发动机原理 第二章2

C KRT
四冲程发动机的换气过程
1.换气过程
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，一般为30~80°曲轴转角。自由排气约在下止点后 10~30°曲轴转角结束，由于此阶段废气流速很高，故排出废 气量达60%以上。
四冲程发动机的换气过程
1.换气过程
2) 强制排气阶段
此阶段废气是由上行活塞强制推出。由于要克服排气门、排 气道处的阻力，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。气流的速度愈高，此压差愈大，耗功愈多。 为了利用高速气流的惯性排除废气，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，一般为10°~35°曲轴转角。
2. 影响充气效率的因素
3）残余废气系数γ
四行程发动机的充气效率源自气缸中残余废气增多，不仅使ηv下降，而且使燃烧恶 化。特别是在汽油机低负荷运转时，因节气门关小，新鲜 充量减少，γ会大大增加，稀释可燃混合气，使燃烧过程 缓慢，从而造成汽油机低负荷工作不稳定，经济性和排放 性能变差。 排气终了时，排气管内废气的压力高，说明残余废气 密度大，γ上升。与进气过程同理， Pr 主要决定于排气系 统各段管路的阻力和气体流速，转速增高则Pr增加。
1.充气效率的概念 充气效率ηv是实际进入气缸的新鲜工质量与进气状态下 充满气缸工作容积的新鲜工质量的比值
m1 V1 v ms Vs
式中 m1、V1—实际进入气缸的新鲜工质的质量、体积(进气状态)； ms、Vs —进气状态下充满工作容积的新鲜工质的质量、气缸 工作容积。 充气效率越大，表明发动机换气质量越好，残留于气 缸内的废气越少。每循环进入一定气缸容积的新鲜工质量多， 则发动机功率和扭矩可增加，动力性能好。
3.空气滤清器
减少进气系统的阻力
空气滤清器阻力随结构而不同。它必须在保证滤清效果的 前提下，尽可能减小阻力．如加大通过断面，改进滤清器性能， 创制低阻、高效的新型滤清器等。在使用中，应经常清洗滤清 器，及时更换滤芯。
四、 合理选择配气定时
合理选择配气定时，可以 保证最好的充气效果，改善发 动机性能。在进、排气门开闭 的四个时期中，进气门迟闭角 的改变，对充气效率影响最大。 合理的排气提前角应当在保证 排气损失最小的前提下，尽量 晚开排气门．以加大膨胀比， 提高热效率。当转速增加时， 相应的自由排气时间减小，为 降低排气损失，应增加排气提 前角。 确定配气定时，一般要在 ηv在某一转速下达到最 实机上经过反复比较试验，最 高值，此转速下能最好地利 后找出合适的方案。 用气流的惯性充气。
四冲程发动机的换气过程
1.换气过程
4) 气门叠开 由于排气门的迟后关闭和进气门的提前开启，存在进、 排气门同时开着的现象，称为气门叠开，此时，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。在增压发动机 中，因其进气压力高，可以有较大的气门叠开角。在非增压 发动机中，叠开角一般为0°~80°曲轴转角，增压柴油机可 达80°~160°曲轴转角。 发动机类型不同，所占的曲轴转角也个不相同，一般 是由以往的产品及试验决定的。
解决办法：增大气门的相对通过面积；改善气门处 的气体流动，提高流量系数；合理的配气相位，是限制Ma 值、提高η v 的有效方法，这对于高速发动机尤为重要。
2）进气马赫数
减少进气系统的阻力
充气效率与平均进气马赫数的关系图
3） 气门直径和气门数
减少进气系统的阻力
增大进气门直径可以扩大气流通路截面积，提高效率。 在双气门(一进—排)结构中，进气阀盘直径可达活塞直径的 45%-50%，气门与活塞面积之比为0.2-0.25，进气门比排气 门一般大15%-20%，但由于受到结构限制，进一步增大比例 已很困难。
三、减少进气系统的阻力
非增压四行程发动机的进气系统，是由空气滤清器或加 进气消声器、化油器或喷油器、节气门、进气管、进气道和 进气门组成；减少各段通路的阻力，增大其流通能力，可以 提高充气效率。 1. 进气门 在整个进气系统中，进气门处的流通截面最小且截面 变化最大，因此，增大此处的流通能力并减少流动损失， 一直是人们关注的重点。
3) 进气过程
进气门是在上止点前开始打开，以保证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。一般进气门提前开启 角为上止点前0°~40°曲轴转角。 进气门也必须在下止点后才关闭，因为需要利用高速气流的 惯性，在下止点后继续充气，以增加进气量。一般进气门迟闭角 为下止点后40°~70°曲轴转角。
2. 影响充气效率的因素
四行程发动机的充气效率
影响充气效率的因素有：进气(或大气)的状态、进气 终了的气缸压力和温度、残余废气系数、压缩比及气门正 时等。 1）进气终了的压力Pa 进气终了的压力越高，充气效率越大。
v
1 Ps Ta 1 r
Pa Ps Pa Pa
5）减少气门处的流动损失
减少进气系统的阻力
应注意改善气门处流体动力性能，如气门头部到杆身的过 渡形状，气门和气门座的锐边等，都会影响气流的剥离，从 而影响流量系数。下图给出综合提高气门处流通能力的措施。
2. 进气管和进气道
减少进气系统的阻力
进气道和进气管必须保证足够的流通面积，避免转弯及 截面突变，改善管道表面的光洁程度等，以减小阻力，提高 效率。为此，在高性能的汽油机上采用了直线型进气系统。 在直线化的同时，还应合理设计气道节流和进气管长度，布 臵适当的稳压腔容积等，以期达到高转速、高功率的目的。 发动机除要求动力性外，还必须有好的经济性和排放性 能。在汽油机上，进气管还必须考虑燃料的雾化、蒸发、分 配以及压力波的利用等问题。在柴油机上，还要求气流通过 进气道在气缸中形成进气涡流，以改善混合气形成和燃烧。
四气门机与二气 门机相比，功率可提 高 70% ，扭矩可提高 30% ，且响应性比增 压机好，故是汽车发 动机高功率化的有力 措施。
减少进气系统的阻力
4） 气门升程
减少进气系统的阻力
适当增加气门升程，改进凸轮型线，减小运动件质量， 增加零件刚度，在惯性力允许条件下使气门开闭得尽可能 快，从而增大时面值，提高通过能力。最大气门升程与阀 盘直径之比L/d取0.26-0.28。
1. 充气效率的概念
四行程发动机的充气效率
实际发动机充气效率可直接测定，用流量计测出发动机 每小时实际充气量(m3/h)，理论充气量V(m3/h)由下面的公式 算出 VS n V i 60 0.03inVS 1000 2 式中 vs —气缸工作容积(L)；i—气缸数；n—发动机转速(r/min)。
Ts Pa 1
v2
2
管道阻力系数；
v 管道内气体的流速（m/s）。
进气状态下气体的密度（kg/m 3）；
2. 影响充气效率的因素
四行程发动机的充气效率
对汽油机来讲：节气门开度直接影响Pa值，当节气门开 度变小， Pa不仅下降，且随转速的增加而下降的越快。当节 气门开度一定时，转速增加Pa下降，充气效率下降。 Pa主要取决于进气管的阻力系数和气体流速。 2）进气终了温度Ta 进气终了温度高于进气状态温度。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。 解决方法是，对于增压发动机采用进气中冷；将高温排 气管与进气管分臵于气缸两侧；控制进气预热，适当加大气 门叠开角等。
第二章发动机的换气过程
一、四冲程发动机的换气过程
1. 换气过程 分为自由排气、强制排气、进气和气门叠开四个阶段 1） 自由排气阶段
从排气门打开到气缸压力接近了排气管压力的这个时期， 称为自由排气阶段。到某一时刻，气缸内和排气管内的压力 接近，则自由排气阶段结束。当排气门开启，废气涌向排气 管时，排气管压力急剧上升，产生正压力波并在管内往复传 播和反射。
四冲程发动机的换气过程
1.换气过程
(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 B p = 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’ 在气阀最小截面处, 气体流速等于该 地音速 m/s。其流量与压差 （p - p’）无关, 只决定于排气阀 开启面积和气体状态。 (4) 亚临界排气 D p = 1.9 p’ 排闭。 其流量取决于压差 （p - p’）。
为了进一步增大进气门流通截面，采用了多气门结构， 如下图所示。根据优化气门数和进气门开启面积的关系可知， 缸径大于80mm时，采用二进二排结构；缸径小于80mm时，采 用三进二排结构，可获得最大开启面积，进气体积流量可大 幅度增加。由此可知，四气门机与二气门机相比，功率可提 高70%，扭矩可提高30%，且响应性比增压机好，故是汽车发 动机高功率化的有力措施。
8 6 4 2 0 进气
dt时间内气门
60
40
20
0
-20
-40
-60
右图给出的是角面 值，不随转速变化，而 时面值随速度增加而减 小。
1 8 6 4 2 0
2
3
2
1
排气
60
40
20
0
-20
-40
-60
曲轴转角
2）进气马赫数
减少进气系统的阻力
进气马赫数 Ma是进气门处气体的平均速度 Vm 与该处声 速 c 的比值 (M a ＝ V m /c) 。它能反映流动对充气效率的影响， 成为分析充气效率的一个特征数。平均流速Vm定义为：实 际进入气缸的新鲜充量与进气门有效时面值 F(t) 之比。 根据一系列试验可知，在正常的配气条件下，当 M a 超过一定数值(0.5左右)时，便ηv急剧下降，如下图所示。 当η v 急剧下降后，即使提高转速，因单位时间充气量无 法增加，功率也不能增加。因此，必须注意控制 M a 值。