发动机原理教案7影响换气过程的因素
第三章--发动机的换气过程
胡水福
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重要
提高充量系数措施 结构一定, 即εc一定
胡水福
降低进气系统的阻力损失，提 高气缸内进气终了时的压力pa
降低排气系统的阻力损失，以 减小缸内的残余废气系数φr
减少高温零件在进气系统中对 新鲜充量的加热，以降低进气 终了时的充量温度Ta
第三章 发动机的换气过程
主讲：
胡水福
1
胡水福
上止点 下止点
2
燃料在气缸内完全燃烧需要一定量的空气，完全燃烧 时汽油与空气的体积比约为1：10000，而柴油与空气的 体积比还要更大一些。由此可见，可燃混合气中燃料所占 容积比例很小，所以充入气缸的混合气燃烧放热量的大小， 主要取决于充入缸内的空气量多少。每循环进入气缸的空 气量多，既可多供给一些燃料，又可以提高燃料的完全燃 烧程度。提高发动机的扭矩和功率。此外，换气过程有功 率损失使热效率降低。换气过程的好坏对发动机零件的热 复合、排气冒烟、大气污染等也有一定影响。
活塞上行强制推出废气。
惯性排气 10°-35°
胡水福
9
二、进气过程： 从进气门开启到关闭的全过程
准备进气：进气提前角，一般为0º~40º(CA)。 正常进气 ：活塞下行残余废气膨胀，新鲜气体充入气缸。 惯性进气：进气迟闭角一般为40º~70º(CA)。
胡水福
10
4、准备进气阶段
为了增加进气量 ，进气门必须在上止点前，排气尚未结
束时就开始开启，以保证活塞下行进气开始时，就有较大的进
气通道截面，为进气作好准备，从进气 门开始开启到活塞行
至上止点这个时期称为准备进气阶段。该阶段曲轴转过的角度
发动机原理与汽车理论第2章发动机的换气过程.ppt
结论
结论
进气终了压力提高，充气效率提高。 进气终了温度提高，充气效率下降。 排气终了压力提高，充气效率下降。 排气终了温度变化对充气效率影响不大。 大气压力降低、大气温度升高，充气效率提
高。 压缩比提高，充气效率提高。 配气相位：进、排气迟后角过大或过小，充
气效率降低。
二、残余废气系数的影响因素
容积一定时，充气效率越高，说明进气越充分，
每循环的实际充量越多，发动机的动力性好。
第二节 影响换气过程的因素
一、影响充气效率的因素 二、影响残余废气系数的因素
一、影响充气效率的因素
v
ma mr m0
1 T0
1 p0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
pa
Ta
pr Tr
1.进气终了的压力和温度 2.排气终了的压力和温度 3.大气压力和温度 4.压缩比 5.配气相位
一、换气过程
四冲程发动机的换气过程是指上一循环排气 门开启到下一循环进气门完全关闭的整个过 程。
换气过程分为自由排气、强制排气和进气过 程三个阶段 。
自由排气 强制排气 进气、扫气
换气过程
自由排气
自由排气阶段：从排气门开启，到汽缸内压力接近排气管 内压力这段时间 。
1.超临界状态 排气量只取决于排气门的开度、气体状态等，与排气门
前后的压力差无关。 2.亚临界状态 排气量只取决于排气门的开度和排气门前后的压力差。
排出的废气量可达排气总量的60%以上。 排气门应该在活塞到达下止点前提前开启（减小排气阻 力）。
强制排气
强制排气阶段：自由排气阶段结束后，汽缸内的 废气被上行的活塞强制推出，直到排气门关闭。 废气的流动状态仍处于亚临界状态。 排气门应该在活塞到达上止点后不久才关闭（减 少残余废气量和减小排气阻力）。
发动机原理 3章 发动机的换气过程
v
1
s ps
pa a
1 1
Ta =T0+ a Ta >T0 的原因是： ①高温零件加热； ②残余废气加热； ③进气预热。
a a v \在条件允许的情况下，应力求降低 Ta 值。例如，将
高温排气管与进气管分置于气缸两侧，控制进气预热，适当加大气门叠开角等， 均有利于降低 Ta
影响因素： 负荷 a
Ts/Ta↑， a v
充气效率有所增加。
一般情况下，充气效率与（Ts/Ta）m 成正比，m≈0.250.3.
转速增加，作用时间短Ts/Ta增加；负荷增加缸壁温度增加， Ts/Ta减小。
环境压力
Ps对充气效率没有影响。
Pa Ps
1 C1
Ps RTs Ps
1 C2
C3
Pa=ps-1/2λ*v2*ρs，两端同除以Ps， 可见，Pa/Ps在温度相同的情况下为常数，充气效率不变。
• 作用：利用高速气流的惯性和压力 差在下止点后继续充气，增加进气 量。
• 5、气门叠开δ + α ：由于排气门 的迟闭和进气门早开，存在进、排 气门同时打开的状态，称为气门叠 开（气门重叠）。
• 作用：扫气，清除残余废气，减小 残余废气系数；
• 降低高温零件的温度（降低Ta提高 ηv）
• 但要保证不应产生废气倒流现象。 • δ + α范围：增压发动机可达 80
发动机原理
第三章 发动机的换气过程
本章目的： 了解换气过程的情况， 分析影响充气量的因素， 寻找提高充气量的途径。
20:22:44
1
§3.1四行程发动机的换气过程
作用：尽可能排除缸内废气并充入尽可能多的新鲜工质。
每循环进入气缸的新鲜工质量 （m1） Q1 e L
影响汽车发动机换气过程的因素及措施
影响汽车发动机换气过程的因素及措施20lotl7^技术协作信息Z程技术影响汽车发动机换气过程的因素及措施●何立波摘要:发动机的排气过程和进气过程的总和,统称为换气过程.换气过程的任务是将缸内的废气排净,吸入尽可能的新鲜工质.本文主要分析影响汽车发动机换气过程的因素及需要采取的相应措施.关键词:汽车发动机;换气过程;影响因素;措施一,影响汽车发动机换气过程的因素发动机运行时,在换气时间内,要使排气干净,进气充足是比较困难的.为了增加气门开启时间,充分利用气流的流动惯性以及减少换气损失,改善换气过程,提高发动机性能,进,排气门一般都提前开启,滞后关闭,不受活塞行程的限制.充气系数对发动机的功率,转矩影响很大,因此,分析影响充气系数的因素具有重要意义.影响因素有进气终了压力及温度,大气的压力及温度,压缩比,排气终了压力及温度等.1.进气终了压力.-(1)空气滤清器的阻力.空气滤清器是用来减少进气过程中进入气缸的灰尘,以减少气缸的磨损.由于空气滤清器的结构不同及使用中油污堵塞,会使其阻力增大,造成发动机充气性能大大下降,因此要求空气滤清器的滤清效果要好,而又不增加进气阻力.使用中应经常保养,清除油污,更换滤芯,以达到减少阻力和进气通畅.①进气管道的阻力.进气管道包括进气歧管和通向缸体和缸盖上的气体通道.其阻力的大小主要取决于进气管道的结构和尺寸.进气歧管的断面大则阻力小,可提高进气压力.但断面大,气体流速低,且易使燃料液态颗粒沉积在管壁上,使燃料的蒸发与雾化变差,各缸分配不均匀.因此进气管的断面大小受到一定限制,使进气形成一定阻力.此外,进气管的长度,表面租糙度,拐弯及流通截面等,都会增加进气阻力.因此要求进气管有合适的长度与断面尺寸,拐弯处应有较大的圆角,管内表面光滑安装时进排气接口及其衬垫口应对准,以减少进气阻力,提高充气效率.②进气门处的阻力.在整个进气系统中,进气门处气流通过断面最小,而且截面变化大,是整个进气系统中产生阻力最大的地方.因此对进气压力的影响也最大.新鲜气体通过进气门,使进气终了压力降低.进气门通道断面的变化又取决于气门直径,锥角,升程和配气相位等多方面因素.(2)进气终了温度.新鲜气体进入气缸后,同高温机件接触,与残余废气混合,进气终了温度升高,气体密度减小,充气系数降低.此外,汽油机的进,排气管常铸成一体,利用排气管加热进气管,使燃油预热蒸发,也使进气温度升高,减少了循环充气.为了降低进气温度,在柴油机上常将进排气管分置在发动机两侧.2.压缩比的影响.压缩比增加,空隙容积相对减小,使残余废气量相对下降,所以充量系数提高.但压缩比对充气效率的影响很小,而且其数值的选择主要是考虑燃烧和机件负荷的限制,一般而言,汽油机在保证正常燃烧的前提下.尽可能提高压缩比,以提高热效率;柴油机在保证各工况正常着火的前提下,不过分追求高压缩比,以免机件承受的负荷过大.3.转速与配气相位的影响.进气流动阻力除了与进气系统的结构有关以外,还取决于新鲜气体的流速.气体流动引起的阻力与流速的平方成正比,而气体流速又与发动机转速有关,发动机转速提高,气体流速也提高,所以气体流动阻力也与发动机转速的平方成正比.随着转速的升高,气体阻力增大,使进气终了压力下降.配气相位包括进排气门早开,迟闭,在进排气门早开,迟闭中,进气迟闭角对进气终了压力影响最大.由于发动机转速变化,气流惯性也发生变化,但进气迟闭角是不变的,因此当转速高时,气流惯性未被利用;转速低时,又会造成气体倒流,从而影响进气压力.通过选择适当的配气相位,可获得较高的循环充量和充量系数.'4.负荷的影响.汽油机与柴油机负荷调节方法不同,发动机的负荷变化对进气终了压力的影响也不同.柴油机进气行程进入气缸的空气量不变,负荷的调节是通过改变油量调节拉杆或齿条的位置,控制喷油量来实现的.由于转速不变, 进气系统又无节流装置,因此流动阻力基本不变,所以当负荷变化时,进气终了压力也基本不变.5.排气终了压力.由于排气系统有阻力,排气终了时气缸内残余废气压力总是要高于大气压力.排气终了压力高,残余废气密度大,残余废气量多,新气充量相对减小,充量系数下降,与进气过程相同,排气终了压力主要取决于排气系统的阻力,特别是排气门处的阻力,当转速上升时,流动阻力增大而排气终了压力增加,使排气终了压力减小.6.排气终了温度.排气终了温度过高,下一个进气行程容易形成气阻现象.排气终了压力过高残余废气系数大,使充气效率下降.因此,适当降低排气终了温度和排气终了压力,有利于提高下一个进气行程的进气量.二,改善换气过程的措施1.减少进气系统阻力.影响进气压力的主要因素是进气系统的阻力.进气系统阻力的大小为各段通道阻力的总和.通过减小各段阻力,可达到减少进气系统阻力的目的.(1)减小进气门处的阻力.在整个进气系统中,进气门处的通过断面最小,而且变化大,气体流动阻力最大,是产生进气阻力的重要部位.采取下列措施可以减小进气门处的阻力.①增大进气门开启的对面值.气门开启断面与对应开启时间的乘积称为气门开启对面值.气门开启时间长,开启断面大,则气门开启时面值大,气流通过能力越强,阻力越小.增大进气门头部直径,减小气门头部锥角,增大气门升程,延长气门开启时间,均可扩大气门开启对面值,从而扩大气流通过能力,减少阻力提高充量系数. 但增大气门直径受到燃烧室结构的限制,因此常用减小排气门头部直径的方法, 相应增大进气门头部直径.②合理控制进气门处气流的平均速度.③增加进气门的数目一般采用双进气门和双排气门或三个进气门,二个排气门的结构,提高充量系数.(2)减小进气管道阻力.进气管道结构,尺寸及表面质量对充量系数有较大影响.进气管道应保证足够的气体流通面积和结构上的要求.汽油机还必须考虑燃料的蒸发,气化和分配;柴油机还应利于进气涡流的形成,以改善混合气的品质和燃烧等.为了改善发动机低速时动力性和保证高速时进气充分,现代发动机还采用可变长度的进气管.由进气歧管转换电磁阀控制转换,在发动机高转速范围,电磁阀工作,使进气通道变短.近年来汽油机采用电控燃油喷射系统,取消了化油器,既可以减小进气阻力,同时又满足了混合气浓度,雾化和分配均匀等要求,得到广泛应用.2.合理选择配气相位.发动机进排气相位对发动机的充气性能有重要的影响,从而影响到发动机的动力性,经济性和排放性能.在不同的转速,负荷工况下,发动机都有最佳的气门相位.因此,为了充分利用气流惯性,增加循环充量, 提高充量系数,合理选择配气相位是很重要的.3.减少排气阻力.减小排气阻力是减少排气后气缸内残余废气量,降低排气终了压力的主要措施.排气系统包括排气门,排气管道和消声器等,因此,减小排气阻力主要在结构上采取措施如减少管路弯道,管路内表面尽量光滑,增加排气管直径和数量等.排气系统阻力降低,排出的废气量增加,排气终了压力下降, 不仅可以使残余废气减少,充气系数提高,而且还能够减少排气损失.4.降低进气温度.新鲜空气被吸人气缸的过程中,受到进气管道,气门的加热,使进气温度升高,气体密度下降,循环充量减少.尽量使进气管远离排气管, 以降低进气管温度.有些轿车发动机采用调节预热装置,根据季节温度不同可调节进气预热程度.主要作用是在发动机启动后温度较低时,从排气管附近给发动机提供温度较高的热空气,以保证混合气形成,降低排放污染.当发动机温度升高后,由控制阀关闭来自排气管的热空气,以提高进气效率.参考文献【1】孙凤英.发动机原理与合理使用【M】北京机械工业出版社2002【2】张西振.发动机原理与汽车理论【M】北京人民交通出版社2004I作者单位:黑龙江省八五一零农场)197?。
汽车发动机原理课后习题答案
第二章发动机的性能指标1。
研究理论循环的目的是什么？理论循环与实际循环相比，主要作了哪些简化?答:目的：1.用简单的公式来阐明内燃机工作过程中各基本热力参数间的关系,明确提高以理论循环热效率为代表的经济性和以平均有效压力为代表的动力性的基本途径2.确定循环热效率的理论极限，以判断实际内燃机经济性和工作过程进行的完善程度以及改进潜力3。
有利于分析比较发动机不同循环方式的经济性和动力性简化：1.以空气为工质，并视为理想气体，在整个循环中工质的比热容等物理参数为常数，均不随压力、温度等状态参数而变化2.将燃烧过程简化为由外界无数个高温热源向工质进行的等容、等压或混合加热过程,将排气过程即工质的放热视为等容放热过程3.把压缩和膨胀过程简化成理想的绝热等熵过程，忽略工质与外界的热交换及其泄露等的影响 4.换气过程简化为在上、下止点瞬间开和关,无节流损失,缸内压力不变的流入流出过程。
2.简述发动机的实际工作循环过程.四冲程发动机的实际循环由进气、压缩、燃烧、膨胀、排气组成3.排气终了温度偏高的原因可能是什么？有流动阻力,排气压力>大气压力，克服阻力做功，阻力增大排气压力增大，废气温度升高.负荷增大Tr增大；n升高Tr增大，∈+，膨胀比增大,Tr减小.4。
发动机的实际循环与理论循环相比存在哪些损失？试述各种损失形成的原因。
答：1.传热损失,实际循环中缸套内壁面、活塞顶面、气缸盖底面以及活塞环、气门、喷油器等与缸内工质直接接触的表面始终与工质发生着热交换2.换气损失，实际循环中，排气门在膨胀行程接近下止点前提前开启造成自由排气损失、强制排气的活塞推出功损失和自然吸气行程的吸气功损失3.燃烧损失，实际循环中着火燃烧总要持续一段时间,不存在理想等容燃烧,造成时间损失，同时由于供油不及时、混合气准备不充分、燃烧后期氧不足造成后燃损失以及不完全燃烧损失4。
涡流和节流损失实际循环中活塞的高速运动使工质在气缸产生涡流造成压力损失。
影响汽油机换气和燃烧过程的因素
影响汽油机换气和燃烧过程的因素关键词：压缩比（Cohpression ratio)，配气相位：（Vale —timing diagram)，最高燃烧压力（Max. effective combustion pressure ），点火提前角（Ignitiong advance angle ）摘要：对于现代的汽车，人们对它的要求不仅仅只局限于其动力性的好坏，而是兼顾其经济性和排放性。
一辆汽车的发动机性能如何让就直接关系到整车的性能好坏。
在影响汽车性能的诸多因素中，发动机的换气及燃烧过程的地位尤为突出。
本文将从汽油机的使用以及结构方面分析影响汽油机换气和燃烧过程。
一影响汽油机换气过程的因素对充气效率的影响=η1/)1(-ε×(εp a /t a -p r /t r )1.发动机在实际工作中的进气压力p a 主要受进气道的影响。
设进气系统的阻力为p f 近期过程中的气体密度为ρ，进气管道内的气体流速为v 三者满足这样的关系pf=vv λρ/2.所以发动机的进气阻力与气体的密度，气体速度，和进气管道内壁的摩擦系数关系密切。
①进气管道的阻力主要取决于进气管道的长度，横截面积以及其内表面的粗糙度。
进气管道的长度越长气体的动能损失越多，到达到达气缸内的气体压力就会越小。
进气管的横截面积越小气体流速越快，但是在管壁粗糙度一定的情况下气体与管壁之间的压力就越大，气体在管内的能量损失就越大（气体因摩擦而能量微乎其微可以忽略）从而导致进气压力下降。
另外，进气管的形状也会对进气压力产生一定的影响。
管路的弯路越少气体能量损失越少。
②大气中的气体进入进气道时要经过空气滤清器，这就使得进气阻力增加，使气体在进入进气道之前就先损失了部分动能。
③其次，汽车在海拔较高的地区行驶时。
由于海拔的影响，气体本身的密度小，大气压较低。
这就从气体的源头殇降低了进气压力。
④在使用化油器的汽车中，燃油是利用进气道空气流速高压力低的原理从化油器嘴中被吸出的。
发动机原理第六章 换气过程
实际循环的换气 过程进行的时间 非常短暂，进排 气门的启闭由于 结构和动力负荷 等原因，不可能 全开或全闭。换 气时，工质是在 配气机构流通截 面不断变化的情 况下做不稳定流 动，气缸内工质 的温度和压力是 随时间变化的， 具有复杂的气体 动力学现象。
（一）排气阶段
排气阶段分为自由排气、强制排气和惯性排气三个
3.惯性进气阶段： 为了利用高速进气流的 惯性，增加充气量，减少功 耗，气缸在活塞运行到下止 点后才完全关闭进气门。 从活塞由下止点上行至进气 门关闭的一段，利用气流惯 性进气为惯性进气阶段。该 阶段曲轴转过的角度称为进 气迟闭角，一般为20º ～ 50º CA。
0
（三）气门重叠角
进气门提前打开和排气门落后
vm
F Cm f1 1
D Cm d 1 1
如何评价换气过程质量
提高换气性能措施
§6.1四行程发动机的换气过程及损失 一、四行程发动机的换气过程
四冲程发动机配气机构均采用气门换气方式， 其换气过程包括从上一循环排气门开启到下一循环 进气门关闭的整个过程。运行时，要在短时间内使 排气干净、进气充足是比较困难的。 为了增加气门开启时间，充分利用气流的流动 惯性，减少换气过程的损失，改善换气过程，提高 整机性能，进排气门一般都是“早开晚关”，不受 活塞行程的限制。所以整个换气过程超过了两个行 程，占410°CA-480°CA。
强制排气阶段接近终了时在上止点附近，废气尚有一 定的流动能量，可利用气流的惯性进一步排出废气。 同时，若排气门在上止点关闭，则其必须在上止点之 前就开始关闭，这样会产生节流作用，此时活塞还在 上行，增大气缸内压力，使排气消耗的功和废气残余 量都会增大。因此排气门是在活塞过了上止点后才关 闭。 从上止点到排气门完全关闭这段曲轴转角称为排气迟 闭角。一般排气迟闭角为10-35°CA。
发动机原理教案7影响换气过程的因素.doc
总第7次课(1)对非増压发动机，指的是发动机当时、当地的大气压力和温度；(2)对增压发动机，指的是增压器(压气机岀口或中冷器)后的新鲜充量的压力和温度。
nv越卨，在换气过程中，每循环进入气缸的新鲜充fi愈多，发动机的功率和扭矩就可愈大, 每循环气缸的充气量是决定内燃机性能指标的一个重要因素。
nv可用试验方法测得，发动机充气效率一般为：汽油机：n V= 0.75〜0.85柴油机：nv= 0.75〜0.90 g 7； 12、影响充气效率的因素* ^-lp5 7； 1+r影响充气效率的因素有进气状态和进气终了状态的压力、温度、废气残余系数、压缩比等。
非增压发动机实际充气设通常小于理论充气故小于1。
但在一定条件下，如增压发动机就有可能大于1。
1)进气终了时的压力PaPa对nv有重要影响，Pa愈高，nv值愈大Pa = Ps—APa式中，Apa为气体流动时，克服进气系统阯力而引起的压降(kPa)。
一般可写成式中：X一一管道阻力系数；P一一进气状态下气体的密度；V一一管道IA)气体的流速(m/s)可见，Apa主要取决于各段管道的阻力系数和气体流速。
若大、髙时，Apa增加，使pa 下降。
(1)转速对进气压力的影响负荷不变，转速变化时：转速t，则Ap t t ,从而pa I , n v 1(2)负荷对进气压力的影响转速不变，负荷变化时：G/mn)柴油机：Ap基本不变，从而pa基本不变，nv基本不变汽油机：负荷t，则Ap I,从而pa t，nv t2)进气终了的温度TaTa值愈髙，充入汽缸的工质密度愈小，nv降低。
引起Ta升高的原因是(1)新鲜工质进入发动机与高温零件接触而被加热。
(2)新鲜工质与高温残余废气混合而被加热。
(3)排气管对进气管的影响转速和负荷对Ta的影响(1)转速：当负荷不变而转速增加时，由于新鲜工质与缸壁等接触时间短，传热量少，所以Ta 稍有下降。
（2）负荷：当转速不变而增加发动机负荷时，缸壁等零件温度升高，Ta 有所上升3） 残余废气系数（1） 残余废气系数增加，充气效率降低，燃烧恶化，油耗、排放增加。
《发动机原理》(教案大纲)
《发动机原理》教学大纲课程编码：课程名称：发动机原理英文名称：Fundamental of Automobile Engine开课学期：6学时/学分：64/4或36/2 （其中实验学时：8或4 ）课程类型：专业课开课专业：热能与动力工程专业或车辆工程选用教材：《发动机原理》（第2版）林学东编著机械工业出版社2015.01执笔人：一、课程性质、目的与任务本课程是汽车发动机及车辆工程专业本科生必修的一门主要专业理论课。
本课程的目的是通过本课程的学习，使学生掌握发动机的能量转换的基本原理及其性能评价方法、影响发动机性能因素的分析方法；了解提高或改进发动机性能的主要途径和措施。
为合理使用、正确调整以及汽车动力传动系统合理匹限奠定理论基础；同时初步掌握发动机的试验方法和实验技能。
二、教学基本要求本课程主要讲述汽车发动机的工作原理及其特性，它以发动机性能指标为主要研究对象，介绍发动机的基本工作原理，分析影响内燃机各工作过程以及性能指标的各种因素。
从节能减排角度合理组织发动机工作过程以及如何提高其性能是本课程的中心内容。
通过本课程的学习，使学生牢固掌握发动机的性能指标、性能特性及其分析方法和主要影响因素；初步掌握发动机的试验方法及其数据处理和万有特性制取方法；为汽车动力系统合理匹时奠定理论基础。
根据总学时的要求，内容可根据具体培养要求进行删减。
三、各章节内容及学时分配第一章绪论教学目的与要求本章节着重介绍汽车发动机在国民经济中的重要作用。
通过本章的学习，使学生了解内燃机的发明与发展历程，以及不同阶段汽车发动机发明发展过程中存在的问题，正确对待发动机原理这门课程，正确对待以发动机为动力源的汽车发展对社会环境与文明的影响，明确本课程的学习目的和方法，培养对本课程的学习兴趣。
1.1本课程的任务、要求和学习方法1.2内燃机与汽车及其发展史简介1.3汽车工业的发展阶段1.4汽车发展对社会环境的影响考核要求：了解内燃机在国民经济中的作用、内燃机的发展历史、现状及趋势。
发动机原理与汽车理论第2章 发动机的换气过程(动画2个)
∴进气系统的阻力主要取决于 1）进气系统阻力系数 2）进气流速，如图2-4.
2.进气终了温度 随进气终了温度的提高，充气效率下降。 3. 排气终了压力和温度 随排气终了压力提高ꎬ充气效率下降。 4. 大气压力和温度 从充气效率公式可以得出，随大气压力降低、温度 升高，充气效率提高。 5.压缩比 压缩比增加，燃烧室容积相对减小，使残余废气量 相对下降，所以充气效率提高。 6.配气相位 最佳的进、排气门迟后关闭角应根据进、排气流惯 性来确定，而气流惯性取决于发动机的转速。
3.减小进气管道的阻力系数 为减小进气管道的阻力系数，在保证各缸充气量分 配、混合气形成及进气涡流形成等要求的前提下，应尽 可能采用圆形截面，增大进气道尺寸，减少弯道和流通 截面的变化。
二、减小排气阻力
减小排气阻力主要是在结构上采取措施，减小排气 系统各段的阻力系数，包括排气门、排气管道、排气消 声器等。 注意:由于进气系统阻力对发动机性能的影响比排 气系统阻力大，所以当减小进气阻力与减小排气阻力的 要求发生矛盾时，应适当照顾减小进气阻力的要求，如 进、排气门直径和数量的选择。
二、换气损失
１. 排气损失 1）提前排气损失 排气门提前开启，导致膨胀功减少而引起的损失，在图 2-2中面积Ⅰ即表示提前排气损失。 2）强制排气损失 活塞上行强制排出废气所 消耗的功，在图2-2中面积 Ⅱ＋Ⅳ即表示强制排气损失。 ２. 进气损失 进气过程中克服进气系统 阻力所消耗的功，图 2-2中 面积Ⅲ即代表进气损失。
二、影响残余废气系数的因素
1. 进气终了的压力和温度 随进气终了压力提高和温度降低，实际充气量增多， 残余废气量相对减小，残余废气系数减小，使充气效率 提高。
【发动机原理】第二章 换气与压缩过程
2021年5月21日
发动机原理
换气与压缩过程
7
第二章 换气与压缩过程
第一节 换气过程
３.扫气系数 扫气系数是衡量扫气效果好坏的重要标志，也是表示
换气结束时汽缸内新鲜空气的浓度，定义为换气结束时汽 缸内新鲜工质与进入汽缸内新鲜工质总量的比值。 二、换气过程各阶段分析
四冲程发动机配气机构采用气门开启、关闭的换气方 式，其换气过程包括从上一循环排气门开启到下一循环进 气门关闭的全部时间。
2021年5月21日
发动机原理
换气与压缩过程
14
第二章 换气与压缩过程
第一节 换气过程
２.强制排气 活塞上行，强制排气开始，气体流速取决于压差。压差
越大，流速越大，所消耗的功也越多，此阶段持续时间虽然 长，但由于缸内压力逐渐接近大气压力，气体密度低，流速 慢，排出的废气量只占总排量的较小比例。
３. 惯性排气
(二)进气过程
１.进气准备
为了使活塞开始下行时就有较大的流通面积，进气门在 上止点前排气尚未结束时开启，从进气门开启到活塞行至上 止点这段时间。曲轴转过的角度称为进气提前角，一般为 10°～30°(CA)曲轴转角。
２.正常进气
活塞由上止点开始下行，开始由于汽缸内残余废气压力 仍高于大气压，进气不能充入汽缸，只有当缸内残余废气压 力低于大气压后，进气才被吸入汽缸，但由于进气阻力，活 塞运动到下止点时，汽缸内压力仍然低于大气压。
第一节 换气过程
假定残余废气与新鲜充量的气体常数近似相等，应 用气体状态方程式ρ=p/RT代入式(2-7)中，则
（2-8） 式中，ｐ、Ｔ的下标０、ａ′、ｒ′分别代表大气和 进、排气门关闭时缸内压力和温度的状态。 由于燃料所占体积较小，有的文献将Ｋａ≈１，公 式可以简化。
发动机原理教案8、改善换气过程的措施
总第8 次课
气门开启断面与对应开启时间的乘积称为气门开启的时面值。
它表示气体流过气门的通过能力。
气门开启时间长，开启断面大，则气门开启时面值大，气流通过能力越强，阻力越小。
增大进气门头部直径，减小气门头部锥角，增大气门升程，延长气门开启时间，均可扩大气
根据一系列的试验发现，在正常的配气定时条件下，当Ma超过一定数值时，大约在0.5左
Cm =Sn/30），Cm 上升，所以Ma上升。
值不超过一定的数值，在高转速内燃机上必须考虑加大进气阀直径d。
改善气门处的件刚度，在惯性力允许条件下使气门开闭尽可能快，以增大时面值，提高充气效率。
°下，基本无燃烧室扫气作用；有重叠角时充气效率提高（节流损失减少）。
增压发动机的气门重叠角大，可加强扫气，冷却热区零件，能提高充气效率，减少Nox 排放。
（2）大众公司可变进气相位控制系统
（3）宝马公司VCC系统
控制系统
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。
发动机原理第六章 换气过程
关闭时期，进排气门同时开启 的现象称为气门重叠或气门叠 开，相应的曲轴转角，称气门 重叠角或气门叠开角。 因重叠角较小，进气门开启高 度不大，废气又具有一定的惯 性，所以废气不会倒流。
在气门重叠开启时，进气管、气缸和排气管
连通，利用压差和惯性更多地排出废气，减 少缸内的废气量，增加新鲜充量。特别是增 压发动机，其进气压力高，有一定数量的新 鲜空气直接扫过燃烧室，帮助清除废气后进 入排气管，扫气效果更明显。 对于化油器式汽油机，特别是怠速或部分负荷 时，因进气管真空度高，当气门重叠角过大 时，可能产生废气倒流（柴油机会有气门与 活塞相碰的问题）。
（2）进气门 进气系统中，进气门处的
M
vm a
通过断面最小且截面变化 大，因此流动损失大部分 集中于此。 进气马赫数M是决定气流 性质的重要参数。 大量实验结果表明，M有 一临界值0.5左右，超过 后，充气效率迅速下降。 增大气门相对通过面积、 提高气门处流量系数及合 理配置相位是提高充气效 率的主要方法，但要合理 控制M值。
2、强制排气阶段： 从自由排气阶段结束，活塞上 行至上止点，推出废气的一段， 为强制排气阶段。 排气速度与（压差）气门开启截 面、活塞速度有关。缸内压力大 于排气管压力，由气门节流引起。 此阶段虽持续时间较长，但由于 气缸内压力接近大气压力，气体 密度低，流速较慢，因此排出废 气量较少。
3、惯性排气阶段：
实际循环的换气 过程进行的时间 非常短暂，进排 气门的启闭由于 结构和动力负荷 等原因，不可能 全开或全闭。换 气时，工质是在 配气机构流通截 面不断变化的情 况下做不稳定流 动，气缸内工质 的温度和压力是 随时间变化的， 具有复杂的气体 动力学现象。
（一）排气阶段
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
发动机原理-第二章发动机的换气过程
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。
发动机换气过程说课讲课教案
总第 6 次课换气过程：四行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。
（四行程内燃机每一循环曲轴旋转720℃）换气过程组成：自由排气；强制排气；进气；燃烧室扫气1、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，称为自由排气阶段。
自由排气阶段分为两个阶段：超临界状态；亚临界状态（1）超临界状态排气门开启时，气缸内废气压力较高（0.2～0.5Mpa），缸内压力与排气管压力之比＞1.9，排气流动处于超临界状态，可利用废气自身的压力自行排出。
通过排气门口废气的流速等于该状态下的音速（m/s）废气流量与排气管内的压力无关，只取决于气缸内的气体状态、时间和气门开启截面积。
并且因排气流速甚高，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。
（2）亚临界状态缸内压力与排气管内压力之比下降到1.9以下时，排气流动转入亚临界状态，废气流速降低，产生的噪音较小。
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。
当到某一时刻气缸内与排气管内压力相等，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。
2、强制排气阶段：活塞上行强制推出废气的阶段。
特点：缸内平均压力高于排气管平均压力（克服排气门、排气道处的阻力，一般高出10kpa左右。
气体的流速越高，此压差越大，消耗的功越多）。
排气门关闭时刻：排气迟闭角，一般为10º～35º曲轴转角（惯性排气）。
3、进气阶段：进气门开始开启到进气门完全关闭的全过程。
准备进气：进气提前角，一般为0º～30º曲轴转角正常进气：活塞下行残余废气膨胀，新鲜气体充入气缸。
惯性进气：进气迟闭角，一般为40º～70º曲轴转角。
特点：缸内压力呈负压，进气终了时有所提高。
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总第7 次课
（1）对非增压发动机，指的是发动机当时、当地的大气压力和温度；
（2）对增压发动机，指的是增压器（压气机出口或中冷器）后的新鲜充量的压力和温度。
ηv越高，在换气过程中，每循环进入气缸的新鲜充量愈多，发动机的功率和扭矩就可愈大，每循环气缸的充气量是决定内燃机性能指标的一个重要因素。
ηv可用试验方法测得，发动机充气效率一般为：
汽油机：ηv= 0.75～0.85
柴油机：ηv= 0.75～0.90
2、影响充气效率的因素
影响充气效率的因素有进气状态和进气终了状态的压力、温度、废气残余系数、压缩比等。
非增压发动机实际充气量通常小于理论充气量，故ηv小于1。
但在一定条件下，如增压发动机就有可能大于1。
1）进气终了时的压力Pa
Pa对ηv 有重要影响，Pa愈高，ηv 值愈大
Pa = Ps--△Pa
式中，△pa为气体流动时，克服进气系统阻力而引起的压降（kPa）。
一般可写成
式中: λ——管道阻力系数；
ρ——进气状态下气体的密度；
V——管道内气体的流速（m/s）
可见，△pa主要取决于各段管道的阻力系数和气体流速。
若大、高时，△pa增加，使pa 下降。
（1）转速对进气压力的影响
负荷不变，转速变化时：
转速↑，则△p ↑↑，从而pa ↓，ηv ↓
（2）负荷对进气压力的影响
转速不变，负荷变化时：
柴油机：△p 基本不变，从而pa基本不变，ηv基本不变
汽油机：负荷↑，则△p ↓，从而pa ↑，ηv ↑
2）进气终了的温度Ta
Ta值愈高，充入汽缸的工质密度愈小，ηv降低。
引起Ta升高的原因是: （1）新鲜工质进入发动机与高温零件接触而被加热。
（2）新鲜工质与高温残余废气混合而被加热。
（3）排气管对进气管的影响
转速和负荷对Ta的影响
（1）转速：当负荷不变而转速增加时，由于新鲜工质与缸壁等接触时间短，传热量少，所以Ta 稍有下降。
（2）负荷：当转速不变而增加发动机负荷时，缸壁等零件温度升高，Ta有所上升。
3）残余废气系数
（1）残余废气系数增加，充气效率降低，燃烧恶化，油耗、排放增加。
（2）压缩比提高，残余废气系数减小。
（3）排气压力高，废气多，充气效率降低。
（4）排气系统阻力大，排气压力高，废气多。
4）配气定时
对充气效率影响最大的是进气门的迟后关闭，其次是排气门的迟后关闭。
进气门迟闭，进气终了压力因气流惯性作用而增加，即pa↑，所以充气
效率ηv↑
排气门迟闭角小，充分排气下降；排气迟闭角大，残余废气增加，实际充气减少，充气效率下降。
5）压缩比
压缩比↑，压缩容积↓，残余废气量↓，因而ηv↑
6）进气（或大气）状态
增压，压力↑，进气↑， pa ↑，充气效率ηv ↑
二、换气过程对发动机性能的影响
一）、残余废气系数的影响因素对换气过程的影响
1、Pa↑,Ta↓→实际充量↑→r↓→ηv↑
2、Pr↑,Tr↓→r↑→ηv↓
3、压缩比↑→燃烧室容积↓→残余废气量↓→ηv↑
4、合适的配气相位，残余废气系数↓→ηv↑。
二）、换气过程对发动机性能影响
充气效率、指示热效率、机械效率三者并称为发动机的三大效率。
1、理论空气量和过量空气系数
1）理论空气量：指1kg的燃料完全燃烧时所需的最低空气量。
（汽油：14.7；柴油：14.5 ) 2）过量空气系数：指燃烧1kg燃料实际供给的空气量L与理论空气量L0的比值。
φat＞1 稀混合气；
φat＜1 浓混合气；
L
L
at
=
φ。