过程1、排气门提前开启•原因分析•排气提前角：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。
•范围：30－80o CA2、排气门滞后关闭•原因分析•排气门迟闭角：排气门在上止点后关闭的角度•范围：10－70o CA3、排气阶段•自由排气阶段：从排气门打开到排气下止点这段曲轴转角内，缸内气体压力高于排气管内的排气背压，缸内气体一边对活塞做功，一边可以自动的排出缸外•强制排气阶段：从下止点到上止点的排气过程。
需要消耗发动机的有效功•排气流动性质：超临界排气、亚临界排气•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•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。
•进气提前角，10－40o CA•进气门迟闭角，20－60o CA•气门叠开：在进排气上止点前后，由于进气门的提前开启与排气门的迟后延闭，使内燃机从进气门开启到排气门关闭这段时间内，出现进排气门同时开启的状态，这一现象称为气门叠开。
•气门叠开角的大小：自然吸气，增压第二节四冲程内燃机的换气损失•一、换气损失：发动机实际的换气过程存在因为排气门早开所造成的膨胀功损失、活塞强制排气的推出功损失和缸内负压造成的吸气功损失等。
理论循环与实际循环的换气功之差称为换气损失。
•二、排气损失：从排气门提前开启到下止点这一时期，由于提前排气造成了缸内压力下降，使膨胀功减少，称为膨胀损失。
活塞由下止点向上止点的强制排气行程所消耗的功称为推出损失。
两者之和称为排气损失。
•减少排气损失：合理确定排气提前角，增加排气门数目，增加流通截面积。
•三、进气损失•与理论循环相比，内燃机在进气过程中所造成的功的减少称为进气损失。
•进气过程耗功，影响发动机的充量系数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•定义：内燃机每循环实际吸入气缸的新鲜充量与以进气管内状态充满气缸工作容积的理论充量之比。
目录(内燃机学)
第六章 内燃机的替代燃料 第一节 替代燃料概述 第二节 含氧燃料 第三节 合成油 第四节 气体替代燃料 第五节 替代燃料的生命周期分析
第七章 内燃机的燃料供给与调节 第一节 概述 第二节 柴油机燃料供给与调节系统 第三节 柴油机喷油泵结构参数的确定 第四节 柴油机喷油器的结构和参数 第五节 柴油机的异常喷射现象 第六节 柴油机的工况调节与调速器 第七节 柴油机燃料供给与调节系统 第八节 点燃式内燃机燃料供给系统 第九节 电控汽油喷射系统 第十节 气体燃料供给系统
第一章 概论 第一节 内燃机简史 第二节 中国内燃机工业发展简史 第三节 内燃机分类 第四机的工作指标 第一节 示功图与指示性能指标 第二节 有效性能指标 第三节 机械损失与机械效率 第四节 排放指标 第五节 提高内燃机动力性能与经济性能
第三章 内燃机的工作循环 第一节 内燃机的理论循环 第二节 内燃机的燃料及燃烧热化学 第三节 内燃机的实际循环 第四节 内燃机的热平衡 第五节 内燃机工作过程的热力学模型
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
第五章 内燃机混合气的形成 第一节 内燃机缸内的气体流动 第二节 点燃式内燃机的燃烧 第三节 点燃式内燃机的燃烧室 第四节 压燃式内燃机的燃烧 第五节 压燃式内燃机的燃烧室 第六节 均质充量压缩着火燃烧发动机
第八章 内燃机污染物的生成 第一节 概述 第二节 污染物的生成机理和影响因素 第三节 内燃机的排放控制 第四节 内燃机的排气后处理 第五节 排放法规 第六节 OBD技术简介
第九章 内燃机的使用特性与匹配 第一节 内燃机的工况 第二节 内燃机的负荷特性 第三节 内燃机的速度特性 第四节 内燃机的万有特性 第五节 内燃机的功率标定及大气校正 第六节 内燃机与工作机械的匹配
内燃机学周龙保（第三版）期末考试知识点整理教学文案
内燃机学周龙保（第三版）期末考试知识点整理教学文案内燃机学周龙保(第三版)期末考试知识点整理《内燃机学》第二章《内燃机的工作指标》名词解释：1.示功图：指发动机气缸内工质压力P随气缸容积V（或曲轴转角φ）而变化的曲线。
2.指示性能指标：指工质对活塞做工为基础的指标。
1)动力性能指标：a)指示功Wi：指气缸内完成一个工作循环所得到的有用功（J）。
b)指示功率Pi：内燃机单位时间内所做的指示功称为指示功率。
c)平均指示压力Pmi：单位气缸容积所做的指示功(Pa)。
2)经济性能指标：a)指示热效率：发动机实际循环指示功与所消耗的燃料热量的比值。
b)指示燃油消耗率bi：单位指示功的耗油量。
【g/(kW*h)】3.有效性能指标：指曲轴输出的相关指标。
1)动力性能指标：a)有效功率Pe:发动机轴上所净输出的功率。
b)平均有效压力Pme：单位气缸工作容积所做的有效功。
c)升功率Pl：在标定工况下，发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率。
d)有效扭矩：曲轴的输出转矩。
2)经济性能指标：a)有效热效率：b)有效燃油消耗率：4.充量系数φc（容积效率）：每缸每循环吸入缸内的新鲜空气量与按进气系统前状态计算而得的理论充气量之比。
(75%-90%)5.过量空气系数φa:燃烧单位质量燃料的实际空气量与理论空气量之比。
6.压缩比：气体容积与燃烧室容积之比。
7.燃油消耗率：发动机每输出1kW*h的有效功所消耗的燃油量。
8.平均机械损失压力Pmm：发动机单位气缸工作容积一个循环所损失的功。
9.机械效率:有效功率与指示功率之比。
简答题：1.什么是发动机的机械损失？它由哪些损失组成？答：发动机曲轴输出的功或功率小于其气缸内气体膨胀所做的功或功率，两者之差称为发动机的机械损失。
1)活塞与活塞环的摩擦损失。
2)轴承与气门机构的摩擦损失。
3)驱动附属机构的功率损失。
4)风阻损失。
5)驱动扫气泵及增压器的损失。
2.机械损失测定的四种方法？动图法、倒拖法、灭缸法、油耗线法。
第四章内燃机的换气过程
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 ϕ r。
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。
•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
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
重点：四冲程内燃机的换气过程与换气损失，内 燃机充量系数的概念，提高内燃机充量系数的措 施，分析增压对内燃机动力性和经济性的影响。 难点：涡轮增压器的工作特性，涡轮增压器与发 动机的匹配。
降低排气损失的主要方法: 合理确定排气提前角， 以有效地减少排气过程中的损失。多气门增加流通截 面积。
二、进气损失
与排气过程不同的是，进气损失不仅体观在 进气过程所消耗的功上，更重要的是体现在进气 过程中所吸人新鲜充量的多少上，因为前者对于 内燃机的热效率乃至功率影响不大，而后者对内 燃机性能有显著的影响。
一、排气过程
当发动机转速提高后，需要增大排气提前角。 原因：超临界排气阶段排出的废气量与转速无 关，当n增大后，发动机转过相同曲轴转角所需要 的时间减小。此时若不增大排气提前角，则发动 机超临界排气阶段的时间减小，导致气缸压力下 降慢，增加了下一阶段的排气功消耗。 超临界排气占得排气时间比例不大，但是由于废 气流速高，排出的废气量可达到60%以上，一般 可持续到下止点后10-30º （CA）
常用术语： BDC（下止点）：Bottom Dead Center TDC（上止点）：Top Dead Centr IVC（进气阀关闭）：Intake Valve Closes IVO（进气阀开）： Intake Valve Opens： EVC（排气阀关闭）：Exhaust Valve Close EVO（排气阀开）：Exhaust Valve Opens
二、进气过程
三、气门叠开和燃烧扫气过程
内燃机原理讲义ppt课件
Benz W12 (20/Y)
S195 (20W/Y)
动力性 经济性 排放
使用特性
160kW
197g/kWh（30L/h）
欧V(0.32kg/h) Nox， 2g/kW.h（标定点）
35W（价格）
10kW
250g/kWh（3L/h)
欧-5？(0.15kg/h) 15g/kWh 2.5K
内燃机原理讲义
• 目标：
– 希望大家能了解更多的发动机基本和前沿知识并成为大家的朋友
内燃机原理讲义
3
发动机基本流程
• 能量转换过程（实际）
燃料化学能
换气
空气
可燃混合气
燃烧
燃料
供油
气体热能
传热损失
高压
气体势能
飞轮机械能
压燃
点燃
传递
有效压缩比
相位 速率
机械损失
膨胀
活塞机械能
配气相位
废气能量损失
排气
内燃机原理讲义
4
讲授主线及分值分布
2200～2800
柴油机 4.5～9.0
1800～2200
增压柴9.0～14.0
1900～2100
④ 参数比较：
柴油机ε大 －>Pz↑ 汽油机混合气热值高、燃烧温度高－>Tz↑
内燃机原理讲义
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$1.2 膨胀过程（Z-B）
①作用：热向功转换。 ②特点：多变过程，比压缩过程更为复 杂，除有热交换和漏气损失外，还有补 燃等现象。 开始，有补燃对工质加热>向缸壁散热， 工质吸热 n2 k ； 某一瞬间工质达到 热平衡， n2 =k； 此后，由于工质向缸壁散热多，n2ˊ＞k。
• 提出发动机的性能指标（t、i、e）、工作循环历 程、各种指标的计算方法（一二章）20-25分；
四行程内燃机的换气过程ppt课件
完整版ppt课件
24
正气门重叠和负气门重叠 POSITIVE &NEGATIVE OVERLAP
正气门重叠(实线)
在上止点进气门和排气门同时开 启，有利于增加新鲜充量和进行 燃烧室扫气。
负气门重叠(虚线)
排气门在上止点前数十度曲轴转角
就提前关闭，使相当一部分废气不
能排出气缸而成为残余废气。进气
门打开的时间被推迟到上止点后直
14
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进气过程 INDUCTION PROCESS
（IVO 3
IVC） 4
IVOTDC 进气扫气 TDCBDC 吸 气 BDCIVC 过后进气
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一、进气过程 (INDUCTION)
定义
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。
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二、气门叠开角(OVERLAP PERIOD)
气门叠开所对应的曲轴转角。
气门叠开角的选择 80-140°
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完整版ppt课件
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三、扫气作用 (SCAVEGING)
有利于扫除缸内的残余废气，增加进入气缸 的新鲜充量。 可用新鲜充量降低燃烧室内气缸盖、排气门、 活塞顶、缸套的温度以及排气的温度。
亚临界流动阶段排气的流量不仅与排气门的有效流动截面有关，还 与缸内和排气管内气体的压差有关。
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二、排气提前角 (EXHAUST ADVANCING)
定义
排气门在膨胀冲程到达下止 点前的某一曲轴转角位置提前 开启的角度。
作用
增加排气流通面积（时面值or角面值）， 减少排气冲程所消耗的活塞推出功。
西安交大周龙保教授《内燃机学(第三版)》期末复习知识点整理
PL
pme n 1 i t H u 1 cm s n 30 30 a l0
2.
所以应是两部分面积相加。 平均指示压力平 pmi(单位：Pa/MPa)单位气缸容积一个循环做的指示功；平均不变 的力，作用在活塞顶，推动活塞移动一个行程所做的功等于 Wi；
一个工作循环的指示功 ； ：气缸工作容积 pmi 范围：四冲程增压柴油机： 0.9~2.6MPa；四冲程汽油机： 0.8~1.5MPa 3) 指示功率 Pi：单位时间内做的指示功；
3
2) 3) 4)
增大压力升高比 可以增加混合加热循环中等容部分的加热量， 是循环的最高温度 和压力增加，从而提高燃料热量的利用率，及循环热效率 。 增大初始膨胀比 ， 使等压部分加热量增加， 将导致混合加热循环热效率 的降低， ， 降低进 因为这部分热量是在活塞下行的膨胀过程中加入的，做功能力较低。 所有提高内燃机理论循环热效率的措施， 以及增加循环始点的进气压力 气温度 提高。
， 增加循环供油量(gb， 即循环加热量)等措施， 均有利于循环平均压力 的
循环 名称 等容 加热 等压 加热 混合 加热
循环热效率
循环平均压力
循环特点
加热过程在等容条件下迅速完成，热效 率仅与压缩比有关( 对应于汽油机) 加热过程在等压条件下完成，负荷的增 加(初始膨胀比 )使循环热效率下降
介于上述两者之间
，
4)
指示热效率
：指示功与所消耗的燃料热量的比值；
内燃机学周龙保(第三版)期末考试知识点整理
《内燃机学》第二章《内燃机的工作指标》名词解释：1.示功图：指发动机气缸内工质压力P随气缸容积V（或曲轴转角φ）而变化的曲线。
2.指示性能指标：指工质对活塞做工为基础的指标。
1)动力性能指标：a)指示功Wi：指气缸内完成一个工作循环所得到的有用功（J）。
b)指示功率Pi：内燃机单位时间内所做的指示功称为指示功率。
c)平均指示压力Pmi：单位气缸容积所做的指示功(Pa)。
2)经济性能指标：a)指示热效率：发动机实际循环指示功与所消耗的燃料热量的比值。
b)指示燃油消耗率bi：单位指示功的耗油量。
【g/(kW*h)】3.有效性能指标：指曲轴输出的相关指标。
1)动力性能指标：a)有效功率Pe:发动机轴上所净输出的功率。
b)平均有效压力Pme：单位气缸工作容积所做的有效功。
c)升功率Pl：在标定工况下，发动机每升气缸工作容积所发出的有效功率。
d)有效扭矩：曲轴的输出转矩。
2)经济性能指标：a)有效热效率：b)有效燃油消耗率：4.充量系数φc（容积效率）：每缸每循环吸入缸内的新鲜空气量与按进气系统前状态计算而得的理论充气量之比。
(75%-90%)5.过量空气系数φa:燃烧单位质量燃料的实际空气量与理论空气量之比。
6.压缩比：气体容积与燃烧室容积之比。
7.燃油消耗率：发动机每输出1kW*h的有效功所消耗的燃油量。
8.平均机械损失压力Pmm：发动机单位气缸工作容积一个循环所损失的功。
9.机械效率:有效功率与指示功率之比。
简答题：1.什么是发动机的机械损失？它由哪些损失组成？答：发动机曲轴输出的功或功率小于其气缸内气体膨胀所做的功或功率，两者之差称为发动机的机械损失。
1)活塞与活塞环的摩擦损失。
2)轴承与气门机构的摩擦损失。
3)驱动附属机构的功率损失。
4)风阻损失。
5)驱动扫气泵及增压器的损失。
2.机械损失测定的四种方法？动图法、倒拖法、灭缸法、油耗线法。
使用范围：1)倒拖法:只能用于配有电力测功器的情况，因而不适用于大功率发动机，而较适用于测定压缩比不高的汽油机的机械损失。
《内燃机的换气过程》课件
机械增压的优点是响应速度快 ，能够提供稳定的增压效果。
机械增压的缺点是会增加发动 机的摩擦损失和油耗，同时需 要定期维护和更换转子叶片。
03
内燃机换气过程的优化策略
优化进气道设计
减少进气道阻力
01
通过改进进气道形状和尺寸，降低气流在进气道中的阻力，提
高进气效率。
提高进气道温度控制能力
02
内燃机换气过程的工作原理
自然吸气的工作原理
自然吸气是一种内燃机的进气方 式，它利用内燃机运转时产生的
负压，将空气吸入气缸内。
自然吸气的优点是结构简单，维 护成本低，可靠性高，适合于中
小功率的发动机。
自然吸气的缺点是进气压力低， 充气量有限，动力性能相对较弱
。
涡轮增压的工作原理
涡轮增压是一种通过增加进气压力来提高发动机功率和 扭矩的技术。
02
通过采用隔热材料、优化进气道结构等方式，减少进气温度波
动，提高内燃机燃烧效率。
优化进气道材料
03
采用轻质、高强度材料，降低进气道重量，提高内燃机动态响
应性能。
优化排气道设计
01
02
03
降低排气道阻力
通过改进排气道形状和尺 寸，降低气流在排气道中 的阻力，提高排气效率。
减少热辐射损失
通过采用隔热材料、优化 排气道结构等方式，减少 排气过程中热量的散失， 提高内燃机的热效率。
降低排放
改善换气过程可以减少不完全燃烧产生的有害物质，从而降低汽车尾 气排放对环境的影响。
提高动力性能
换气过程的优化可以使得内燃机吸入更多的新鲜空气，从而提高燃油 的燃烧速度，增强发动机的动力性能。
延长发动机寿命
内燃机学课件第四章
配 气 相 位 图
内燃机的型式不同，气门叠开角的大小也有所差异
对于点燃式内燃机而言，由于它是采用节气门来调节内燃机的功率，进气管内 压力总是低于大气压，特别是在小开度时更是如此。叠开角过大时高温废气 有可能倒流进入进气管乃至燃料供应系统中，引起进气管回火同时，由于新 鲜充量中含有燃料，利用新鲜充量进行扫气将导致燃料的损失以及未燃碳氢 排放物的增加，因此，这类内燃机的气门叠开角一般都是比较小的。 在非增压柴油机中，其进气管内压力始终接近大气压力，因此可以允许采 用较大的气门叠开角，增强扫气效果，以达到提高内燃机在常用转速范围内 充量质量的目的。统计显示，一般非增压柴油机的气门叠开角在20º (CA) -50º 范围内。
二、强制排气阶段
利用排气的流 动惯性实现过 自由排气阶段结束后，气缸内的废气将被上行活塞强制推出，直到排气 后排气 门关闭．这一过程就是强制排气阶段。由于气体在流动过程中要克服排气 避免在上止点 门、排气道以及消声器等处的流动阻力，缸内的气体压力要略高于排气管 内的平均压力，而且气体流速越高，压力差也就越大。另一方面，由于气 附近增加排气 体在排气管内的压力波动，有可能形成压力逆差，即气缸压力低于排气管 阻力 内的用力，这种情况往往出现在排气管较长时强制排气开始的初期。因此， 迟闭角过大会 缸内气体的状态由活塞的运动速度与位臵、气门有效流通截面的变化规律 导致排气倒流
降低排气损失的主要方法：合理确定排气提前角；采用双排气门，可以有 效地减少排气过程中的损失。
二．进气损失
与排气过程不同的是，进气损失不仅体观在进气过程所消耗的 功上，更重要的是体现在进气过程中所吸人新鲜充量的多少上， 因为前者对于内燃机的热效率乃至功率影响不大，而后者对内 燃机性能有显著的影响。 如图4—2b和图4—2d所示，由于进气道、进气门等处存在流动 阻力损失，进气压力线位于大气压力线p0(非增压机)或增压压 力线p b(增压机)之下，两者之差围成的阴影部分面积可分别用 y表示。将它与排气过程中的损失相比，其值明显相对较小(图 4—4)。 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 及进气道的流动路径以及降低活塞平均速度等，都会使进气损 失减少。
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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。
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
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。
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。
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。
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。
(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
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。
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
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。
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
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
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
1.排气在径流式涡轮机中的流动
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
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。
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
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 Nhomakorabea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
0407.tif
1.降低进气系统的流动阻力
0408.tif
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。
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