汽车发动机原理第4章 换气过程与循环充量
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进一步讨论这一问题）。
Residual gas control
(Gas exchange of 4-stroke engine at TDC)
pE pI Limit: W/o valve overlap
With valve overlap pI < pE (Part load)
With valve overlap pI > pE or high speed (Dynamic) TDC
由图4-18可知： q=1、2、3、、、正整数时，残余负波到达，对Φc 不利； q=1.5 、2.5 、 、 、时,残余正波到达,对Φc 不利。
图4-18 上循环压力波的动态效应
3、惯性效应+波动效应
→→“增压”， 可使Φc ＞1
（见图4-20）
问题： Φc 随转速和进气
管长变化，仅在 某一狭窄区域得 到改善。
图4-16 单缸机本循环进气动态效应
2、上循环压力波的动态效应（波动效应） 上循环残余压力波动的正压波如能处于本循环进气时期， 则会对Φc 有利，否则有负作用。 记：气门口处压力波动频率为f1= a/（4L）， 进气门开启频率为 则：频率比 f2= n/120， q= f1/f2= 30a/（nL）
Passenger car gasoline engine MB V6-3V with dual-spark ignition
EWM, VK1, VK2
E5844
Ford Zetec-SE engine
EWM
E5821
VW 4-valve cylinder head
VK2
E5143
FZR 750 engine with 5 valves
发动机构造图
对换气过程的要求：
1.最大限度地吸入新鲜充量——φc是核心问题； 2.最小的换气损失； 3. 各缸进气均匀性； 4.在缸内形成合理的流场，以控制混合气形成和 燃烧。
4.1
4.1.1
四冲程发动机的换气过程
换气过程与换气系统
1. 如图4-1，换气过程从膨胀冲程末期排气门开启 （a’点）时算起，直到进气门关闭（b’点）时为 止，大约为410ºCA~480ºCA； 2. 换气系统包括：气缸加上进气和排气系统，组 成的以大气为边界的流动的开式热力系统； （增压机和有排气后处理装置时更复杂）
V
E2024
4.1.3 进排气相位角及其对性能的影响
1、相位角及其功用 进、排气门相对于上、下止点早开、晚关的四个角度叫做进、 排气相位角。它们的取值关系到增大进气充量、减小换气损失 和阻力等性能的优化。 1）排气早开角 ◎排气早开角的必要性； ◎主要影响换气损失，对充量系数影响较小； ◎存在一个使换气损失为最小的最佳排气早开角（如图4-3）； ◎不同转速时要求的最佳排气早开角不同。
VK2 E5975
换气损失 =泵气损失功+膨胀损失功 或： 换气损失=排气损失功+进气损失功 =(75￣80)% +(20￣25)%
Gas exchange losses of 4-stroke engine
3 p 2 EVO 4
IVC pu 1′ IVO 1 EVC TDC
VK1, VK2
BDC
Diesel engine (°CA) EVO 50 - 40 BBDC 5 - 30 ATDC 0 - 25 BTDC 30 - 40 (70) ABDC
VK2
E3077
4.4 充量系数随转速的变化规律
以上讨论了设计参数对Φc的影响，本节将讨论工况 的影响。 1、进气速度特性—Φc随发动机转速n的变化规律； 如图4-12 ◎全负荷进气速度特性（进气外特性）—油门全开 ◎部分负荷速度特性—油门小于标定位置
4.3.3
其它因素对Φc的影响
◎进排气相位角，通过ζ和ψ起作用 ◎压缩比ε ◎。。。。。。
Valve timing (4-stroke engine)
Gasoline engine (°CA) EVO 60 (70) - 40 BBDC EVC IVO IVC 4 - 30 (40) ATDC 40 (30) - 10 (5) BTDC 40 - 60 (80) ABDC EVC IVO IVC
4.2 充量系数的解析式
1、充量系数Φc的基本定义 Φc=实际进气质量ma/ 理论进气质量（当前大气条件） ※按标准大气条件计算时，为充气系数，如不同海拔标定 2、 Φc 的获得方法 ： 实测ma（热线、节流、层流、涡列）以及当前大气条件 3、为便于分析影响因素，引入Φc的解析式：
K aTs Rs φc = (ε − 1) ps ps − ∆pa + ∆pζ ′ pr −ϕ ζ ε ′ ′ ′ ′ + ∆ R ( T T ) R T a s a r r
4.1.3 进排气相位角及其对性能的影响
2）排气晚关角 ◎排气晚关角的必要性——利用气流惯性； ◎主要影响充量系数和换气质量； ◎存在最佳排气晚关角， 过小，惯性利用不足，过大，废气倒流 3）进气早开角 ◎排气早开角的必要性——减小进气节流； ◎对泵气损失和充量系数均有影响； ◎存在一个使换气损失为最小的最佳进气早开角， 过小，进气节流大，过大，易回火。
第4 章
换气过程与循环充量
换气过程—排出废气和充入新气的全过程 ◎周期性、非稳态流动过程（不同于其它热机） ◎从“量”的方面影响动力性和经济性
Pe = ηet Gm H um p s 1 + φ a l0 2 i n Hu )φ cVs ( )( )( ) = ηcηtη m ( 1 + φ a l0 φ a l0 τ RsTs ps 2 i n Hu )φ cVs ( )( ) = ηcηtη m ( φ a l0 τ RsTs
4.3 充量系数的主要影响因素
3、进气马赫数（MACH Index） ◎ Δpa=0.5λρu2
λ—阻力系数，与结构形状、表面粗糙度有关 ρ—密度， u —流速。
流速u取决于流通截面的大小，而最小截面在进气门处。 ◎设进气门处的平均流速为vtm，当地音速为a， 则平均进气马赫数为： Mam= vtm /a ◎如图4-8， Mam ＞0.5后， Φc会急速下降 因为：虽然平均流速未达到音速，但某些小升程段的 流速已接近“壅塞”。进气系统设计原则 （4-10）
根据气体力学孔口节流的规律，当排气阀两端压力 之比大于 1.83 时，喉口处出现音速流动，也称为超临 界状态 （ 排气门开启时，缸内压力 p=0.2MPa￣0.5MPa,而
pe=0.11MPa￣0.12MPa，所以一般发动机都要经历超临界排气 阶段）。
超临界排气时，气门喉口（最小截面）始终保持当 地音速状态， a=（kRT）0.5，即排气流量只与缸内状 态和流通截面积有关,而与压差无关。(排气初期
4.5 进排气系统的动态效应
以上分析的是换气过程的静态特性，而实际压力是瞬变（波动）的。 例如，去掉进气管和空滤器Pe反而下降；再如，摩托车去掉排气管Pe反 而下降。
压力波动对进排气过程的影响称为动态效应 4.5.2 单缸机进气管动态效应的利用
既用于分析单缸机，也用于简化多缸机的分析 1、本循环压力波的动态效应（惯性效应）图4-16 设进气门开启时间为Δts，压力波传播周期为Δt=2L/a， （b） Δt ＞ Δts 时，反射波对进气无影响； （c） Δt ＜ Δts 时， 当反射波在进气后期到达气门口时， Φc 提高。
图4-1 四冲程机的换气系统和换气过程
4.1.2 换气过程及其分期 换气过程=排气阶段+进气阶段+气门重叠阶段
(展开图表示更明确)
1.排气过程=自由排气+强制排气
1) 自由排气阶段 排气门开启初期，缸内压力p远大于排气管压力 （ p=0.2MPa~0.5MPa ）,在此压差下废气流出，因此称 为自由排气阶段。
所以：可变进气管长度 技术（见图例）
Switch-over intake manifold Audi V6 (schematic)
Torque position Power position
VK2
E5635-2
Full load performance of an Audi V6 engine
300 Nm 270 240 210 Engine torque
Flow areas at intakeБайду номын сангаасvalve
Geometric cross-section A
ψ . AV
Flow cross-section
Valve
VK2
E2035-2
图4-8 充量系数与进气马赫数
4.3 充量系数的主要影响因素
◎ 由式（4-12）和（4-13）可知： 马赫数主要与D/ds、转速n、冲程s、进气门口流量系 数μs、当地音速a=f（T）有关。为提高Φc有： ◆提高进气门流通截面积，多气门（国内与国外主要差距）， 2气门（ds/D）2 = 20-25%，4气门则30%以上 见表4-2，气门数↑，转矩↑，允许最高转速↑， 则最大功率↑↑ ◆提高气门处流量系数μs ◇也可减小冲程s
括号内第一项与进气相关，影响最大，第二项与排气相关。
换气过程示意图
4.3 充量系数的主要影响因素
4.3.1 Δpa的影响
假定进气过程为准稳定过程（不考虑动态效应），则 Δpa为进气流动总压力损失。 自吸式发动机的Δpa/ ps为0.1~0.2，汽油机中低负荷时 更大，因而Δpa为Φc的最大影响因素。 1、 Δpa等于沿程阻力与局部阻力之和，降低各部流损； 2、 Δpa应与进气涡流取得平衡关系；
2．进气过程
缸内进气压力线呈中凹形。初期压力较大下降， 是活塞下行加速度加大，使真空度加大的结果； 后期压力上升，则是高速流入气缸的充量，其 动能转变为势能（压力）的结果。
章后面要重点分析）。
进气过程的核心问题是充量系数 φc的问题（本
3. 气门重叠过程
图4-1d-r′段是气门重叠期（！展开图）， 气门重叠期=排气门晚关角+进气门早开角（后面要
VK2
E5757
4.3.2
进气温升对Φc的影响
进气温升△Ta′↑，工质密度↓， Φc ↓。
进气温升△Ta′由下列四项组成，
△Ta′=△Tw+△TL+△Tr+△Tg 式中， △Tw—高温壁面传热所引起的温升；合理冷却，降低热负荷； △TL —压力损失变为摩擦热引起的温升；减小Δpa； △Tr—残余废气与新气混合引起的温升；减小残余废气系数 △Tg——进气过程中，燃料汽化、吸热所引起的温度变化 （注意，柴油机为0、汽油机为负值）。 ——（4-17）
T=700K￣1100K，则a=500￣700m/s，形成发动机排气噪声 的主要来源）
随汽缸压力下降，当排气阀两端压力之比小于 1.83 时，喉口流速低于音速，进入亚临界自由排气阶段， 流量大小取决于压差和流通截面，但仍保持高的排气 速度。
自由排气阶段大约到下止点后 10 º CA~30ºCA 结束 （一般排气提前角为 30 º CA~80ºCA）。占总排气时间 的1/3左右，但排气量达60%以上。所以这一时期也是 排气阻力、噪声最大的时期。 2) 强制排气阶段 自由排气结束后，缸内压力大大降低，必须依靠活 塞上行强制排气。这一阶段中，缸内与排气管的平均 压差约为0.01~0.02MPa，时间占总排气时期的2/3。 排气后期到上止点时，压力略有上升（图 4-1 ） , 这是气门流通截面减小排气不畅的缘故。 排气上止点时，气流仍有向外流动的惯性，所以一 般排气门晚关10ºCA~35ºCA
图4-12
进气速度特性曲线
2、对Φc-n曲线的分析
（1） Φc-n曲线基本决定了各转速下的最大输出功率； （2）汽、柴油机变化规律有很大不同：
汽油机： n↑， Φc ↓；
部分负荷时， 随n↑，Φc ↓↓（斜率更大）
柴油机： n↑， Φc ↓（但斜率小于汽油机）；
部分负荷时， Φc 略升 ？为什么 （3）运转稳定性： 汽油机好于柴油机。
4）进气晚关角 ◎排气早开角的必要性——利用气流惯性； ◎主要影响充量系数； ◎存在最佳进气晚关角， 过小，惯性利用不足，过小，回流。 5）共性问题 ◎随转速升高，最佳相位角应增大； ◎四个相位角中，进气晚关角对充量系数影响最大，排气 早开角对换气损失影响最大； ◎最佳相位角，增压机与非增压机不同（图4-5）； ◎气门重叠角，汽油机＜柴油机＜增压机。
Residual gas control
(Gas exchange of 4-stroke engine at TDC)
pE pI Limit: W/o valve overlap
With valve overlap pI < pE (Part load)
With valve overlap pI > pE or high speed (Dynamic) TDC
由图4-18可知： q=1、2、3、、、正整数时，残余负波到达，对Φc 不利； q=1.5 、2.5 、 、 、时,残余正波到达,对Φc 不利。
图4-18 上循环压力波的动态效应
3、惯性效应+波动效应
→→“增压”， 可使Φc ＞1
（见图4-20）
问题： Φc 随转速和进气
管长变化，仅在 某一狭窄区域得 到改善。
图4-16 单缸机本循环进气动态效应
2、上循环压力波的动态效应（波动效应） 上循环残余压力波动的正压波如能处于本循环进气时期， 则会对Φc 有利，否则有负作用。 记：气门口处压力波动频率为f1= a/（4L）， 进气门开启频率为 则：频率比 f2= n/120， q= f1/f2= 30a/（nL）
Passenger car gasoline engine MB V6-3V with dual-spark ignition
EWM, VK1, VK2
E5844
Ford Zetec-SE engine
EWM
E5821
VW 4-valve cylinder head
VK2
E5143
FZR 750 engine with 5 valves
发动机构造图
对换气过程的要求：
1.最大限度地吸入新鲜充量——φc是核心问题； 2.最小的换气损失； 3. 各缸进气均匀性； 4.在缸内形成合理的流场，以控制混合气形成和 燃烧。
4.1
4.1.1
四冲程发动机的换气过程
换气过程与换气系统
1. 如图4-1，换气过程从膨胀冲程末期排气门开启 （a’点）时算起，直到进气门关闭（b’点）时为 止，大约为410ºCA~480ºCA； 2. 换气系统包括：气缸加上进气和排气系统，组 成的以大气为边界的流动的开式热力系统； （增压机和有排气后处理装置时更复杂）
V
E2024
4.1.3 进排气相位角及其对性能的影响
1、相位角及其功用 进、排气门相对于上、下止点早开、晚关的四个角度叫做进、 排气相位角。它们的取值关系到增大进气充量、减小换气损失 和阻力等性能的优化。 1）排气早开角 ◎排气早开角的必要性； ◎主要影响换气损失，对充量系数影响较小； ◎存在一个使换气损失为最小的最佳排气早开角（如图4-3）； ◎不同转速时要求的最佳排气早开角不同。
VK2 E5975
换气损失 =泵气损失功+膨胀损失功 或： 换气损失=排气损失功+进气损失功 =(75￣80)% +(20￣25)%
Gas exchange losses of 4-stroke engine
3 p 2 EVO 4
IVC pu 1′ IVO 1 EVC TDC
VK1, VK2
BDC
Diesel engine (°CA) EVO 50 - 40 BBDC 5 - 30 ATDC 0 - 25 BTDC 30 - 40 (70) ABDC
VK2
E3077
4.4 充量系数随转速的变化规律
以上讨论了设计参数对Φc的影响，本节将讨论工况 的影响。 1、进气速度特性—Φc随发动机转速n的变化规律； 如图4-12 ◎全负荷进气速度特性（进气外特性）—油门全开 ◎部分负荷速度特性—油门小于标定位置
4.3.3
其它因素对Φc的影响
◎进排气相位角，通过ζ和ψ起作用 ◎压缩比ε ◎。。。。。。
Valve timing (4-stroke engine)
Gasoline engine (°CA) EVO 60 (70) - 40 BBDC EVC IVO IVC 4 - 30 (40) ATDC 40 (30) - 10 (5) BTDC 40 - 60 (80) ABDC EVC IVO IVC
4.2 充量系数的解析式
1、充量系数Φc的基本定义 Φc=实际进气质量ma/ 理论进气质量（当前大气条件） ※按标准大气条件计算时，为充气系数，如不同海拔标定 2、 Φc 的获得方法 ： 实测ma（热线、节流、层流、涡列）以及当前大气条件 3、为便于分析影响因素，引入Φc的解析式：
K aTs Rs φc = (ε − 1) ps ps − ∆pa + ∆pζ ′ pr −ϕ ζ ε ′ ′ ′ ′ + ∆ R ( T T ) R T a s a r r
4.1.3 进排气相位角及其对性能的影响
2）排气晚关角 ◎排气晚关角的必要性——利用气流惯性； ◎主要影响充量系数和换气质量； ◎存在最佳排气晚关角， 过小，惯性利用不足，过大，废气倒流 3）进气早开角 ◎排气早开角的必要性——减小进气节流； ◎对泵气损失和充量系数均有影响； ◎存在一个使换气损失为最小的最佳进气早开角， 过小，进气节流大，过大，易回火。
第4 章
换气过程与循环充量
换气过程—排出废气和充入新气的全过程 ◎周期性、非稳态流动过程（不同于其它热机） ◎从“量”的方面影响动力性和经济性
Pe = ηet Gm H um p s 1 + φ a l0 2 i n Hu )φ cVs ( )( )( ) = ηcηtη m ( 1 + φ a l0 φ a l0 τ RsTs ps 2 i n Hu )φ cVs ( )( ) = ηcηtη m ( φ a l0 τ RsTs
4.3 充量系数的主要影响因素
3、进气马赫数（MACH Index） ◎ Δpa=0.5λρu2
λ—阻力系数，与结构形状、表面粗糙度有关 ρ—密度， u —流速。
流速u取决于流通截面的大小，而最小截面在进气门处。 ◎设进气门处的平均流速为vtm，当地音速为a， 则平均进气马赫数为： Mam= vtm /a ◎如图4-8， Mam ＞0.5后， Φc会急速下降 因为：虽然平均流速未达到音速，但某些小升程段的 流速已接近“壅塞”。进气系统设计原则 （4-10）
根据气体力学孔口节流的规律，当排气阀两端压力 之比大于 1.83 时，喉口处出现音速流动，也称为超临 界状态 （ 排气门开启时，缸内压力 p=0.2MPa￣0.5MPa,而
pe=0.11MPa￣0.12MPa，所以一般发动机都要经历超临界排气 阶段）。
超临界排气时，气门喉口（最小截面）始终保持当 地音速状态， a=（kRT）0.5，即排气流量只与缸内状 态和流通截面积有关,而与压差无关。(排气初期
4.5 进排气系统的动态效应
以上分析的是换气过程的静态特性，而实际压力是瞬变（波动）的。 例如，去掉进气管和空滤器Pe反而下降；再如，摩托车去掉排气管Pe反 而下降。
压力波动对进排气过程的影响称为动态效应 4.5.2 单缸机进气管动态效应的利用
既用于分析单缸机，也用于简化多缸机的分析 1、本循环压力波的动态效应（惯性效应）图4-16 设进气门开启时间为Δts，压力波传播周期为Δt=2L/a， （b） Δt ＞ Δts 时，反射波对进气无影响； （c） Δt ＜ Δts 时， 当反射波在进气后期到达气门口时， Φc 提高。
图4-1 四冲程机的换气系统和换气过程
4.1.2 换气过程及其分期 换气过程=排气阶段+进气阶段+气门重叠阶段
(展开图表示更明确)
1.排气过程=自由排气+强制排气
1) 自由排气阶段 排气门开启初期，缸内压力p远大于排气管压力 （ p=0.2MPa~0.5MPa ）,在此压差下废气流出，因此称 为自由排气阶段。
所以：可变进气管长度 技术（见图例）
Switch-over intake manifold Audi V6 (schematic)
Torque position Power position
VK2
E5635-2
Full load performance of an Audi V6 engine
300 Nm 270 240 210 Engine torque
Flow areas at intakeБайду номын сангаасvalve
Geometric cross-section A
ψ . AV
Flow cross-section
Valve
VK2
E2035-2
图4-8 充量系数与进气马赫数
4.3 充量系数的主要影响因素
◎ 由式（4-12）和（4-13）可知： 马赫数主要与D/ds、转速n、冲程s、进气门口流量系 数μs、当地音速a=f（T）有关。为提高Φc有： ◆提高进气门流通截面积，多气门（国内与国外主要差距）， 2气门（ds/D）2 = 20-25%，4气门则30%以上 见表4-2，气门数↑，转矩↑，允许最高转速↑， 则最大功率↑↑ ◆提高气门处流量系数μs ◇也可减小冲程s
括号内第一项与进气相关，影响最大，第二项与排气相关。
换气过程示意图
4.3 充量系数的主要影响因素
4.3.1 Δpa的影响
假定进气过程为准稳定过程（不考虑动态效应），则 Δpa为进气流动总压力损失。 自吸式发动机的Δpa/ ps为0.1~0.2，汽油机中低负荷时 更大，因而Δpa为Φc的最大影响因素。 1、 Δpa等于沿程阻力与局部阻力之和，降低各部流损； 2、 Δpa应与进气涡流取得平衡关系；
2．进气过程
缸内进气压力线呈中凹形。初期压力较大下降， 是活塞下行加速度加大，使真空度加大的结果； 后期压力上升，则是高速流入气缸的充量，其 动能转变为势能（压力）的结果。
章后面要重点分析）。
进气过程的核心问题是充量系数 φc的问题（本
3. 气门重叠过程
图4-1d-r′段是气门重叠期（！展开图）， 气门重叠期=排气门晚关角+进气门早开角（后面要
VK2
E5757
4.3.2
进气温升对Φc的影响
进气温升△Ta′↑，工质密度↓， Φc ↓。
进气温升△Ta′由下列四项组成，
△Ta′=△Tw+△TL+△Tr+△Tg 式中， △Tw—高温壁面传热所引起的温升；合理冷却，降低热负荷； △TL —压力损失变为摩擦热引起的温升；减小Δpa； △Tr—残余废气与新气混合引起的温升；减小残余废气系数 △Tg——进气过程中，燃料汽化、吸热所引起的温度变化 （注意，柴油机为0、汽油机为负值）。 ——（4-17）
T=700K￣1100K，则a=500￣700m/s，形成发动机排气噪声 的主要来源）
随汽缸压力下降，当排气阀两端压力之比小于 1.83 时，喉口流速低于音速，进入亚临界自由排气阶段， 流量大小取决于压差和流通截面，但仍保持高的排气 速度。
自由排气阶段大约到下止点后 10 º CA~30ºCA 结束 （一般排气提前角为 30 º CA~80ºCA）。占总排气时间 的1/3左右，但排气量达60%以上。所以这一时期也是 排气阻力、噪声最大的时期。 2) 强制排气阶段 自由排气结束后，缸内压力大大降低，必须依靠活 塞上行强制排气。这一阶段中，缸内与排气管的平均 压差约为0.01~0.02MPa，时间占总排气时期的2/3。 排气后期到上止点时，压力略有上升（图 4-1 ） , 这是气门流通截面减小排气不畅的缘故。 排气上止点时，气流仍有向外流动的惯性，所以一 般排气门晚关10ºCA~35ºCA
图4-12
进气速度特性曲线
2、对Φc-n曲线的分析
（1） Φc-n曲线基本决定了各转速下的最大输出功率； （2）汽、柴油机变化规律有很大不同：
汽油机： n↑， Φc ↓；
部分负荷时， 随n↑，Φc ↓↓（斜率更大）
柴油机： n↑， Φc ↓（但斜率小于汽油机）；
部分负荷时， Φc 略升 ？为什么 （3）运转稳定性： 汽油机好于柴油机。
4）进气晚关角 ◎排气早开角的必要性——利用气流惯性； ◎主要影响充量系数； ◎存在最佳进气晚关角， 过小，惯性利用不足，过小，回流。 5）共性问题 ◎随转速升高，最佳相位角应增大； ◎四个相位角中，进气晚关角对充量系数影响最大，排气 早开角对换气损失影响最大； ◎最佳相位角，增压机与非增压机不同（图4-5）； ◎气门重叠角，汽油机＜柴油机＜增压机。