第四章柴油机的换气与增压解析

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第04章柴油机的换气与增压

背景知识——气阀传动机构
机械式传动机构
液压式气阀传动机构
背景知识——气阀传动机构三、凸轮和凸轮轴传动机构
1、凸轮轴（1）作用：控制柴油机中需要定时的设备，使它们按照一定的工作顺序准确工作。（2）构造：由若干进、排气凸轮、喷油凸轮、空气分配器凸轮和支承轴颈组成。 1）整体式：凸轮轴的凸轮与轴本体铸成或煅成一体，用于小型机上 2）装配式：凸轮和轴是分开制造，然后根据定时要求，将凸轮紧固在轴上，这种凸轮轴上的凸轮是可调节的，以便定时调节，并且任何一个凸轮损坏后都可单独更换，一般用于大型机上。
背景知识——气阀机构
2．气阀导管（1）作用：保证气阀与阀座在同一中心线上工作，并起散热作用。（2）材料：铸铁或青铜（3）气阀导管和阀杆的间隙必须合适。过大：散热不良，磨损增大；造成阀杆处漏气，甚至造成滑油结焦使阀卡死。过小，导致气阀卡阻。 3．气阀座主要目的是为了提高耐磨性。但导热性差，加工精度高，成本高。材料：耐热钢，合金铸铁或特种青铜。 4．气阀弹簧作用：依靠其弹力关闭气阀。采用内径不同的内外两根旋向相反的弹簧，优点是：减小每根弹簧钢丝直径，疲劳强度↑；两弹簧自振频率相互干扰，避免共振；一根弹簧折断，另一根可防止气阀落入气缸。旋向相反，避免研磨气阀。
亚临界状态
换气过程
2)强制排气（从自由排气结束至排气阀关闭） 3)进气阶段
强制排气惯性排气
从缸内压力低于进气压力后开始进气，到惯性进气结束。。
（从进气阀开至进气阀关）
背景知识——换气过程 2. 气阀重叠和燃烧室扫气气阀重叠角——进排气上止点前后，进排气阀同时开启的现象。等于排气滞后角与进气提前角之和。扫气作用： 1）使排气更干净； 2）降低热负荷。二、二冲程机的换气过程 1、换气过程 1）自由排气阶段（B-R） 2）扫气阶段（R-C） 3）过后排气阶段（C-E）

柴油机的增压、

提高柴油机功率的方法之一：提高柴油机功率的关键在于增加空气量。要增加每循环的进气量，只要设法提高进气压力，即提高进入气缸的空气密度就行了。
一、柴油机的增压
增压的方法：机械增压、废气涡轮增压和接带动的扫气泵来提高进气压力的方法。
二冲程柴油机工作原理示意图
二、废气涡轮增压柴油机的工作原理及特点
涡轮带动同轴上的压气机叶轮高速旋转，经过空气滤清器滤清过的空气被吸入叶道。高速旋转的压气机叶轮把空气甩向叶轮外缘，使其速度和压力增加，并进入扩压器。扩压器的形状是进口小出口大，使气流的速度下降，而压力升高。再通过断面由小到大的环形压气机壳，使气流的压力继续升高。最后，压力得到提高的增压空气经进气管进入柴油机的气缸。
⑵废气涡轮增压
将柴油机排出的废气送入涡轮机中，使涡轮机高速回转来带动一离心式压气机，由它把压力较高的空气送入气缸，以实现增压。我们称这种增压方式为废气涡轮增压。
四冲程废气涡轮增压柴油机工作原理
⑵废气涡轮增压
特点：把废气中的能量利用起来，使之带动扫气泵工作，既能增加柴油机的功率，又可提高柴油机的经济性。
⑴机械增压
特点：由于扫气泵所消耗的功率是柴油机曲轴输出功率的一部分，因此，进气压力的提高会使柴油机消耗于扫气泵的功率增多。在进气压力超过一定值时，消耗于扫气泵的功将大大增加，将使柴油机所提高的功率几乎全部消耗在带动扫气泵本身上，因此机械式增压通常只用于扫气压力不超过0.16MPa～0.17MPa的场合。
①气阀重叠角加大，这是为了利用压力空气来赶走残存在缸内的废气，加强“燃烧室扫气” ；
②同时降低燃烧室组件以及其它有关机件的温度，提高柴油机的工作可靠性。
③喷油提前角减小，因为增压后，燃油燃烧滞燃期缩短，减小喷油提前角可防止柴油机工作粗暴。

4.柴油机的换气与增压(9-26)

4．柴油机的换气与增压定义：这个工质更换的过程称为换气过程，它指的是柴油机从开始排气、扫气到进气结束的整个气体更换过程。

换气过程进行完善，压缩过程开始时残留废气量少，存留在气缸中的新鲜空气量多，就为燃油的完全、及时燃烧创造了良好条件。

燃油的完全而及时的燃烧，不但使柴油机发出更大功率，提高其动力性；使柴油机有高的热效率，提高其经济性；而且，完全而及时的燃烧还意味着减少结炭和较低的循环平均温度，从而提高其可靠性；减少排气污染也必须有好的换气质量。

因此，换气质量的好坏是柴油机工作优劣的先决条件。

作用：更换工质，为下一循环燃油的燃烧创造必要条件。

要求：废气从气缸内排除得愈干净愈好，充入气缸的新鲜空气量愈多愈好；消耗的功及流失的空气量要少。

1．二冲程柴油机的换气形式在二冲程柴油机中，不同的换气形式对换气质量以至对柴油机性能有重要影响。

至今已出现多种换气形式。

根据气流在气缸中的流动路线，二冲程柴油机的换气形式可分为弯流与直流两大类。

每一大类中又有不同的换气形式，即：横流（图1-2-4）回流（MAN 低速机）弯流排气口有阀控制半回流（Sulzer 低速机）简单半回流排气阀—扫气口式（B&W 、三菱及Sulzer RTA ）直流排气口—扫气口式1．弯流扫气扫、排气口布置于气缸下端，扫气空气由下而上，然后由上而下地清扫废气。

横流扫气的船舶主机已淘汰多年，目前仍有半回流和回流两种。

1）半回流（新横流）扫气Sulzer 公司大型柴油机的传统形式。

进气口布置在排气口同侧的下方及两侧。

如图1-2-6所示。

其气缸盖结构较简单，不用设排气阀。

扫气口在纵向（与气缸轴向成角度）和横向（与气缸径向成角度）两个方向均有倾斜角，使扫气空气进入气缸后有向上和绕气缸轴线旋转的运动。

活塞顶的形状也有引导扫气空气向上的作用。

这样可控制气流方向，防止进气直接流向排气口，减少新、废气掺混，提高换气效率；避免死角，减少残留废气，提高换气质量。

柴油机的换气和增压

柴油机的换气和增压柴油机从开始排气、扫气到进气结束的整个气体更换过程称为换气过程。

换气过程进行的完善，压缩过程开始时残留的废气量就少，寸留在汽缸中的新鲜空气就多，就为燃油的完全、及时燃烧创造了良好的条件。

燃油完全、及时的燃烧，不但使柴油机发出更大的功率从而提高其动力性，使柴油机有较高的热效率，提高其经济性，而且完全的燃烧还意味着结碳减少，改善排气的污染，及时的燃烧还以为着较低的循环平均温度，从而提高柴油机的可靠性。

因此，换气质量的好坏是柴油机工作优劣的先决条件。

一．四冲程柴油机的换气过程因为汽缸压力及排气管内压力随曲轴转角的变化而变化；进、排气阀的通流截面积也随曲轴转角的变化而变化，因此，根据气体流动的特点，将换气过程分为几个阶段：***自由排气阶段：当排气阀开启时，汽缸压力远远高于排气管压力，排气管压力与汽缸压力之比小于临界值，气体流动为超临界流动，汽缸内废气以音速流过排气阀最小截面处。

汽缸压力迅速下降，排气管压力升高。

当排气管压力与汽缸压力之比大于临界压比时，气体流动转入亚音速流动阶段。

到某一时刻，汽缸压力接近于排气管压力时，自由排气阶段即告结束。

***强制排气阶段：活塞上行将汽缸内的废气强制推挤入排气管的阶段，即为强制排气阶段。

由于排气阀延迟关闭，此阶段的末尾可利用排气管中废气的流动惯性把汽缸内的废气继续吸出。

***进气过程：进气阀提前开启，汽缸中的废气压力低于进气压力时开始进气。

进气流具有一定的惯性。

进气阀滞后关闭可使气体的动能转化为压力能，使进气终了时汽缸压力接近或略高于进气管压力。

***气阀叠开和燃烧室扫气过程：在气阀叠开期间，进气管、燃烧室和排气管连通起来，当进气管中压力比排气管压力高时，新鲜空气进入汽缸并驱赶残留在燃烧室的废气一并进入排气管。

这样，既有利于清扫残余废气、增加新鲜空气量，又有利于降低燃烧室部件冷却液难以冷却到的高温壁面的温度。

但是，应该指出：气阀叠开角并不是大的就好，因为进气阀开启过早会造成废气倒冲入进气管；排气阀关闭过迟，过量的扫气空气会降低涡轮前排气温度，减少增压器涡轮获得的可用能。

第四章柴油机的换气与增压 (1)

第四章柴油机的换气与增压1287 柴油机换气过程是指_______。

A．排气行程B．进气行程C．进、排气行程D．进、排气过程1288*二冲程柴油机换气过程中，当活塞将扫气口关闭到排气口关闭，这一阶段时间称为_______。

A．自由排气阶段B．过后排气阶段C．强制排气与扫气阶段D．超临界排气阶段1289*二冲程柴油机在换气过程中，活塞将扫气口打开到扫气口关闭，这一阶段称为_______。

A．自由排气阶段B．过后排气阶段C．强制排气与扫气阶段D．超临界排气阶段1290*从提高换气质量要求，应力求缩短的换气阶段是_______。

A．过后排气阶段B．自由排气阶段C．扫气阶段D．强制排气阶段1291*二冲程柴油机换气过程第互阶段是自由排气阶段，它是从_______。

A．排气口（阀）打开到扫气口打开B．排气口（阀）打开到缸内压力等于临界压力C．排气口（阀）打开到缸内压力等于扫气压力D．排气口（阀）打开到缸内开始进新气1292*二冲程柴油机换气过程第Ⅱ阶段是强制排气与扫气阶段，它是从_______。

A．缸内压力等于扫气压力到扫气口关闭B．缸内出现最低压力到扫气口关闭C．活塞将扫气口打开到扫气口关闭D．开始进入新鲜空气到扫气口关闭1293 换气过程的自由排气阶段中，废气的排出主要靠_______。

A．气体流动惯性B．气缸内外压力差C．活塞上行的推挤作用D．新鲜空气驱赶1294 由二冲程柴油机换气过程可知，当扫气口打开瞬时缸内压力_______。

A．略高于扫气压力B．等于扫气压力C．略低于扫气压力D．A和B都可能1295 二冲程柴油机的换气过程是从_______。

A．扫气口开到扫气口关的过程B．扫气口开到排气（阀）关的过程C．排气口（阀）开到排气口（阀）关的过程D．排气口（阀）开到扫气口关的过程1296 二冲程直流扫气式柴油机在缸套扫气口上有纵横两个方向的倾斜角度，其目的是_______。

A．增加缸套强度B．提高扫气速度C．有利于气缸冷却D．形成气垫，改善扫气效果1297 二冲程气口气阀式直流扫气柴油机，其气口、气阀时面值形态曲线分布状态是_______。

第一节柴油机的换气过程及换气质量评定参数

第四章柴油机的换气、换气机构与增压第一节柴油机的换气过程及换气质量评定参数换气过程：排气过程、扫气过程到进气终止的整个气体更换过程作用：将已燃气体排除，吸入新鲜空气，为下一个循环提供条件。

换气过程的影响：动力性，经济性，排气污染，可靠性。

换气过程的评价：废气排除干净与否，新鲜空气充入量，新鲜空气的消耗量评定参数：充量系数、扫气效率等一、四冲程柴油机的换气过程1．自由排气阶段2．强制排气阶段　3．进气阶段4．气阀重叠和燃烧室扫气气阀重叠角：上止点附近进、排气阀同时开启相应的曲轴转角，它是排气迟闭角与进气提前角之和。

燃烧室扫气：在气阀重叠期间新鲜空气对燃烧室的清扫。

二、二冲程柴油机的换气过程1．二冲程柴油机的换气过程（图4-2）1）自由排气阶段（B—R）2）强制排气和扫气阶段（R—C）3）过后排气阶段（C—E）2．二冲程柴油机换气的特点（1）换气时间大大小于四冲程柴油机（2）主要是依靠压差换气，换气质量差（3）空气耗量大，耗功多。

（4）气缸容积不能充分利用。

三、评定换气过程质量的参数1．残余废气系数残余废气系数：换气过程结束时，缸内残存的废气量G r 与充入气缸的新鲜空气量G 0之比，即γr ＝G r ／G 0残余废气系数的作用：评价换气过程结束后废气排除的干净程度残余废气系数γr 是的影响因素：燃烧室扫气、扫气形式及扫气的完善程度2．充量系数(充气效率) φc充量系数：每一工作循环进入气缸的实际充气量G 0与在进气状态p 0、Ｔ0（二冲程机为p s 、T s ，增压机为p k 、T k ）下能充满气缸工作容积V s 的理论充气量G s 的比值，即φc ＝G 0／G s 充量系数是用来表征柴油机换气过程完善程度的一个极为重要的参数。

经整理：r a c a c T T p p γεεφ+⋅⋅⋅−=1110影响充量系数φc 的因素：转速、负荷、增压程度、冷却情况、换气系统的清洁程度等ε是由于充量系数的定义而出现的，并不影响换气过程的好坏。

第四章柴油机换气、机构、增压(1、2节)

5、旋阀器使气阀在开、关过程中缓慢转动
1）减少阀面与阀座上的积炭，使磨损减小，贴合严密；
2）使阀盘均匀地接受热量和散热，以改善阀盘的热应力状态，防止局部过热；
3）可以消除阀杆与导管间的积炭，防止阀杆与导管卡住。
二、气阀传动机构
1、机械式气阀传动机构
气阀间隙：在冷态下，当滚轮落在凸轮基园上时，在摇臂端与气阀阀杆之间留有间隙。
18.转翼
A.补油管 B.补油孔
C、D。油空间
M、N.气空间
空间小、重量轻、总体布置自由，拆装方便，维修量少，阀杆不受侧推力，撞击小。采用空气弹簧装置后更使嗓音低。但其密封及调试均较困难。
三、凸轮轴及其传动机构
1．凸轮轴整体式小型机
装配式大型机
2．传动机构
齿轮传动（四冲程柴油机）链条传动齿轮与链条联合传动（称为二级传动
流量为定值，时面值愈大，所需流速愈小。
五、评定换气过程的质量参数
1、充气（量）系数ηv
v
G0 Gs
G0——为换气结束后留在气缸内的新鲜空气重量； Gs——为在进气口环境条件下（对非增压四冲程柴油机为大气压力 P0，温度T0，对于二冲积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Tk）充满气缸工作容积Vs的新鲜空气重量。
l）齿轮传动机构
曲轴与凸轮轴的转速比为2:1
为保证传动比准确可靠，其凸轮轴的齿轮传动机构都安装在飞轮端。
2）链条传动机构
曲轴与凸轮轴的转速比为1:1
张紧轮（惰轮）：张紧链条、带动调速器、增加包角。
四、换气机构的故障和维护管理
1、气阀机构故障
气阀机构的常见故障包括：阀面与阀座磨损、阀面与阀座烧损、阀杆卡紧、阀杆和阀头断裂、气阀弹簧断裂、阀壳产生裂纹。

831第四章柴油机的换气与增压第三节

第三节柴油机的增压204题考点1：柴油机废气能量分析及其在涡轮增压器中的利用情况31题等压涡轮前废气的状态参数以e′表示，面积g－2－4－i－g为扫气空气对涡轮所作的功；面积4－2－1－5－4是活塞推出废气所做的功，由柴油机活塞所给予；面积5－1－f－e－5是从废气中取得的部分能量；而废气能量的其余部分损失掉了，损失部分以面积5－b－e－5表示，这部分能量称为脉冲动能，或叫变压能，用E1表示；面积e－f－f′－e′－e表示损失掉的废气能量中的一小部分转变为热能，加热废气，使涡轮得到的附加功，即复热回收部分。

以上除损失掉的脉冲动能E1外，其余四项之和即为等压涡轮的总能量，用E2表示，称为等压能，即四冲程柴油机采用废气涡轮增压。

涡轮所利用的废气能量有：自由排气时的废气能量、燃烧室扫气时的增压空气能量及活塞推挤废气所作的机械功等。

能量E1与E2的比值随增压压力p s的不同而不同。

p s越高，其比值越低。

B1. 柴油机增压的主要目的是（）。

A．增加空气量，使燃烧完全B．提高柴油机功率C．改善柴油机结构D．增加过量空气系数，降低热负荷B2. 柴油机增压的目的是（）。

A．提高爆压B．提高柴油机的平均有效压力和功率C．充分利用排气废热D．提高柴油机热效率D3. 提高柴油机功率的最有效措施是（）。

A．增加冲程长度B．加强润滑，提高机械效率C．减少每循环的冲程数D．提高平均指示压力D4. 关于柴油机增压的不正确说法是（）。

A．增压就是提高进气压力B．增压是提高柴油机功率的主要途径C．通过废气涡轮增压器达到增压目的的称为废气涡轮增压D．各种增压方式都不消耗柴油机功率A5. 当前，限制废气涡轮增压柴油机提高增压度的主要因素是（）。

A．机械负荷与热负荷B．增压器与柴油机的匹配C．增压器效率D．增压器制造B6. 四冲程柴油机一般所采用的增压方式是（）。

A．机械增压B．废气涡轮增压C．复合增压D．上述三种形式都有A7. 根据增压压力的高低，属低增压的增压压力一般不大于（）。

柴油机的换气与增压

四、换气机构的故障 1．气阀机构 1）阀面与阀座的磨损 2）阀面与阀座烧损 3）阀杆卡紧
4）阀杆和阀头断裂 5）气阀弹簧和弹簧盘断裂 6）阀壳产生裂纹 2. 气阀间隙测量与调整 3．气阀定时的检查气阀定时的测量与调整只有在气阀间隙符合要求时才能进行，气阀定时涡轮增压采用增压技术是提高柴油机功率或平均有效压力的最有效途径。一、柴油机增压概述 1．机械增压增压器1由柴油机曲轴通过齿轮2直接驱动的增压方式称为机械增压。 2．废气涡轮增压用柴油机排出的废气驱动的涡轮d带动的增压方式称为废气涡轮增压。
3．进气阶段
二、二冲程柴油机换气过程 1．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 为止的这一阶段，可分为超临界阶段和亚临界阶段。 2．强制排气阶段（R－C）从进气开始 R 点到活塞经下止点再上行而在 C 点关闭扫气口为止的阶段，靠新气与缸内废气的压力差，利用新气清扫废气。 3．过后排气阶段（C－E）从扫气口关闭的C点到排气口关闭的B 点为止的阶段，是一个损失新气阶段，越短越好。影响因素：扫排气重叠角的大小、气阀（口）开启的延续时间和气阀（口）的流通面积的大小。
3．复合增压既采用涡轮增压器，又采用机械驱动式增压器。
二、废气能量分析 g－ 0－ a－ h一 g：压气机消耗的总能量； g－ 2－ 4－ i一 g：扫气空气对涡轮所作的功； 4－ 2一 1－ 5－ 4：活塞推出废气所作的功，由柴油机活塞给予； 5一 1－ f－ e一 5：从废气中取得的部分能量； 5 － b － e － 5 ：脉冲动能能，或叫变压能。三、废气涡轮增压的两种基本方式 1．等压涡轮增压
第四节废气涡轮增压器一、废气涡轮把柴油机的废气能量转变成推动增压器转子旋转的机械功。有轴流式和径流式两种废气涡轮。喷嘴环由铸铁铸成的喷嘴内、外环和耐热钢制成的喷嘴叶片组成，外环上铣有数道通槽，外环与涡壳之间也留有一定的间隙，喷嘴叶片形成的通道从进口到出口呈收缩状。工作原理：（1）具有一定压力p0和温度T0的气缸排气以速度C0流入喷嘴。在喷嘴收缩形流道中膨胀加速，部分压力能转换成速度能。（2）喷嘴出来的燃气压力和温度下降至p1、T1而流速增高到 C1 ，再进入叶轮叶片间的流道时，气流被迫转弯。（ 3 ）离心力作用，迫使气流压向叶片凹面而企图离开叶片凸面，使叶片凹、凸面间产生压力差。作用在所有叶片上压力差的合力 pu 对转轴产生冲击力矩，使叶轮沿该力矩的作用方向旋转。（ 4 ）叶轮叶片的通道收缩，燃气继续膨胀。当气流在旋转的叶轮中流动时，因膨胀加速而给涡轮

第四章柴油机换气、机构、增压(3-7节)

4、提高柴油机的转速n
5、提高平均有效压力pe 平均有效压力pe=pi·ηm 要求增加进入气缸的空气量
增压的实际意义就是用提高进气压力的方法增加气缸的充气量，以保证燃烧更多的燃油，从而提高柴油机的功率。
根据驱动增压器所用能量来源的不同，增压方法基本可分为三种型式，即：机械增压、废气涡轮增压和复合增压。
4）起动和低负荷运转性能差，所以，必须增设电动鼓风机以便在低负荷和起动时使用。
2、压器供气显著下降，而辅助增压泵的供气量远远不足，故柴油机在低负荷时的工作性能差。必须附设电动鼓风机以便在起动和低负荷时使用。
近代船用低速柴油机增压系统的基本趋势是：采用定压单独增压系统，附设电动鼓风机以备起动与低负荷时使用。
2．脉冲涡轮增压在增压压力较低时，脉冲动能E1 所占比例增大，此时采用脉冲增压可使废气能量可得到更充分的利用。
脉冲涡轮增压的特点是各缸的排气管必须进行分组。分组的原则是：同组排气管所连各缸的扫排气时期不相重叠（或重叠较小）。二冲程柴油机：扫排气延续时间为120°曲轴转角处在同一组的最多允许缸数i＝360°／120°=3 四冲程柴油机：排气延续时间约为240°曲轴转角处于同一组的最多允许缸数I=720°／240°＝3 二冲程六缸柴油机，发火顺序为1－6－2－4一3－5；四冲程六缸柴油机，发火顺序为1－5－3－6一2－4；
1．机械增压
只适于增压压力pk ＜（0.15～0. 17） MPa的低增压柴油机。
2．废气涡轮增压
3．复合增压
两级增压两级中冷
总的增压压力达到0.4～ 0.5MPa
二、废气能量分析
三、废气涡轮增压的两种基本方式
1．等压涡轮增压系统

柴油机的换气与增压课件

扭矩、排放等。
02
数据处理
对收集到的数据进行处理，包括去噪、滤波、计算等，以得
到准确的工况数据。
03
数据分析
根据处理后的数据，分析换气和增压对柴油机性能的影响，以及换气和增压设备的效率等
。
结果展示与讨论
结果展示
通过图表和表格展示实验结果，包括换气和增压对柴油机性能的影响，以及换气和增压设备的效率等。
喷油器
将燃料喷入气缸内，与压缩空气混合燃烧，产生动力。
增压技术在实际中的应用案例
车辆动力提升
通过增压技术提高发动机的进气密度和喷油量，增加发动机的动力输出，提高车辆的加速性能和
载重能力。
工程机械
利用增压技术提高发动机的性能，为工程机械提供更大的动力和
可靠性。
船舶动力
在船舶动力系统中采用增压技术，提高发动机的效率和可靠性，为船舶提供稳定、可靠的动力输
实验步骤
首先安装换气设备，然后将柴油机启动并逐渐增加负载，同时记录各个工况下的数据，包括转速、扭矩、排放等。接着安装增压设备，重复上述步骤。
实施细节
在实验过程中，需要注意保持柴油机的稳定运转，避免突然的负载变化，同时要保证数据的准确性和可靠性。
数据收集与分析的方法
01
数据收集
通过数据采集系统收集实验过程中的各项数据，包括转速、
涡轮增压器
通过涡轮将空气压缩并送入气缸，提高柴油机的功率和效率。
换气过程中的问题与解决方案
01
02
03
空气流量不足
进气门磨损
排气不畅
由于空气滤清器堵塞、进气管漏气等原因导致空气流量不足，影响燃烧效果。解决方法是定期清洗空气滤清器和检查进气管是否漏气。

热力发动机原理-换气过程

4.无泵气损失， 4.无泵气损失，但机械效率较低无泵气损失二冲程内燃机因无单独的进排气行程，泵气损失为零。但空气耗量大，扫气泵耗功多，其机械效率一般比四冲程内燃机的低，燃料消耗率较高，但增压后，二冲程内燃机的燃料消耗率可接近或略高于四冲程内燃机的燃料消耗率。 5.采用纯燃气涡轮增压较困难 5.采用纯燃气涡轮增压较困难由于二冲程内燃机的扫气空气耗量较大，新鲜充量部分渗入燃气，使涡轮增压器前的排气温度降低，排气可用能下降，所以涡轮增压二冲程内燃机的排气能量平衡问题比四冲程内燃机更难解决，特别在启动、低负荷时这一矛盾更为突出。二冲程内燃机一般采用辅助扫气泵、活塞底泵或机械增压器与燃气涡轮增压器联合供气的办法来解决这一矛盾。
一般大功率四程机的空气耗量为6.8～7.6kg/(kW·h)，二程柴油机则为10.2～11.5kg/(kW·h)。在功率大体相同时，二冲程内燃机匹配的涡轮增压器比四冲程内燃机的大。 2. 换气质量较差，残余燃气系数较大，排气压力波动强烈换气质量较差，残余燃气系数较大，四冲程内燃机的进、排气过程在两个不同的活塞行程内进行，新鲜空气与燃气掺混的机会较少。二冲程内燃机换气时活塞在下止点附近，进、排气过程同时进行，新鲜空气与燃气易于掺混，换气质量较差，残余燃气系数比较大。二冲程内燃机气口开闭由活塞控制，启闭速度比气门快，排气开始时缸内压力比四冲程内燃机的高，因此，排气压力波动现象较四冲程内燃机强烈，进排气系统对换气的影响较四冲程内燃机的大。
气口气门直流扫气
气口气口直流扫气
1）气口气门直流扫气）如图所示，它的优点是：扫、排气相互混合较少，故扫气效率高；由于它是非对称扫气，故可进行补充充气；扫气口可布置在缸套的全周上，这可使气口高度减小，减少失效行程。这种扫气方式是最好的，低速、中速、高速内燃机上均有采用。由于扫气效果好，气缸新鲜充量多，便于增压，目前，广泛应用于加长行程的低速机型上。缺点是结构较复杂，四冲程内燃机中气门机构基本保留，尚需加扫气泵，排气门尺寸大，这对高速化不利，解决的办法是采用多个排气门减小排气门尺寸，但这会使气门机构变复杂。 2）气口气口直流扫气一般在对顶活塞式内燃机中采用气口气口直流扫气方式，每个气缸有上下两个相对运动的活塞，扫气口的启闭由下活塞控制，排气口的启闭由上活塞控制。扫排气口各占气缸一端，

柴油机的换气

第四章柴油机的换气、换气机构与增压第一节柴油机的换气过程及换气质量评定参数在柴油机的工作过程中，每完成一个工作循环都必需排除废气和充入新气。

从排气过程、扫气过程到进气终止的整个气体更换过程称为换气过程。

它的作用是将已燃气体排除并为下一循环吸入新鲜空气，为下一个循环的工作提供必要的条件。

换气过程的完善程度对柴油机的性能有重大影响。

如果换气过程进行的完善，压缩过程开始时气缸内残留的废气量少，新鲜空气量多，这就为燃油的完全、及时燃烧创造了条件。

燃油完全而及时的燃烧不但可使柴油机发出更大的功率，提高其动力性，使柴油机有高的热效率，提高经济性，而且，完全的燃烧还意味着结炭减少，减少排气污染。

另外，及时的燃烧还意味着较低的循环平均温度，从而提高柴油机的可靠性。

因此，换气过程的质量直接影响柴油机的动力性、经济性、可靠性及排放特性，是柴油机工作优劣的先决条件。

换气过程进行得好坏是以废气排除干净与否及新鲜空气充入量多少和新鲜空气的消耗量为标志。

它可以用充量系数、扫气效率等参数来评价。

一、四冲程柴油机的换气过程图4—1是四冲程柴油机在换气过程中，气缸压力、排气管中的压力随曲轴转角的变化情况以及相应的低压示功图（p—V图），从图中可以看出，排气阀开启后，废气从气缸急速流入排气管，气缸压力很快下降，直到排气上止点后的某一位置排气阀关闭为止。

进气阀在上止点前开启，新鲜空气流入气缸，直到进气下止点后的某一位置关闭为止。

在排气上止点附近，进、排气阀同时开启。

四冲程柴油机的换气过程可分为自由排气、强制排气、气阀重叠、进气四个阶段。

图4-1四冲程柴油机换气过程有关参数的变化a）气缸压力及排气管压力随曲轴转角的变化b）进排气阀流通截面比随曲轴转角的变化c）低压示功图第四章柴油机的换气、换气机构与增压119 1．自由排气阶段由于受配气机构的结构限制，气阀在开启过程中只能逐渐加大其流通截面。

如果排气阀刚好在膨胀行程下止点时开启，则排气阀流通截面增加过缓，活塞在向上止点回行时造成较大的反压力，增加排气行程所消耗的功。

换气与增压

3)进气阶段（1）理论上自进气阀开启点开始到进气阀关闭为止，实际自缸内压力低于进气管压力时开始（非增压机上止点后）（2）进气阀开启时刻对排气惯性有影响；关闭时刻对进气惯性作用有影响（3）进气阀开启提前角太大易产生废气倒灌；进气阀关闭滞后角太大易产生新鲜空气倒流并减小有效压缩比
2.气阀叠开与燃烧室扫气 1）燃烧室扫气：气阀叠开期间新鲜空气对燃烧室的清扫 2）四冲程机换气质量较高 3）高增压机定时变化：排气阀提前角增大，滞后角增大，气阀重叠角增大，喷油提前角减小
（3）先后两个阶段：超临界——废气以当地音速排出气缸；亚临界——排气管压力与气缸压力之比大于临界值，小于音速排出气体（4）排气阀开启提前角要足够大以排尽废气多进新气，但如太大会使膨胀功损失增大，膨胀功减小，排气功减小（5）排气管内压力波振幅比进气管内大
2)强制排气阶段（1）自由排气结束开始到排气阀关闭为止（2）活塞推挤强制排气（3）排气阀在上止点后滞后关闭，如延后关闭角太大会使排烟管中废气又被吸入气缸
气口高度为活塞在下止点时其上平面到气口上边沿的距离。二冲程弯流扫气柴油机最大
第四章柴油机的换气与增压
第一节柴油机的换气过程
换气过程：从排气过程、扫气过程到进气终止的整个气体更换过程影响：柴油机的动力性、经济性、可靠性及排气污染
一、二冲程柴油机的换气过程
1.换气过程 1）自由排气阶段（1）排气口（阀）开启到开始进气点（缸内压力与扫气压力相等）止，并非到扫气口开止（此时缸内压力高于扫气压力）（2）借助于缸内与排气管中的压差自由排气 2）强制排气与扫气阶段（1）自缸内压力与扫气压力相等至扫气口关闭止（2）依靠扫气与缸内压差和缸内与排气管压差强制排气

船舶柴油机换气与增压系统

自由排气强制排气
进气冲程
亚临界
2.气阀叠开和燃烧室扫气
2
气缸压力 1 排气管内的压力下止点上止点
气阀重叠
下止点
三、二冲程柴油机换气过程
• 1.二冲程机换气特点：
• （1）用于换新鲜空气驱赶废气的方式，进、排同时进行。 • （3）扫气所需气体压差较大，所消耗的功及空气耗量较大。 • （4）气缸容积不能充分利用。
• 1.离心式压气机的基本工作原理
• 2.单级轴流式涡轮机的基本工作原理：
三、离心式压气机的工作特性及喘振机理
当压气机工况变化时,在不同转速下压气机的排出压力和效率随空气流量的变化规律被称为离心式压气机的特性。表示这种特性的曲线叫压气机的特性曲线。
喘振：是由于流量小于设计值很多时叶轮进口和扩压器叶片内产生强烈的气流分离引起的震动。
• 分组原则：
3.两种增压方式的比较
• （1）废气能量的利用。 • （2）涡轮的工作性能。 • （3）增压系统的布置。 • （4）管理上的要求。 • （5）柴油机的加速性能及低负荷性能。
四、其它增压形式
• 1.脉冲转换增压：
• 排气支管和废气涡轮之间设脉冲转换器，即有效的利用脉冲能，又能使涡轮的进气压力稳定和流量连续，可提高涡轮效率。
2
1 Vb
ƒ
ƒ
四冲程等压涡轮柴油机废气能量
三、废气涡轮增压的两种形式
• 1.定压涡轮增压：
• 特点：排气支管连接到一根总管上，涡轮前排气管压力基本上是恒定的，只利用了废气的定压能，而脉冲能基本都损失掉了。
• 2.脉冲涡轮增压：
• 特点：排气管经过分组直接与涡轮相连，排气管细而短，涡轮前的压力是波动的，它利用了脉冲能并能较好的利用定压能。