柴油机的换气过程

作业
1.
2. 3.
如果柴油机的排气口部分堵塞对柴油机 换气过程有什么不良影响? 四冲程柴油机的换气过程是怎样进行的? 按缸内压力变化,二冲程柴油机的换气 过程可分为哪几个阶段?各阶段有什么 特点?
two-stroke cycle diesel
四冲程柴油机 four-stroke cycle diesel
②

意义：
I. 新鲜空气将燃烧室中残存的废气清扫到排气管 II. 新鲜冷空气对燃烧室壁面进行冷却
三、二冲程柴油机的换气过程
以弯流扫气为例
Ⅰ自由排气阶段 Ⅱ强制排气 Ⅲ过后排气阶段 和扫气阶段 pd--------扫气压力pk
二冲程柴油机换气的特点
二冲程柴油机换气的特点

1) 2)
与四冲程机比较：
经济性、可靠性及排气污染，是柴油机
工作优劣的先决条件。
评定换气过程好坏的标志


废气排除是否干净
新鲜空气充入量

新鲜空气消耗量
二、四冲程柴油机的换气过程
四冲程柴油机的定时图
二、四冲程柴油机的换气过程
四冲程柴油机的定时图 换气过程：
1) 2) 3) 4) 自由排气阶段 强制排气阶段 进气阶段 气阀叠开和燃 烧室扫气
第五章 换气机构与增压
第一节 柴油机的换气过程（四冲程机） 第二节 柴油机的换气机构（气阀及气 阀传动机构） 第三节 柴油机的增压（废气涡轮增压） 第四节 增压器的检修（大纲不要求）
换气过程的定义
从排气过程、扫气过程到进气终止的整
个气体、
定义

充气系数v为换气结束后留在气缸内的新鲜空气 量G0与在进气口环境条件(对非增压四冲程柴油机为大气压力p0，
温度T0；对于二冲程柴油机为扫气箱扫气压力ps，温度Ts；对于增压柴油机 则为中间空气冷却器后的公共扫气箱压力pk，温度Ts)下充满气缸工
作容积Vs的理论新鲜空气量Gs之比值，即：
G0 V0 γ 0 V0 ηv = ＝ = Ga = G0 + Gr = G0 (1 + γ r ) G s Vs γ 0 V s 1 paVa Ga (1 + γ r ) 1 + γ r RTa Va pa Ts 1 ε pa Ts 1 = = = = p V Gs Vs ps Ta 1 + γ r ε - 1 ps Ta 1 + γ r s s RTs 显然在大多情况下G0＜Gs，因而v＜l，只有在某些增压柴油机 中，采用良好的增压技术达到G0＞Gs，则v＞l。
③
实际进气时刻：是气缸内压力低于进气管压力时才 真正进入气缸。非增压柴油机的实际进气时刻在上 止点后。
气阀叠开和 燃烧室扫气
① 气阀重叠角的定义：在上止点前后，从进气阀开启到 排气阀关闭这段时间进气阀和排气阀同时开启所对应 的曲轴转角称为气阀重叠角。一般非增压机为 20°~50°CA，增压机为80°~140°CA 燃烧室扫气：在气阀叠开期间新鲜空气对燃烧室的清 扫称为燃烧室扫气（一般只有增压四冲程柴油机才能 实现燃烧室扫气 ）

四冲程柴油机的v大于二冲程；四冲程增压柴油机的v 大于非增压；二冲程柴油机中直流扫气的v最大。
影响因素
1.
1)
柴油机构造：
主要有进、排气通道的形状，表面状况，通流截面的大小：要使 进、排气通道畅通，流阻下降，排气背压较低，残余废气减少， 可使v提高。为此，应选择合理的气口形状和尽可能大的进、排 气阀直径。 S/D是柴油机的一个重要结构参数。
换气时间少（120~150℃A） 换气依靠压差进行，由于存在掺混、死角及短路， 换气质量差 扫气耗功较多 气缸容积利用率低（由于气缸下端开有气口）
I. II. 失效行程h：活塞在下止点位臵时的活塞上平面到气口上 边沿的距离。 行程失效系数s：失效行程h与活塞行程S之比，即
3) 4)
ψs = h s
进气阶段
① ②

从进气阀开启到进气阀关闭的阶段（活塞的抽吸+进 气气流的惯性） 进气提前开启角(10°~40°)和进气延后关闭角的目 的是为了尽力吸入新鲜空气。
进气提前开启角过大会造成废气倒灌 进气提前开启角过小则影响进气； 进气延后关闭角过小会影响空气流动惯性而减小进气量， 进气延后关闭角过大则使新鲜空气倒流出气缸并使有效压 缩比减小。
1. 残余废气系数r 2. 充量系数(充气效率) v
1) 定义 2) 影响因素 1) 定义 2) 降低r值的措施
3. 4. 5. 6.
扫气效率s 扫气过量空气系数k 扫气系数S 小结
•作业
G0-换气结束后留在气缸内的新鲜空气量； Gs-进气口环境条件下充满气缸工作容积Vs 的理论新鲜空气量； Gk-每一循环流过扫气口的新鲜空气量； Gr-留在气缸内的残余废气量
自由排 气阶段
I. 排气阀在下止点前30°~80°打开，直到下止点后气缸压力接近 排气管压力为止。由于废气的排出是在压差的作用下排出，故 称为自由排气阶段。压差排气。在此阶段根据气缸内外压差是 否超过临界值，可分为超临界阶段（排气管压力与气缸压力之 比小于临界值（2/（k+1））k/（k-1））和亚临界阶段。 II. 排气阀开启提前角要大，以便使排气阀在下止点的开度和下止 点前的时面值足够大。但也不能太大，若太大将引起膨胀功的 损失过多。 III. 自由排气一般在BDC后10°~30℃A结束。结束愈晚，下一阶段 活塞排气消耗的功愈大。 IV. 自由排气阶段虽然占整个排气时间的比例不大，但由于废气流 速很高，排出的废气量占可达60%以上。
γr = G0

四冲程柴油机决定r的主要因素是燃烧室扫气 过程，扫气过程进行得越好，废气清除得越 干净，则r 越小。 通常增压柴油机的r值在0~0.15之间。四冲程 增压柴油机的r值最小，甚至为0，二冲程回 流扫气r值较大。
降低r值的措施



改善气道形状 改变扫气形式 清洁扫、排气口及其通道，降低排气背压 使排气通畅 加大进、排气阀重叠角，采用燃烧室扫气 (此时有新气流失)。 提前打开排气阀(有膨胀功损失)
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（进气开始点） 为止的这一阶段，叫做自由排气阶段。 在此阶段中废气主要借缸内与排气管中 的压力差(p-pr)经排气口高速流入排气 管。在此阶段根据气缸内外压差是否超 过临界值，也可分为超临界阶段和亚临 界阶段。
2)
2.
运转条件：
I. II. III.
3.
运转管理质量：促使v下降的原因
I.
II. III.
v ∝ξ/f2 当进、排气道及设备污染、阻塞、积炭严重，会使进气阻 力系数ξ增加，流通面积f下降
进气温度上升 气阀定时的改变或调整不当时也将影响v
定义
残余废气系数r 为换气结束后留在气缸内的 残余废气量Gr与换气结束后留在气缸内的新 鲜空气量G0之比值，即： Gr
扫气过量空气系数k又称给气比
扫气过量空气系数k 表示每一循环流 过扫气口的新鲜空气量Gk(kg)与在进气 状态下充满气缸工作容积的理论空气量 Gs(kg)之比。即： Gk k Gs
显然，扫气过量空气系数k一般大于1 说明扫气空气消耗的绝对量

扫气系数S
扫气系数S 是指整个循环中流过扫气口的新 鲜空气量Gk(kg)与换气过程结束后，留在气 缸中的新鲜空气量G0之比。即： Gk s G0
强制排气阶段

①
从自由排气结束到排气阀关闭这一阶段
②
③ 排气过程是由活塞的推挤造成的，故称为强制排气 阶段。 当活塞到达上止点后向下运行的初期，由于排气行 程中形成的高速排气流的惯性作用下，废气继续排 出气缸，故称为惯性排气。 因此排气阀在上止点后滞后关闭，一般排气迟闭角 为10~70°(CA)。实现了过后排气，延长了排气时间， 增大了气阀的时面值，可使废气排得干净，排气功 减小，排气流的惯性得到充分利用。但过大的排气 迟闭角会导致废气倒流，最理想的关闭角是当废气 从气缸流出的流动刚好停止时。

强制排气和扫 气阶段(R-C)
从进气开始R到活塞经下止点再上行而 在C点关闭扫气口为止的阶段，叫做强 制排气和扫气阶段。 在此阶段主要靠新气与缸内废气的压力 差，利用新气清扫废气，把废气从气缸 中强制排出。显然，在此阶段内新气与 废气发生掺混，并有部分新气经排气口 排出
过后排气阶段 (C-E)
I. II. 对不同机型的比较：若S/D=常数，则随着S与D的增加，气缸的相对散 热面积F/V下降，则新气进入气缸后与缸壁的热交换减弱，温升减小， 有利于提高v，为此中、大型柴油机的v较高。 当Vs一定而S/D增加时，相应地S增加或D减少，则F/V增加、热交换强 烈(传热路径加长)，残余废气增加，则v下降，对目前发展中的长行 程柴油机不利。 转速对v(∝n2)影响极大，一般存在一个使v 最大的最佳转速。 柴油机负荷增加后，使缸壁温度升高，则v下降。 气缸活塞的冷却条件改变时，也将使v变化。
扫气系数S =1.4~2.0。视换气形式和增压程 度的不同而不同。 说明扫气空气消耗的相对量

小结
换气质量愈高，扫气效率s愈高，残余废气系数 r 愈小，扫气过量空气系数k 愈小，扫气系数 S 愈小。换气质量越完善。 四冲程柴油机用充气(量)系数v和残余废气系数 r 衡量换气过程进行的完善程度 二冲程柴油机用充气(量)系数v、扫气效率s和 残余废气系数r衡量换气过程进行的完善程度。 扫气过量空气系数k主要是评定扫气过程所消耗 的新鲜空气量的多少。
扫气效率s


扫气效率s是指扫气结束后留在气缸中的新鲜空气量G0与气缸内全部 气体量Ga之比。
扫气效率s 与残余废气系数r的关系，由于Ga= G0+Gr
ηs = G0 1 = Ga 1 + γ r