第六章 内燃机的换气过程

对于增压增压柴油机还与废气涡轮增压器的 匹配有关。
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1、排气损失
从排气门提前开启，到吸气行程开始、气缸 内达到或接近进气管压力之前，这一阶段所损失 的功称为排气损失。
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W－自由排气损失，是排气门提前开启而引
起的膨胀功的减少；
X－强制排气损失，是活塞把燃气推出气缸
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（四）气门重叠和燃烧室扫气
活塞在上止点附近时进 排气门同时开启，称为“气 门重叠”，进气提前角和排 气延迟角的和称为气门重叠 角。 缸内形成的空间就是活塞 在上止点附近形成的燃烧室空 间，也称为燃烧室扫气。
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注意：
1）气门重叠期间，新鲜充量在压力差作用下流 入气缸，与缸内残余废气混合后，部分可以直 接进入排气管；
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一、换气过程分析
根据换气过程的特征，可将四冲程内燃机的 换气过程分为：
（一）自由排气阶段 （二）强制排气阶段 （三）进气阶段 （四）气门重叠和燃烧室扫气
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（一）自由排气阶段
自由排气阶段－自排气门在b′点开启时至 缸内压力p和排气管内压力pr相等时止，其特点 是利用缸内和排气管内的压差排气。
谐振充气系统是将 一组点火间隔相等的气缸， 通过较短的进气管和谐振 箱连接在一起，在进气波 动的频率和进气系统固有 频率相等时，取得较好的 充气效果。
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注意： 1）为了保证各缸的进气不发生干扰，谐振充气 系统一般要求气缸的点火间隔为240°CA。 2）对于不可变进气系统，谐振充气只有在很窄 的转速范围内才有较好的充气效果；对于可变进 气系统，谐振充气可在较大的转速范围内具有较 好的充气效果。
pp Wp Vs
6 3
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泵气功就是示功图下方进、排气曲线所包围 的面积X+Y-U。
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三、换气过程的评价参数
1、残余燃气系数γr 2、补充进气比ξ 3、充气效率ηv 4、扫气系数φs 5、平均进气马赫数Maim
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1、残余燃气系数γr
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三、减少对进气充量的加热
新鲜充量在进气过程中，受到受热零件的 加热，使进气终了时的充量温度Tg上升，密度ρg 下降，从而导致充气效率下降。
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1）柴油机均采用进、排气管在气缸盖两侧布臵 的方案。 2）汽油机常采用进、排气管同侧布臵方案，但 也有一些高速汽油机，为获得较高的ηv，而采 用进、排气管在气缸盖两侧布臵的方案。
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§6－2 提高充气效率的措施
根据公式 v 可知： p g ' Ts

1
p s Tg ' 1 1 r
影响充气效率的主要参数是进气过程到下止 点时充量的压力pg′和温度Tg′，残余燃气系数γr 和补充进气比ξ。
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相应地提高充气效率的措施主要从四方面着 手：
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2、可变进气道截面进气系统
低速时，较小的进气道流通截面，使气体流 速增加，有较好的动态充气效果，ηv较高；高速 时，较大的进气道流通截面，使气体的流动阻力 减小，ηv也较高。
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s
mk mL
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说明：扫气系数是衡量扫气过程中新鲜空气利用 程度的参数，一般在1.4～2.0之间选取。
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5、平均进气马赫数Maim
平均进气马赫数－进气门开启截面Fv处的平 均流速vvm与该处的音速a之比，即
Ma im v vm v vm a
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残余燃气系数－进气过程结束时，气缸内的 残余燃气质量mr与气缸内的新鲜空气质量之比 mL，即
r
mr mL
6 4
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2、补充进气比ξ
补充进气比－进气门关闭时气缸内的混合 气质量mg与进气过程到下止点时气缸内的混合 气质量mg′之比，即

mg mg'
6 5
6
（二）强制排气阶段
强制排气阶段－自缸内气体压力和排气管内 气体压力相等时起至排气门关闭的点r″止，其 特点试依靠活塞强制推挤将燃气排除气缸。
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注意：
1）一般情况下，排气门在上止点后关闭，称为 “排气延迟”。相应的曲轴转角称为排气延迟角， 其范围约在上止点后10～80 ‴A 。
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说明：充气效率是衡量进入气缸充量的多少和换 气过程的完善程度的参数。
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注意：
对于非增压内燃机，进气状态取大气状态； 对于增压内燃机，进气状态取增压器或中冷器 之后的进气管状态。
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4、扫气系数φs
扫气系数－每循环流经气缸总的空气质量 mk与进气过程结束时实际进入气缸的新鲜空气 质量mL之比，即
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分析： 1）排气门刚开启，超临界流动状态。
2）排气门流通截面积不断增大，亚临界流动状 态。
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注意：
一般情况下，排气门都在下止点前某一曲轴 转角提前开启，称为“排气提前”。相应的曲轴 转角称为排气提前角，其范围约在下止点前 30～60‴A。
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注意： 1）一般情况下，进气门在上止点前10～70 ‴A 开启，称为“进气提前”，相应的曲轴转角称为 进气提前角。
2）一般情况下，进气门在下止点后30～60 ‴A 关闭，称为“进气延迟”，相应的曲轴转角称为 进气延迟角。 3）对于某一确定转速，只有一个最佳进气延迟 角；转速越高，最佳进气延迟角越大。
2）内燃机换气形式不同，气门重叠角的大小也 不同； 3）气门重叠角较大时，应注意避免气门和活塞 发生碰撞。
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二、换气过程的损失和泵气功
非增压内燃机的理想换气过程的泵气功为零； 增压内燃机的理想换气过程的泵气功为正功。
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（一）换气损失
换气过程的损失为进气损失和排气损失之和， 其大小主要取决于进、排气系统流动阻力的大小 和气门定时。
2、电磁控制全可变气门机构 德国EFV内燃机技 术公司发明的电磁控制 全可变气门机构，结构 简单，能耗低，不仅能 改变进气定时也能改变 气门最大升程和升程曲 线。
1）降低进气系统的阻力损失，以增加pg′；
2）降低排气系统的阻力损失，以降低γr；Baidu Nhomakorabea
3）减少高温零件在进气过程中对新鲜充量的加 热，以降低Tg′，提高ρg′； 4）合理利用换气过程的动态效应，提高ξ ，以 增加pg′ ；
此外，涡轮增压加中冷技术，也是提高ηv的 有效措施。
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一、降低进气系统流通阻力
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发动机低速工作时，在二个低速凸轮中间布臵一个 高速凸轮，低速凸轮单独驱动气门，高速凸轮虽然也驱 动中间摇臂，但中间摇臂并不驱动气门。 发动机高速工作时，液压油的压力驱动液压活塞， 使三个摇臂结合合成一体，这时三个摇臂都被高速凸轮 所驱动，高速凸轮的气门开启时间长，升程大。
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2）排气延迟期间，可以利用排气系统内的气流
惯性从气缸中抽吸废气，但要防止废气倒流入气 缸。
3）废气从气缸向排气管的流动刚停止，倒流还 没有发生的时刻，是排气门关闭的理想时刻。
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（三）进气阶段
进气阶段－自进气门在点r′开启时起至点 g″关闭时止，其特点是下行的活塞把充量吸入 气缸。
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3、可变排气道截面排气系统
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可变节流阀的开启度随汽油机转速而变化， 以便提供最优的流通截面，在气门重叠期间，在 排气门处产生负压，利用惯性清扫燃气，多进新 鲜充量，提高ηv，从而改善怠速稳定性和高速、 强化汽油机的低中速范围内的扭矩特性。
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（三）谐振充气系统
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（四）可变配气定时控制机构
1、VTEC机构
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VTEC系统由中 间摇臂，主、副摇臂 及同步活 塞A、 B， 以及三种不同的凸轮 等组成。中间摇臂高 速用，主、副摇臂低 速用。设有空动机构 弹簧，用于低速时消 除游隙，高速时使气 门工作圆滑。
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φ1、φ2－进、排气门开启和关闭时刻， 对应的曲轴转角。
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说明： 1）平均进气马赫数考虑了进气过程的主要影响 因素，是表示进气流动的特征参数。
2） Maim接近0.5时进气门 周围的流动到达临界状态， 进气总管内产生气流阻塞现 象。
3）为保证进缸充量的数量，一般不允许Maim 大于或等于0.5。
,a KRT v
V s v Fvte
式中，Tv－进气门开启截面处的气体温度； Fvte－进气门有效时间截面值。
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Ma im
V s v aF vte

aF vtm
V s v 6 20 2 1 6n
式中， Fvte－进气门有效时间截面值； Fvtm－平均有效时间截面值；
3）增压及中冷不仅可提高内燃机的动力性、经 济性和排放性能，而且还可提高ηv。
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四、合理利用换气过程中的动态效应
（一）进排气管中的动态效应 （二）可变进、排气系统
（三）谐振充气系统
（四）可变配气定时控制机构
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（一）进排气管中的动态效应
1、进气管中的动态效应 2、排气管动态效应 3、多缸内燃机中的动态效应
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（二）可变进、排气系统
1、可变进气管长度进气系统
2、可变进气道截面进气系统
3、可变排气道截面排气系统
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1、可变进气管长度进气系统
一个长度固定的进气管，只能在一定的转速 范围内有较好的动态充气效果：
较短的进气管，在高速时有充气效果较好， 较长的进气管，在低速时充气效果较好。 可变长度的进气管，可使内燃机在较宽的转 速范围内都有较好的充气效果。
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图（a），两个谐振箱由两个谐振管连接在一起，其中一个谐 振管可以关闭。当这个谐振管打开时，谐振管的截面增加，谐振 频率提离。 图（b），气波充气和谐振充气相结合，在中、低转速时，中 间阀门关闭，进气系统是两个谐振转速较低的谐振充气系统；在高 转速时，阀门打开，进气系统是短进气道的气波充气系统。
1）对于进气管和进气道，应保证其有足够的流 通截面，并合理设计通道型线，避免急转弯和流 通截面积突变而产生阻力。
2）对空气虑清器，应该在保证虑清效果的前提 下，尽可能减小流通阻力。 3）对于增压中冷内燃机，应注意设计流阻低、 冷却效果好的中冷器。
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二、降低排气系统流通阻力
降低排气阻力，可以减少换气过程的排气损 失，使缸内残余燃气压力下降，有利于提高充气 效率和排气能量的利用。
说明：补充进气比表示进气门延迟关闭期间补充 进气对气缸充量的影响。
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3、充气效率（或充气系数） ηv
充气效率－进气过程结束时，实际进入气 缸的新鲜空气质量mL与在进气状态下能充满气 缸工作容积的新鲜空气质量ms之比，即
v
mL ms mL Vs s mL RT s Vs ps
所消耗的功。
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2、进气损失
进气过程中缸内气体的压力低于进气管内气 体的压力，损失的功相当于Y所表示的面积，称 为进气损失。
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（二）泵气功
四冲程内燃机，在进气行程和排气行程中缸 内气体对活塞做功的代数和就称为泵气功。
常用平均泵气压力表示泵气功的大小，其定 义为：
进气流通阻力包括管道摩擦阻力和局部阻力。 1）内燃机的流道不长，壁面较光滑，其摩擦阻 力不大； 2）局部阻力是进气系统主要流动损失。
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（一）降低进气门处的流动损失
1、增大进气门处流通面积。 2、改善气门和气门座处的 气体流动特性。
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（二）减少进气管道和空气滤清器的 阻力
第六章 内燃机的换气过程
§6－1 四冲程内燃机的换气过程
§6－2 提高充气效率的措施 §6－3 二冲程内燃机的换气过程及其品质评定
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§6－1 四冲程内燃机的换气过程
换气过程－将燃烧产物排出气缸和把新鲜 充量充入气缸的过程。 主要任务： 尽量将燃烧产物排除干净，尽可能多地充入 新鲜充量。