第二章 发动机的换气过程
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第二章发动机的换气过程-2012
一、换气过程
• 包括从排气门开启直到进气门关闭的整个时期， 约占410°～480°曲轴转角。 • 目标：延长换气时间，增加气门开启的时间断面，充分利用气流的动态效应，改善换气过 程，提高内燃机性能。 • 一般将换气过程分作自由排气、强制排气、进 气和燃烧室扫气四个阶段。
＊配气相位
1、自由排气阶段
k
1. 4 1. 1 4
** 气体自行排出气缸而不需借助外力
1. 2
3. 5
1只取决于当地 声速
v a kRT
式中：V－气体流速，a－当地声速 当T＝873－1173K时，a＝500－600 m/s
2、强制排气阶段
• 从自由排气结束到活塞 到达上止点，废气由活 塞上行强制推出。 • 缸内平均压力比排气管 平均压力略高一些，一 般高出10kPa左右。 • 流速取决于压差，压差 越大，流速也越大，但 耗功也越多。 • 排气迟闭角为一般为 10°～35°。
流道转弯处
1、降低进气门处的流动损失
进气门座处 局部阻力最大
forward
阻力系数 ξ有关
ps s vs
2
与该处的 流动速度vs 的平方成正比
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
补充
return
• 过高的气体流速，还会发生气体阻塞现象。考 察气门座处的流动情况，平均进气马赫数Ma
1、进气终了的压力pa
进气终了压力↑ →充量系数（充气效率） ↑， 进气终了压力受进气系统的阻力的影响 • 进气系统阻力引起的压 降与管道阻力系数、进 气密度、气体流速的平 方三者的乘积成正比。 • 发动机转速增加，pa迅 速下降。 • 汽油机负荷减小， pa迅 速下降。
发动机原理-第二章 发动机的换气过程
第二章 发动机的换气过程一。
五个角度：1.进气提前角α：从进气门打开到上止点这段曲轴转角(0～40 oCA)。
目的：活塞下行时有足够大的开启面积，新鲜工质可以顺利流入气缸。
2.进气门迟闭角β：从下止点到进气门关闭(40～70 oCA) 。
目的：利用高速气流的惯性，在下止点后继续充气，以增加进气量。
3.排气提前角γ：从排气门开启到活塞行至下止点所对应的曲轴转角称为，一般为30º~80ºCA。
目的：①在活塞上行时排气门有足够大的开启面积；②减小活塞上行时的阻力。
4.排气迟闭角δ：从上止点到排气门完全关闭这段曲轴转角（10～350CA ） 目的：利用高速气流的惯性排除废气。
.5.叠开角：进、排气门同时开启时对应的曲轴转角，一般为20º～80º曲轴转角。
在增压发动机可达80º~160º的曲轴转角。
因其进气压力高。
目的：由于进气管、气缸、排气管互相连通，可以利用气流的压差、惯性或进、排气管压力波的帮助，清除残余废气，增加进气量，降低高温零件的温度，但注意不应产生废气倒流现象。
二，换气过程：⑴自由排气阶段：排气门开启到气缸压力接近了排气管压力的这一时期 ⑵超临界状态： 排气门开启时，气缸内废气压力较高（0.2~0.5Mpa ）， 通过排气门口废气的流速等于该状态下的音速（m/s ）在超临界排气时期①废气流量与排气管内压力pr 无关，只与气缸内的气体状态及气门开启截面积有关②因排气流速甚高，在排气过程中伴有刺耳的噪声，所以排气系统必须装有消声器。
⑶亚临界状态：当时，排气流动转入亚临界状态，废气流速降低，产生的噪音较小。
特征：排出的废气量决定于气缸内及排气管内的压力差。
压力差越大排出废气越多。
当到某一时刻 ，自由排气阶段结束（一般下止点后10º~30º曲轴转角）。
此阶段虽然历程很短，但因排气流速甚高，排出废气量达60%以上。
⑷高速发动机：高速发动机其排气提前角要大一些：在自由排气阶段中，排出的废气量与发动机转速无关。
第2章 发动机的换气过程.
第一节 四行程发动机的换气过程
一、换气过程概述
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， 约占410°— 480°曲轴转角。
进气门打开
Inlet Valve Open
排气门关闭
Exhaust Valve Close
进气门关闭
Inlet Valve Close
排气门开启
Exhaust Valve Open
三、换气损失和泵气损失 1、换气损失
进气损失与排气损失之 和：X+Y+W
2、泵气损失
泵气损失：X+Y-d
四、换气损失随内燃机转速的变化
1.进气损失明显小于排气损失。 2.进损失影响充量系数，因而对发动机的性能影响更大。
第二节 四行程发动机的充气效率
一、充气效率ηv
定义：
V 进 气 状 态 实 下 际 充 进 满 入 气 气 缸 缸 工 的 作 新 容 鲜 积 充 的 量 新 鲜 充 量 m m 1 s V V 1 s
2、排气门迟闭角
定义
排气门在上止点后关闭的角度。
作用
1. 避免因排气流动截面积过早减小而造成的排气阻力 的增加，使缸内的残余废气量增加。
2. 利用排气管内气体流动的惯性从气缸内抽吸一部分 废气，实现过后排气。
3. 扫气作用。
选择
➢过小，惯性利用不够 过大，废气倒流
➢存在最佳值：10-35 CA ATDC
G =d G = cfd t= ρc fd t
0
0
0
❖ 当流道前后的压力差为定值时，即流速c为常数 时，时面值越大，流量越大；
❖ 当流量为定值时，时面值越大，所需流速越小 ，即流道压力差越小。
结论：时面值表示了气阀与气口的流通能力。
发动机原理——第二章发动机的换气过程汇总
第二章发动机的换气过程燃烧是做功之本。
燃烧需要空气与燃料。
重量比容积比燃料 1 1 液态空气15 1000 气态燃料受机械控制，容易加入。
而汽缸容积就那么大，要想多加空气就要困难得多。
因此，对发动机换气过程的研究就显得尤为重要了。
§2-1 四冲程发动机的换气过程一配气定时与工程热力学中介绍的不同, 进排气门的开启、关闭也需要时间, 故在下止点前排气－排气提前角40︒～80︒在上止点后关闭－排气迟闭角10︒～35︒在上止点前吸气－进气提前角0︒～40︒在下止点后关闭－进气迟闭角40︒～80︒进气提前角+排气迟闭角－气门叠开角二换气过程（一）排气过程1 自由排气阶段A排开p >>p’ →p = p’靠缸内压力将气体挤出气缸，其中p－缸内压力, p’－排气管内压力。
2 强制排气阶段Bp = p’ → p ≤p’靠活塞上行将废气挤出气缸。
3 超临界排气C排开→p = 1.9 p’=m/s。
其流量与压差（p - p’）在气阀最小截面处, 气体流速等于该地音速a kRT无关, 只决定于排气阀开启面积和气体状态。
4 亚临界排气Dp = 1.9 p’ →排闭。
其流量取决于压差（p - p’）。
（二）进气过程和气门叠开角-）使新鲜介质进入缸内。
由于节流作用, 缸内产生负压；（p p气阀叠开角：非增压：20︒～60︒ CA。
太大（引起）→废气回流进气道。
太小→扫气作用不明显。
增压：110︒～140︒ CA。
进气管p↑, 扫气明显, 气阀叠开角可以增大很多。
如6135型高柴：非增压：40︒, 增压：124︒。
扫气的作用：1 清除废气, 增加气缸内的新鲜充量。
2 降低排气温度。
3 降低热负荷最严重处（如气阀、活塞等）的温度。
三换气损失理论循环换气功与实际循环换气功之差。
如图：换气损失功－X+（Y+W）, 其中（W+Y）为排气损失功，X为进气损失功。
（一）排气损失功YW是因排气门提前开启而损失的膨胀功,称为自由排气损失。
第二章 发动机的换气过程
原理。
件（如排气门）热负荷低。
重叠角过大，气门易碰活塞， 使得活塞上气门凹坑过深，破坏
了进气涡流和燃烧，同时加重增
压器的负担。
排气迟闭
排气提前
四冲程发动机配气相位
一般柴油机为20～50 °CA，增压柴油机为80 °～50 °CA 。
3）重叠角对汽油机的影响： 大多数汽油机吸入的新鲜工质是可燃混合气，过大重叠
塞下行时气门具有较大的流通截
面积（一般提前角为10°～
40°CA）。 2）进气门迟闭： 充分利用气
进气门开
流惯性继续充气（一般迟闭角为
40°～ 70°CA）。
迟闭角
进气门提前与迟闭
3）迟闭角的选择： （1）转速升高，气流惯性大， 迟闭角也应增大；
进气提前
排气迟闭
（2）迟闭角不宜过大，否则
低速时部分新鲜工质会被压出气 缸，不仅影响发动机动力性，柴 油机还会因此起动困难。
门升程，实现快速开与闭。
4）改善气道动力性：光滑壁面、圆弧过度、并使气门 升起后远离壁面。 5）高速柴油机采用较小的S/D。
2、进气终了气体温度 Ta ： Ta 越大，气体密度越小，
充量系数也越小（增压发动机进气中冷）。
3、残余废气系数γ： 残余废气越多，充量系数也就越小； 同时，废气越多，还会使燃烧恶化，降低发动机的经济性和 排放性。 排气系统阻力越大、排气终了压力也越大，残余废气 量也就越多。但是，适当量的残余废气可以改善发动机的 排放性能。 4、压缩比 c： 压缩比大，余隙相对容积减少，废气残余 量就减少，充量增大。 5、合适的配气相位
二、废气残余系数γ：
定义： 进气过程结束时气缸内残余废气质量与进入气缸 的新鲜空气质量之比。
发动机原理——第二章-发动机的换气过程
第二章发动机的换气过程燃烧是做功之本。
燃烧需要空气与燃料。
重量比容积比燃料 1 1 液态空气15 1000 气态燃料受机械控制，容易参加。
而汽缸容积就那么大，要想多加空气就要困难得多。
因此，对发动机换气过程的研究就显得尤为重要了。
§2-1 四冲程发动机的换气过程一配气定时与工程热力学中介绍的不同, 进排气门的开启、关闭也需要时间, 故在下止点前排气－排气提前角40︒～80︒在上止点后关闭－排气迟闭角10︒～35︒在上止点前吸气－进气提前角0︒～40︒在下止点后关闭－进气迟闭角40︒～80︒进气提前角+排气迟闭角－气门叠开角二换气过程〔一〕排气过程1 自由排气阶段A排开p >>p’ →p = p’靠缸内压力将气体挤出气缸，其中p－缸内压力, p’－排气管内压力。
2 强制排气阶段Bp = p’ → p ≤p’靠活塞上行将废气挤出气缸。
3 超临界排气C排开→p = 1.9 p’=m/s。
其流量与压差〔p - p’〕在气阀最小截面处, 气体流速等于该地音速a kRT无关, 只决定于排气阀开启面积和气体状态。
4 亚临界排气Dp = 1.9 p’ →排闭。
其流量取决于压差〔p - p’〕。
〔二〕进气过程和气门叠开角-〕使新鲜介质进入缸内。
由于节流作用, 缸内产生负压；〔p p气阀叠开角：非增压：20︒～60︒ CA。
太大〔引起〕→废气回流进气道。
太小→扫气作用不明显。
增压：110︒～140︒ CA。
进气管p↑, 扫气明显, 气阀叠开角可以增大很多。
如6135型高柴：非增压：40︒, 增压：124︒。
扫气的作用：1 去除废气, 增加气缸内的新鲜充量。
2 降低排气温度。
3 降低热负荷最严重处〔如气阀、活塞等〕的温度。
三换气损失理论循环换气功与实际循环换气功之差。
如图：换气损失功－X+〔Y+W〕, 其中〔W+Y〕为排气损失功，X为进气损失功。
〔一〕排气损失功YW是因排气门提前开启而损失的膨胀功,称为自由排气损失。
第二章 发动机的换气过程
2. 高速时应具有最大的气门升 程和进气门迟闭角，减小流 动阻力，提高充量系数，满 足发动机高速时的要求。
3. 进气门从开启到关闭的进 气持续角也进行相应的调整。
第二章 发动机的换气过程
可变气门正时（VVT ）
Pe
Tτq
优点：根据实现机构的不同，采用VVT技术可以使得发动机的 低速转矩得到大幅度的提高。
第二章 发动机的换气过程
膨胀损失
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.
自然吸气
增压
第二章 发动机的换气过程
推出功损失
活塞由下止点向上止点的强制排气行程所消耗的功。
自然吸气
增压
第二章 发动机的换气过程
排气损失
膨胀损失和推出损失二者之和。
第二章 发动机的换气过程
所以 n pr c （影响较小）
4、排气终了温度 Tr
Tr c
，是粗略的。还有许多因 素未予考虑。如：压力升高比，绝热指数k，热传输和过 量空气系数等。
第二章 发动机的换气过程
第三节 提高发动机充量系数的措施
排气提前角
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
排气阀升程
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。
第二章 发动机的换气过程
排气门迟闭角 定义 排气门在上止点后关闭的角度。 作用
1,避免因排气流动截面积过早减小而造成的排气阻力的 增加，使缸内的残余废气量增加。
（2）负荷 汽油机：负荷 节气门开度 （质调节）
pa pa c
柴油机：负荷 循环供油量 （量调节）（与 pa
3. 进气门从开启到关闭的进 气持续角也进行相应的调整。
第二章 发动机的换气过程
可变气门正时（VVT ）
Pe
Tτq
优点：根据实现机构的不同，采用VVT技术可以使得发动机的 低速转矩得到大幅度的提高。
第二章 发动机的换气过程
膨胀损失
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.
自然吸气
增压
第二章 发动机的换气过程
推出功损失
活塞由下止点向上止点的强制排气行程所消耗的功。
自然吸气
增压
第二章 发动机的换气过程
排气损失
膨胀损失和推出损失二者之和。
第二章 发动机的换气过程
所以 n pr c （影响较小）
4、排气终了温度 Tr
Tr c
，是粗略的。还有许多因 素未予考虑。如：压力升高比，绝热指数k，热传输和过 量空气系数等。
第二章 发动机的换气过程
第三节 提高发动机充量系数的措施
排气提前角
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
排气阀升程
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。
第二章 发动机的换气过程
排气门迟闭角 定义 排气门在上止点后关闭的角度。 作用
1,避免因排气流动截面积过早减小而造成的排气阻力的 增加，使缸内的残余废气量增加。
（2）负荷 汽油机：负荷 节气门开度 （质调节）
pa pa c
柴油机：负荷 循环供油量 （量调节）（与 pa
汽车发动机原理第二章 发动机的换气过程
３.换气损失和泵气损失
换气损失等于进气损失与排气损失之和，如图2-3、
图2-4中面积(W+Y+X)，而在实际示功图计算中，已 经用丰满系数ϕi修圆理论示功图的棱角，所以ϕi中已包 括部分换气损失(面积W+U)，故泵气损失为换气损失 的一部分，即图2-3、图2-4中面积(Y+X-U)。
第一节结束
一、充量系数
沿ar线进行，进气沿ar线进行，进、排气压力相等，泵气
功为零，增压发动机的理想换气过程如图2-4ａ)所示，由 于进气压力Ps大于排气压力Pr ，所以排气沿a′r′线进行，进 气沿r″a″线进行，面积a″a′r′r″a″表示泵气功，为正功。
１.换气损失
如图2-3ｂ)和图2-4ｂ)所示，排气门提前开启时，排气 压力线从点ｂ′开始偏离膨胀线，面积过小与理想循环相比， 损失的功相当于Ｗ所表示的面积，称为自由排气损失，在 活塞将燃气推出汽缸时，由于沿途有流动阻力，所以汽缸 内的气体压力高于排气管内压力(非增压发动机排气管内压 力假定为大气压力)，损失的功相当于Ｘ所表示的面积(Ｘ
最佳排气提前角也应当越机中，由于进气系统的阻力，进气
过程汽缸内的压力低于大气压力，而活塞背面曲轴箱 内的压力稍大于大气压力，因此，进气过程活塞要消 耗功，如图2-3中面积Ｙ所示，在增压发动机中，进 气压力高于大气压力，故活塞顶面压力高于活塞背面 压力，活塞在进气过程得到正功。
所表示的面积包含了Ｕ所表示的面积)，称为强制排气损失，
自由排气损失与强制排气损失之和即为排气损失。
排气提前角的选择会影响自由排气损失和强制排气
损失的分配，如图2-5所示，排气提前角越大(曲线ｂ)，
排气门开启越早，自由排气损失就越大，但此时缸内压 力在下止点前已降得足够低，所以强制排气损失减少， 反之，排气提前角减小(曲线ｃ)，强制排气损失会增加， 而自由排气损失则会减少。因此，从减少排气损失角度 看，最佳排气提前角应使两者之和为最小(曲线ａ)。
第二章发动机换气过程新
实际的进气量（m3/h）可以由试验测的，理论 充气量可以计算，如下式：
V n V i 60 1000 2 0.03V in[m / h]
s 3 s
Vs－气缸工作容积 i－气缸数 N－发动机转速
2 、残余废气系数γ 残余废气系数γ——进气过程结束时气缸内的 残余废气量与气缸中的新鲜工质量的比值。
气门叠开将导致： 如果进气管压力大于排气管压力，新鲜充量在正 向压力差的作用下流入气缸，与缸内残余废气进行 混合后，部分可以直接排入排气管中。 一方面，有利于扫除缸内的残余废气，增加气缸 充量，达到扫气目的； 另一方面，又可以降低燃烧室内气缸盖、排气门、 活塞顶、缸套的温度。尽管带走的热量不多，但对 于这些受热严重且冷却困难的关键零件，其效果却 是显著的。
1、进气终了的压力pa
进气终了的压力pa，对ηυ影响很大，pa愈高,ηυ愈大
pa ps pa
p a
2
2
Δpa——气体流动时，克服进气系统而引起的压降； λ——管道阻力系数 ；ρ——进气状态下的气体密度； υ——管道内气体的流速 Δpa pa ηυ Δpa对的影响最大，进气系统的沿程阻力和局部阻力增 大，均会使Δpa增大。
C——超临界排气 D——亚临界排气 A——自由排气 B——强制排气
发动机转速提高后，排气提前角增大？减小？ 为什么？
当发动机转速提高后，需要增大排气提前角。 原因：排气初期为超临界排气阶段，该排气阶段 废气流量与转速无关，但当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，排气量小，导致气缸压力下降慢，增加了 下一阶段的排气功消耗。
二、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 排气损失----- 从排气门提前 打开直到进气行程开始，气缸 内压力到达大气压前循环功的 损失。 分为：自由排气损失和强制 排气损失。 自由排气损失（膨胀损失功）——它是因排气门提前打 开，引起的膨胀功减少W 强制排气损失——它是由活塞将废气推出所消耗的功Y
第二章 发动机的换气过程
第二章发动机的换气过程本章重点：换气过程的特点及其评价指标；提高换气效果的措施。
本章难点：充气效率的定义；可变技术发动机排出废气、充入新鲜空气或可燃混合气的全过程叫做换气过程。
没有换气过程，发动机无法持续运转。
每循环进入气缸的空气量或可燃混合气量是决定发动机动力输出大小的因素。
所以，换气过程是发动机工作过程不可缺少的组成部分，也是决定发动机动力性、经济性的重要环节。
合理组织换气过程，保证吸入尽可能多的新鲜充量，以获得尽可能高的输出功率和扭矩；尽量减少换气损失，以降低机械损失，提高发动机经济性；保证进气后在缸内所形成的气体运动，能满足组织快速燃烧的要求，以提高热效率。
η是评价发动机换气过程完善程度和决定发动机性能的重要指标。
充气效率ν2.1 四冲程发动机的换气过程1.换气过程四冲程发动机的换气过程包括从排气门开启直到进气门关闭的整个时期，大约占410~480℃A（曲轴转角）。
一般将换气过程分为自由排气、强制排气、进气和气门重叠四个阶段。
图1-2-1为四冲程发动机换气过程的p-V图。
1）自由排气阶段图1-2-1中从排气门早开点b′到晚关点r′，约240~260℃A的b′bdrr′段为排气过程。
排气门开启初期，缸内压力p远大于排气管压力p r，此时，图1-2-1 四冲程发动机的换气过程p-V图尽管活塞还在下行，缸内压力也在不断下降，但是压差(p-p r)已足以使废气自由留出，而不必依靠活塞推出。
这一阶段为自由排气阶段。
自由排气阶段大约在下止点后10~30℃A结束。
自由排气阶段虽然时间不长，且气门开启流通面积也较小，但因流速很高，排出废气量达60%以上。
2）强制排气阶段自由排气阶段结束后，缸内压力大大降低，必须依靠上行活塞强制推出。
因为气门流通面积减小，排气不畅，在排气后期到上止点，缸内压力略有上升。
3）进气过程图1-2-1中从排气门早开点d到晚关点a′，约220~265℃A的drr′aa′段为进气过程。
第二章发动机的换气过程
• 四冲程发动机的换气过程包括从排气门开启 到进气门关闭的整个时期。约占410º~ 480º
曲轴转角。
• 换气过程可分作自由排气、强制排气、进气 和燃烧室扫气四个阶段。
• 换气过程中，至少有一个气门开起，出现了 气流的流动，进、排气系统与气缸组成以大 气为边界的开式热力系统。在进排气门关闭 的动力过程中，进、排气管道中仍有气体波 动，对换气过程有一定影响。
压力相等，因而也没有泵气 损失。
实际循环换气过程：
1. 膨胀损失W 2. 推出损失X 3. 吸气损失Y
自然吸气内燃机实际换气过程
二）、增压内燃机的换气过程 Gas exchanging Process in Supercharged Engine
理论换气过程：
排气门在下止点打开，没有膨胀损失 排气行程沿pT,进气行程沿pb 换气过程获得矩形面积所示的功。
由于进气道、进气门等处存在流动阻力损失，在大部分曲 轴转角内发动机的缸内压力低于大气压力线（图b）或增压 压力线（图d），从而造成循环有用功的减少。
换气损失随内燃机转速的变化
1.进气损失明显小于排气损失。 2.进气损失影响充量系数，因而对发动机的性能影响更大。
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。
膨胀损失和推出损失二者之和。
二）进气损失X
• 进气损失主要是指进
气过程中，因进气系统 的阻力引起的功的损失 （汽缸压力低于大气压 力），与排气损失相比 进气损失较小。
•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。
第二章 发动机的换气过程
2
式中: F —活塞面积；Cm —活塞平均速度； D、d —活塞直径和气门头部直径。
进气马赫数 M 与气门 大小、形状、升程规律、 气门开关时间等有关。 增大气门直径可扩大气 流通过断面积，提高充 量系数。 根据一系列试验可 知，在正常的配气定时 条件下，当 M 超过一定 数值时，大约在0.5左右， 充量系数急剧下降，如 图3-10所示。因此在可能 条件下应控制 在最高转 速时不超过一定数值。 以达到提高充量系数的 目的。
五、谐振进气与可变进气歧管 谐振进气和可变进气歧管，都是利用进 气管的动态效应来提高充量系数。 具体措施： １、适当调整进气管长度、直径等进气系统 参数。 ２、可变长度进气歧管。 ３、双通道可变进气歧管。
利用进气管的动态效应来提高充量系数
发动机在换气过程中， 由于间断进气而引起进 气管内发生压力波动， 这种现象称为进气管的 动态效应。分析其原因 ，可归纳为惯性效应和 波动效应两类。影响进 气管动态效应的结构因 素是进气管长度、直径 和形状。 利用进气管的动态 效应，可以有效地提高 高转速时充量系数和改 善扭矩特性。
二、排气损失
• 定义 : 从排气门提前开启，
直到进气行程开始、缸内 压力到达大气压力之前 , 所损失的循环功。
• 构成:
a. 自由排气损失 W ： 由
于排气门提前打开而引起 的膨胀功的减少。
b. 强制排气损失 Y ： 活
塞上行强制推出废气所消 耗的功。
•排气损失
排气提前角 W，Y 。综合 效果, 要求（Y+W）, 故（W+Y） 有一个最佳值（W+Y）min 。
三、降低排气系统的流动阻力 降低排气系统流通阻力，使气缸内废气 压力下降，减少泵气功。 将排气道的一部分做成扩压形，降低了 气缸内与排气管内的压力差，降低了气缸内 废气压力，降低泵气功。 选择良好的排气支管的流型，避免排气 道内截面突变、急转弯和凸台，有助于降低 整个流通阻力。 在满足必要的消声效果要求下，降低消 声器的流通阻力。
2发动机的换气过程
可变进气歧管截面积技术 流体力学原理：在其他参数不变的情况下，管道 的截面积越大流体压力越小；管道截面积越小流体 压力越大。 根据这一原理，再分析发动机各个工况的工作 特性，设计一套机构能在发动机高转速时使用较大 的进气歧管截面积提高进气流量；在发动机低转速 时使用较小的进气歧管截面积，提高汽缸的进气负 压，也能在气缸内充分形成涡流，让空气跟汽油更 好的混合。
严格地说，充气效率应为
实际进入汽缸的新鲜充量 ηv = 以标准大气状态充满汽缸工作容积的新鲜充量
（二） 实际 测量
V1' ηv = ' Vh
实际流量 = 理论流量
' 其中： 1 －实际测 [ V 量
m /h ]
3
Vh'
Vh [ L] n = ⋅ i ⋅ ⋅ 60 = 003Vh in [m3 / h] . 1000 2
ηv
pr 1 T0 p a = − ε ε − 1 p 0 Ta Tr
2、结构因素 、
(1)进气系统 进气系统
一般包括进气门、进气管、空滤器、化油器、 一般包括进气门、进气管、空滤器、化油器、进 气道等部件。要尽量减少各部件的流动阻力， 气道等部件。要尽量减少各部件的流动阻力，以增大 进气终了的压力，提高充量系数。 进气终了的压力，提高充量系数。 试验证明，增大进气终了压力比降低残余废气系 试验证明， 数对充量系数的影响大，所以设计成进气门直径大于 数对充量系数的影响大，所以设计成进气门直径大于 排气门直径，气门顶部的形状呈流线型。 排气门直径，气门顶部的形状呈流线型。
可变配气定时机构
Variable Valve Timing & Lift Electronic Control Technology VTEC系统----可变气门正时和升程电子控制系统
第二章发动机的换气过程
1、自由排气阶段
从排气门打开到气缸压力接近于排气管压力的这个时 期称为自由排气阶段。由于配气机构惯性力的限制，若在 活塞到下止点时才打开排气门，则在气门开启的初期，开 度极小，废气不能通畅流出，缸内压力来不及下降，在活 塞向上回行时形成较大的反压力，增加排气行程所消耗的 功。所以有必要在活塞到达下止点之前打开排气门，从排 气门开始打开到下止点这段曲轴转角称为排气提前角。一 般排气提前角为如30°~80°曲轴转角。
3、进气过程
为了保证活塞下行时，进气门开启面积足够大，使新 鲜充量顺利流人气缸，进气门在上止点前就开始打开。进 气门提前开启角一般为上止点前0°~40°曲轴转角。
为了充分利用高速气流的动能，进气门也须在下止点 后关闭，从而实现在下止点后继续充气，增加进气量。进 气门迟闭角一般为下止点后40°~70°曲轴转角。
二、排气损失（二）
如图2—4所示，随着排气提前 角的增大，自由排气损失面积W增 加，而此时强制排气损失面积Y应 减小。因而最有利的排气提前角应 使面积(W+Y)之和为最小。当排气 门截面小，发动机转速高时，按曲 轴转角计算的实际超临界排气时期 延长，为减少排气损失，应适当加 大排气提前角。
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办 法。
可变进气只管
当发动机低速运转时，发 动机电子控制单元5发出指 令，转换阀控制装置4关闭 转换阀3，这时空气经空气 滤清器1和节气门2沿着细 长的进气支管流进气缸。 弯曲细长的进气支管提高 了进气速度，气流的动能 增大，使进气量增多。当 发动机转速增高时，转换 阀开启，空气通过空气滤 清器和节气门直接进入粗 短的进气支管。粗短的进 气支管进气阻力小，也使 进气量增多。
双通道可变进气支管
第二章 发动机的换气过程
一、降低进气系统的流动阻力
发动机的进气系统是由空气滤清器、进气
管、进气道和 进气门 等组成。 减少各段通道的阻力，增大其流通能力， 是提高充量系数，改善发动机性能的主要 途径。
1．减少进气门处的流动损失 （1）进气马赫数M
进气马赫数M是进气门处气流平均速度vm与 该处音速a之比，即M=vm/ a 。 M是决定气流流动性质，影响充量系数的重 要参数。 M>0.5左右， c急剧下降。
第一节 四冲程发动机的换气过程
自由排气阶段
换气过程
强制排气阶段
进气过程
燃烧室扫气 排气损失
换气损失
进气损失
上止点
下止点
一、换气过程
四冲程发动机的换气过程包括从排 气门开启到进气门关闭的全过程， 约占410~480º CA。 换气过程可分为自由排气、强制排 气、进气和燃烧室扫气 4个阶段 。
4）残余废气系数r
mr r m1
ma (1 r )m1
5）充量系数表达式
m ( V V m1 1 1 a c s ) a c ms 1 r ms 1 r Vs s
1 p a Ts c c 1 1 r p s Ta
排开排关进关二、充量系数 c的表达式 进气终了时： p a、Ta、 a
进气状态下： p s、Ts、 s
1）进气门关闭时，缸内气体总质量
ma (Vc Vs ) a
2）排气门关闭时，缸内残余废气的质量
3）充入气缸的新鲜充量的质量
mr Vr r
m1 ma mr
强制
Y
排关
排气损失
进关
进气 损失
X
第二章 发动机的换气过程
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2、进气迟闭
为了利用吸气过程中产生的高速气流的惯性，进气门 必须在下止点后适当曲轴转角才完全关闭，实现过后充 气，以增加气缸内充气量。进气迟闭角一般为下止点后 20-60 ºCA。
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四、气门叠开和燃烧室扫气过程
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一、自由排气阶段：
自由排气阶段—排气门打开至气缸压力接近排气管压力的这 段时期。
为什么排气门必须在下止点前提前开启一定角度？ 排气门开启初期，活塞移动速度缓慢，排气门开启流通截 面积只能缓慢增加，如果排气门恰好在下止点开启，气缸 内压力下降缓慢，活塞上行时压缩负功较大，增大排气过 程的消耗功率，因此，排气门必须提前开启。通常，排气 门提前开启角度约30~80ºCA。
当排气温度为700~1100K时，声速c可达500~700（m/s）。
（ c kRT ）
当废气流向排气管时，管内压力Pr急剧 上升，产生了正压力 波，到了管端口后又变成负压力波反射回排气门。
k
当 pr 2 k1时 ，0.5属28 于亚临界流动。 p k 1南京航空航天大学金城学院车辆工程
第二章 发动机的换气过程
要使发动机作功多，扭矩大，功率大，需要燃料在气缸内 燃烧时放热多，这主要取决于进入气缸中空气量的多少。 因此，要求进气尽可能充分，排气尽可能干净。
内燃机中的流动均是不稳定流，而且进、排气管中发生 的压力波有时可能促进进、排气作用，有时可能妨碍进、 排气作用，因此，理论分析很困难。
3、在增压柴油机中，由于进气压力始终高于排气管内 压力，新鲜充量可以经燃烧室后流入排气管中，以达到扫气 的目的，不仅有助于降低受热零件表面温度，提高其可靠性， 降低增压器涡轮的进口温度。因此，增压柴油机气门叠开角 可以较大，一般为80～140 ºCA。
第二章 发动机的换气过程
三．可变进气管
动画
第六节 提高充气效率的措施 ——废气涡轮增压
利用发动机排出的废 气惯性冲力来推动涡轮 室内的涡轮，涡轮又带 动同轴的叶轮，叶轮压 送由空气滤清器管道送 来的空气，使之增压进 入气缸。
Vc Vh
Vr
Vc
考虑进、排气门 迟闭角的影响
将 p 代入
RT
得到
1
1
Ts ps
(
pa Ta
pr Tr
)
引入残余废气系数γ,则:
Ts 1 ps
pa Ta
1
1
二、影响充气效率的因素
1．进气终了压力pa
无疑pa增加Ts,ηpva增加1 pa=ps-1△pps Ta 1
p sv2 2
进气门早开：增大了进气行程开始时气门的开启高度，减小进 气阻力，增加进气量。
进气门晚关：延长了进气时间，在大气压和气体惯性力的作用 下，增加进气量。
排气门早开：借助气缸内的高压自行排气，大大减小了排气阻 力，使排气干净。
排气门晚关：延长了排气时间，在废气压力和废气惯性力的作 用下，使排气干净。
进气门早开 排气门晚关
第三节 提高充气效率的措施 ——减少进气系统的阻力
一．进气门处的流动损失
1．进气马赫数Ma
进气马赫数Ma：进气门处的气流平均速度Vm与该处音速a之比。
Ma
Vm a
mVm f FCm
Vm
F f
Cm
m
D 2 d
Cm
m
Ma
Vm a
D
2
d
1
m
Cm a
Ma
Vm a
D
2
d
1
m
Cm a
2-发动机的换气过程
2.3.3
进气温度
• 新鲜工质经过进气系统时，对于节气门体有 预热装置的发动机，进气将被加热。 • 新鲜工质进入气缸后，缸壁、活塞、缸盖等 高温机件也会使工质升温（部分增压发动机 除外）。 • 工质被加温后密度将降低，充气效率也会降 低。
第2章 发动机的换气过程
2.3.4
配气相位
• 合理地选择配气相位能有效地提高充气效率 。 • 理论上，增加排气门开启持续角能降低排气 终了压力，增加进气门开启持续角能提高进 气终了压力，均能提高充气效率。 • 但是，在发动机实际工作中，它们是相互制 约的。
第2章 发动机的换气过程
惯性效应示意
a) 进气管道 b) 气门开启时压力分布 c) 气门关闭时压力分布 d) 进气门处压力变化
a) 300mm进气管压力波 b) 1140mm进气管压力波
第2章 发动机的换气过程
2.4
提高充气效率的措施
2.4. 1 减小进气系统的阻力 进气系统的阻力直接影响充气效率。减少空气 滤清器、节气门体、进气管道、进气门等部位 的气流阻力是提高充气效率的主要措施。 1．进气门部分 • 在整个进气系统中，进气门处的气体通过面积 最小，而且截面变化急剧，因此，此处流动阻 力最大，是重点研究对象，提高充气效率的有 效措施也比较多。
第2章 发动机的换气过程
排气关闭延迟角
• 活塞运行到上止点时，由于废气有一定的流 速，可以利用气流的惯性进一步排除废气， 从而降低排气终了气缸内的压力，为充入更 多的新鲜工质打好基础。 • 因此，排气门在上止点后才关闭，从上止点 到排气门关闭1点的曲轴转角被称为排气关闭 延迟角，一般在0°～30°之间（多气门发 动机可能出现负值）。
第2章 发动机的换气过程
自由排气的阶段划分
第二章__发动机的换气过程(1)
第二章 发动机的换气过程
——
四冲程发动机的换气过程
2.1 四冲程发动机的换气过程 2.1.2 换气过程的阶段划分
5、 气门重叠 气门重叠（气门叠开） 指换气过程中进、排气门 同时开启的现象。 气门重叠角 进、排气门同时开启时对 应的曲轴转角。一般为20º ~ 80º 曲轴转角，对增压发动机， 因其进气压力高，可达80º ~ 160º 。
2.1 四冲程发动机的换气过程 2.1.2 换气过程的阶段划分
4、 进气阶段 残余废气膨胀（r ~ r′）。 正常进气 。活塞下行，气 缸压力低于进气压力,新鲜气体 充入气缸。
第二章 发动机的换气过程
——
四冲程发动机的换气过程
2.1 四冲程发动机的换气过程 2.1.2 换气过程的阶段划分
4、 进气阶段 进气迟闭角：从进气行程下止 点至进气门关闭所对应的曲轴 转角，一般为40º～70º曲轴转 角。 原因:利用进气过程形成的气流 惯性,实现向缸内的过后进气。 进气终了,缸内压力等于或略高 于进气管压力．转速高，惯性 大，增大进气迟闭角．
第二章 发动机的换气过程
——
四冲程发动机的换气过程
2.1 四冲程发动机的换气过程 2.1.2 换气过程的阶段划分
２、自由排气阶段 排气提前角：从排气门开 启到膨胀行程下止点所对应的 曲轴转角。一般为30º ~ 80º曲 轴转角（b′~ b)。 原因：增加排气流通截面，降 低气缸压力，减小强制排气时 所消耗的活塞推出功。
定义： 进、排气门的角 度及其相对与上、下 止点的关系，称为配 气相位。
配气相位
第二章 发动机的换气过程
——
四冲程发动机的换气过程
2.1 四冲程发动机的换气过程 2.1.3 配气相位
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排气迟闭的原因：为减少排气所消耗的功与缸内的残余 废气量，充分利用气流的惯性效应，实现后排气，排气门 需要推迟关闭。但过大的排气迟闭会导致废气倒流。当废 气从气缸流出的流动过程刚刚停止时，就是理想的排气门 关闭时刻.
排气门迟闭角为4= 10～70 °CA。
2020/3/20
南京航空航天大学金城学院车辆工程
认为自由排气阶段内废气流量与气体压差无关，仅取决 于气缸内气体的状态和气门开启有效截面积。
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二、强制排气阶段：
定义：自由排气结束后，气缸内的废气随活塞上行被强制排 出，直到排气门关闭。
在此阶段缸内气体的状态由活塞的运动速度与位置、气 门有效流通截面的变化规律以及排气管内的气体状态等共 同决定。
3、在增压柴油机中，由于进气压力始终高于排气管内 压力，新鲜充量可以经燃烧室后流入排气管中，以达到扫气 的目的，不仅有助于降低受热零件表面温度，提高其可靠性， 降低增压器涡轮的进口温度。因此，增压柴油机气门叠开角 可以较大，一般为80～140 ºCA。
4、机械增压柴油机:由于进、排气压差大，且过多的扫气 会加重压气机的负担而使机械效率降低，故其叠开角一般 取较小值；
在亚临界排气阶段，废气流量决定于气缸内和排气管内的压 力差。某一时刻，气缸内和排气管内的压力接近，则自由排气 阶段结束。自由排气阶段一般在下止点后10～30º CA才结束。 （自由排气阶段=超临界流动阶段+部分亚临界流动阶段）
这一阶段虽然只占总排气时间的1/3左右，且气阀开启流通 面积也较小，但因流速很高，排出的废气量可达60％以上。在 超临界时期常伴有刺耳的噪声，是发动机排气噪声的主要来源。
第二章 发动机的换气过程
要使发动机作功多，扭矩大，功率大，需要燃料在气缸内 燃烧时放热多，这主要取决于进入气缸中空气量的多少。 因此，要求进气尽可能充分，排气尽可能干净。
内燃机中的流动均是不稳定流，而且进、排气管中发生 的压力波有时可能促进进、排气作用，有时可能妨碍进、 排气作用，因此，理论分析很困难。
本章将根据试验结果，结合理论分析，研究内燃机的换气过 程，分析影响发动机充气效率的因素，从而设法尽可能提高 发动机的充气量。
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§1-1 四冲程内燃机的换气过程
换气过程—排气过程开启至进气门关闭，约占410ºC~480ºC曲轴转角。
包括自由排气、强制排气、进气和气门叠开四个阶段。
当排气温度为700~1100K时，声速c可达500~700（m/s）。
（ c kRT ）
当废气流向排气管时，管内压力Pr急剧 上升，产生了正压力
波，到了管端口后又变成负压力波反射回排气门。
k
当 pr 2 k1时 ，0.5属28 于亚临界流动。
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一、自由排气阶段：
自由排气阶段—排气门打开至气缸压力接近排气管压力的这 段时期。
为什么排气门必须在下止点前提前开启一定角度？ 排气门开启初期，活塞移动速度缓慢，排气门开启流通截 面积只能缓慢增加，如果排气门恰好在下止点开启，气缸 内压力下降缓慢，活塞上行时压缩负功较大，增大排气过 程的消耗功率，因此，排气门必须提前开启。通常，排气 门提前开启角度约30~80ºCA。
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在排气门提前开启时，气缸内压力p约为0.2～0.5MPa，与 排气管内压力Pr之比大于临界值1.9，排气的流动处于超临界 状态，废气以当地声速c（m/s）流过排气门，废气流量与气 体压差无关，仅取决于气缸内气体的状态和气门开启有效截面 积。
k
（当 pr 2 k1 时0，.52属8 于超临界流动）。 p k 1
叠开角过大的问题： a.会使气门与活塞发生干涉，活塞上的气门避让坑相应地要加深，直
接影响燃烧室气体运动的合理组织以及压缩比的大小。 b.过多的扫气空气也会加重涡轮增压器的负担。 c. 增压汽油机，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，故叠开角仍较小。
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由于排气门的迟后关闭和进气门的提前开启，在进、排 气上止点附近，存在进、排气门同时开着的现象，称之为 气门叠开。
特点：1.进气管、气缸、排气管三者相通，有利于扫气增加。 2.新鲜冲量的冷却有利于降低缸内温度。
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气门叠开角的确定：
由于气流惯性，进气管、排气管虽然相通，在气门叠 开角适当时不应出现废气倒流现象。
1、汽油机气门叠开角较小，因为发动机怠速工况时节 气门开度最小，进气节流损失最大，进气非增压柴油机进排气压力相当，允许采用较大的 气门叠开角，增强扫气效果，提高充量质量，提高性 能。气门叠开角一般为20～60 ºCA。
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2、进气迟闭
为了利用吸气过程中产生的高速气流的惯性，进气门 必须在下止点后适当曲轴转角才完全关闭，实现过后充 气，以增加气缸内充气量。进气迟闭角一般为下止点后 20-60 ºCA。
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四、气门叠开和燃烧室扫气过程
三、进气过程：从进气门开启到关闭，内燃机吸入的新鲜充量的
整个过程。
1.进气提前：
进气门一般在上止点前提前一定曲轴转角开启，以 保证活塞下行时有足够大的开启面积，减少进气节流损 失。进气门提前角一般为0～ 40ºCA。
进气真正开始时刻，要待气缸内残余废气膨胀至低于进 气管内进气压力才开始。由于该时进气管内气体加速需要压 力差，进气门开启截面积又小，因此新鲜充量不能及时吸入 气缸。进气门提前开启就是为了减少节流损失，增加气缸内 充气量。
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五、四冲程内燃机换气损失
定义:理论循环换气功与实际循环换气功之差 。
排气门迟闭角为4= 10～70 °CA。
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二、强制排气阶段：
定义：自由排气结束后，气缸内的废气随活塞上行被强制排 出，直到排气门关闭。
在此阶段缸内气体的状态由活塞的运动速度与位置、气 门有效流通截面的变化规律以及排气管内的气体状态等共 同决定。
3、在增压柴油机中，由于进气压力始终高于排气管内 压力，新鲜充量可以经燃烧室后流入排气管中，以达到扫气 的目的，不仅有助于降低受热零件表面温度，提高其可靠性， 降低增压器涡轮的进口温度。因此，增压柴油机气门叠开角 可以较大，一般为80～140 ºCA。
4、机械增压柴油机:由于进、排气压差大，且过多的扫气 会加重压气机的负担而使机械效率降低，故其叠开角一般 取较小值；
在亚临界排气阶段，废气流量决定于气缸内和排气管内的压 力差。某一时刻，气缸内和排气管内的压力接近，则自由排气 阶段结束。自由排气阶段一般在下止点后10～30º CA才结束。 （自由排气阶段=超临界流动阶段+部分亚临界流动阶段）
这一阶段虽然只占总排气时间的1/3左右，且气阀开启流通 面积也较小，但因流速很高，排出的废气量可达60％以上。在 超临界时期常伴有刺耳的噪声，是发动机排气噪声的主要来源。
第二章 发动机的换气过程
要使发动机作功多，扭矩大，功率大，需要燃料在气缸内 燃烧时放热多，这主要取决于进入气缸中空气量的多少。 因此，要求进气尽可能充分，排气尽可能干净。
内燃机中的流动均是不稳定流，而且进、排气管中发生 的压力波有时可能促进进、排气作用，有时可能妨碍进、 排气作用，因此，理论分析很困难。
本章将根据试验结果，结合理论分析，研究内燃机的换气过 程，分析影响发动机充气效率的因素，从而设法尽可能提高 发动机的充气量。
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换气过程—排气过程开启至进气门关闭，约占410ºC~480ºC曲轴转角。
包括自由排气、强制排气、进气和气门叠开四个阶段。
当排气温度为700~1100K时，声速c可达500~700（m/s）。
（ c kRT ）
当废气流向排气管时，管内压力Pr急剧 上升，产生了正压力
波，到了管端口后又变成负压力波反射回排气门。
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自由排气阶段—排气门打开至气缸压力接近排气管压力的这 段时期。
为什么排气门必须在下止点前提前开启一定角度？ 排气门开启初期，活塞移动速度缓慢，排气门开启流通截 面积只能缓慢增加，如果排气门恰好在下止点开启，气缸 内压力下降缓慢，活塞上行时压缩负功较大，增大排气过 程的消耗功率，因此，排气门必须提前开启。通常，排气 门提前开启角度约30~80ºCA。
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在排气门提前开启时，气缸内压力p约为0.2～0.5MPa，与 排气管内压力Pr之比大于临界值1.9，排气的流动处于超临界 状态，废气以当地声速c（m/s）流过排气门，废气流量与气 体压差无关，仅取决于气缸内气体的状态和气门开启有效截面 积。
k
（当 pr 2 k1 时0，.52属8 于超临界流动）。 p k 1
叠开角过大的问题： a.会使气门与活塞发生干涉，活塞上的气门避让坑相应地要加深，直
接影响燃烧室气体运动的合理组织以及压缩比的大小。 b.过多的扫气空气也会加重涡轮增压器的负担。 c. 增压汽油机，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，故叠开角仍较小。
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由于排气门的迟后关闭和进气门的提前开启，在进、排 气上止点附近，存在进、排气门同时开着的现象，称之为 气门叠开。
特点：1.进气管、气缸、排气管三者相通，有利于扫气增加。 2.新鲜冲量的冷却有利于降低缸内温度。
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气门叠开角的确定：
由于气流惯性，进气管、排气管虽然相通，在气门叠 开角适当时不应出现废气倒流现象。
1、汽油机气门叠开角较小，因为发动机怠速工况时节 气门开度最小，进气节流损失最大，进气非增压柴油机进排气压力相当，允许采用较大的 气门叠开角，增强扫气效果，提高充量质量，提高性 能。气门叠开角一般为20～60 ºCA。
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2、进气迟闭
为了利用吸气过程中产生的高速气流的惯性，进气门 必须在下止点后适当曲轴转角才完全关闭，实现过后充 气，以增加气缸内充气量。进气迟闭角一般为下止点后 20-60 ºCA。
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四、气门叠开和燃烧室扫气过程
三、进气过程：从进气门开启到关闭，内燃机吸入的新鲜充量的
整个过程。
1.进气提前：
进气门一般在上止点前提前一定曲轴转角开启，以 保证活塞下行时有足够大的开启面积，减少进气节流损 失。进气门提前角一般为0～ 40ºCA。
进气真正开始时刻，要待气缸内残余废气膨胀至低于进 气管内进气压力才开始。由于该时进气管内气体加速需要压 力差，进气门开启截面积又小，因此新鲜充量不能及时吸入 气缸。进气门提前开启就是为了减少节流损失，增加气缸内 充气量。
南京航空航天大学金城学院车辆工程
五、四冲程内燃机换气损失
定义:理论循环换气功与实际循环换气功之差 。