第2章-发动机的换气过程

第2章 发动机的换气过程
2．排气关闭延迟角
• 适度的排气关闭延迟角可利用排气的惯性作 用降低排气终了压力，从而提高充气效率。 • 但是该角过大，则会导致部分新鲜工质排出 ，造成燃料的浪费，得不偿失。
第2章 发动机的换气过程
3．进气开启提前角
• 增加进气开启提前角使进气畅通，将使新鲜 工质吸入量增加，提高充气效率。 • 但是，如果该角太大，废气就会从进气门排 入进气管道，在进气过程中，吸入的不仅是 新鲜工质，废气也被吸入，反而会降低充气 效率。
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排气关闭延迟角
• 活塞运行到上止点时，由于废气有一定的流 速，可以利用气流的惯性进一步排除废气， 从而降低排气终了气缸内的压力，为充入更 多的新鲜工质打好基础。 • 因此，排气门在上止点后才关闭，从上止点 到排气门关闭1点的曲轴转角被称为排气关闭 延迟角，一般在0°～30°之间（多气门发 动机可能出现负值）。
m pa V 'a T0 v 1 m0 p0VaTa
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ηv的通常范围
• 随着对充气效率影响因素的不断改善，特别是 汽油发动机取消了化油器之后，ηv有了较大提 高。通常ηv＞0.9。采用化油器的发动机ηv一 般在0.8左右。 • 充气效率高，说明发动机每循环进入气缸的新 鲜工质多，发动机输出的功率和转矩增大，动 力性也就提高了。 • 由于在换气过程中进气状态十分复杂，发动机 每循环的实际进气量无法进行理论计算，因此 发动机的充气效率通常用实验方法测定。
m0
• 所谓进气状态，对非增压发动机而言，p0是 当地大气压力，T0 是当时环境温度；对增压 发动机来说，p0是压气机出口压力，T0是压 气机出口温度。
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• 根据理想气体状态方程可得：
p V' m a a RTa
m0
p0Va RT0
• 式中：pa、V'a、Ta——分别为进气终了的压力、体 积、温度； R——气态常数； Va——气缸总容积。 进进气终了压力pa低于p0；进气终了温度Ta远高于 T0；V'a比Va要小。
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3.3.3
进气温度
• 新鲜工质经过进气系统时，对于节气门体有 预热装置的发动机，进气将被加热。 • 新鲜工质进入气缸后，缸壁、活塞、缸盖等 高温机件也会使工质升温（部分增压发动机 除外）。 • 工质被加温后密度将降低，充气效率也会降 低。
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3.3.4
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3.3
影响充气效率的因素
• 要提高发动机的动力性，必须改善换气过程 的工作质量，提高充气效率。影响充气效率 的因素很多，主要因素有： （1）进排气系统的流动阻力 （2）气缸内的残余废气量 （3）进气系统和机件对新鲜工质的加热状况 （4）配气相位 （5）进排气系统的动态效应
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2．强制排气阶段
• 图中b-2段表示。 • 从自由排气结束到进气门开启这一阶段是强 制排气阶段。活塞从下止点向上止点运动， 将废气推出气缸。 • 此时气缸内压力略高于排气管内压力，气流 平缓，排气量取决于活塞运动速度及气门开 启程度。
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3．扫气阶段
• 图中2-1段表示。 • 从进气门开启到排气门关闭的这一阶段是扫 气阶段。此时进排气门同时打开，废气在惯 性作用下继续排出，新鲜工质开始进入气缸 。 • 有些发动机进气在螺旋管道作用下产生旋流 ，还能形成挤出废气的作用。
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排气开启提前角
• 在排气过程中，由于排气门在开启初期气 流通过截面太小，废气无法畅通排出。如 果排气门在下止点开启，势必造成气缸内 压力太高，活塞上行阻力很大，排气行程 消耗的功率较多。 • 因此，排气门在活塞运行到下止点前就提 前打开，到达下止点时，排气门已具备了 必要的开度。从排气门开启b′点到下止点 的曲轴转角被称为排气开启提前角，一般 在20°～80°之间。
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自由排气的阶段划分
• 自由排气阶段初期，压差很大，气流呈超临界状 态（气缸内压力p高于排气管内压力pp的2倍） ，气体流速最大值等于该处气体状态下的音速（ 可能达到500～600m/s），并伴有刺耳的噪音， 此时排气量与排气门前后压力差无关，只取决于 气门开启面积和气体的状态。 • 自由排气阶段后期，气流呈亚临界状态（气缸内 压力低于排气管内压力2倍），此时气流平稳无 噪音，排气量取决于排气门前后的压力差。
配气相位
• 合理地选择配气相位能有效地提高充气效率 。 • 理论上，增加排气门开启持续角能降低排气 终了压力，增加进气门开启持续角能提高进 气终了压力，均能提高充气效率。 • 但是，在发动机实际工作中，它们是相互制 约的。
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1．排气开启提前角
• 排气开启提前角越大，则自由排气时间越长 ，排气越充分，排气终了压力越低，充气效 率则越高。但排气门的提前开启将损失膨胀 功，如果排气损失过大，充气效率提高获得 的利益是不可能弥补的。 • 因此，在选择排气开启提前角时，既要考虑 充气效率，同时也应注重功率损失。
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进气开启提前角
• 在进气过程中，为保证新鲜工质能顺利地进 入气缸，进气门也要提前打开。 • 从进气门开启2点到上止点的曲轴转角被称为 进气开启提前角，一般在0°～30°之间（ 多气门发动机可能出现负值）。
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进气关闭延迟角
• 进气行程终了时，因为进气流速较高，可以 利用惯性更多地充入新鲜工质，从而提高进 气终了压力。 • 因此进气门也需滞后关闭。从下止点到进气 门关闭a′点的曲轴转角被称为进气关闭延迟 角，一般在20°～80°之间。
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3.1
四行程发动机的换气过程
3.1.1 换气过程 • 四行程发动机的换气过程始于排气门开启， 止于进气门关闭，约占400°~500°曲轴转 角。 • 根据气体流动特点，一般将此过程分成五个 阶段。
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换 气 过 程 示 意 图
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换 气 过 程 示 意 图
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2．进气损失
• 在进气过程中，由于负压作用活塞运动受阻 所消耗的功称为进气损失（图中x部分）。相 对于排气损失，进气损失较小。 • 排气损失与进气损失之和(w+x+y)被称为换 气损失。
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3.2
四行程发动机的充气效率
• 充气效率ηv：是实际进入气缸的新鲜工质质 量m与进气状态下整个气缸容积充满了新鲜 工质的质量m0之比值。 m v
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3.3.2
残余废气量
• 气缸内残余的废气量越多，充气效率就越低。 因为： （1）残余废气要占用部分容积，自然会减少新鲜 工质的空间，吸入新鲜工质的量也同样会减少 。 （2）残余废气多，则排气终了压力相对就高，气 缸内负压小，吸入新鲜工质的量也会减少。 （3）残余废气多，则排气终了温度相对就高，之 后在进气过程中会相对提高新鲜工质的温度， 造成新鲜工质密度降低，充气效率也会降低。
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4．充气阶段
• 图中1-a段表示。 • 从排气门关闭到进气行程结束（活塞运动到 下止点）的这一阶段是充气阶段。活塞从上 止点运动到下止点的过程中，气缸内压力低 于进气管内压力，新鲜工质在负压作用下被 吸入气缸内。
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5．后充气阶段
• 图中a-a′段表示。 • 从下止点到进气门关闭的这一阶段是后充气 阶段。此时是利用气流惯性和波动效应，使 新鲜工质继续流入气缸，从而提高充气效率 。
3.3.1
进排气系统的流动阻力
• 进气终了的压力等于p0减去进气系统的压降 ，排气终了的压力等于p0加上排气系统的压 降，而进排气系统的压降与该系统的流动阻 力成正比。 • 流体力学研究结果表明：进排气系统截面变 化越急剧、管道越细长、管壁越粗糙、气体 流速越高、初始压力越低、则压降（率）越 大。充气效率也就越低。
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图3.1 四行程发动机的换气过程
1．自由排气阶段
• 图中b'-b段表示。 • 从排气门开启至气缸内压力接近于排气管内 压力的这一阶段是自由排气阶段。其气体流 动特点是废气在压差作用下自由排出气缸。 • 尽管自由排气阶段在整个排气过程中所占时 间比例不大，但由于废气流速很高，排出废 气量仍可高达60%~70%。
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研究换气过程的目的
• 发动机动力源自燃料在气缸内燃烧所产生的热能 。1L汽油完全燃烧约需10000L空气，1L柴油完 全燃烧所需的空气则更多。由此可见燃料在混合 气中所占容积很小，而且通过喷油器对燃料量进 行精确控制已无困难。 • 因此，要想提高发动机的功率和转矩，关键在于 充入气缸空气量的多少。 • 我们研究换气过程，目的在于了解换气过程的工 作状态，分析影响充气量的各种因素，从中寻求 减少换气损失和提高充气量的措施。
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气门重叠角
• 由于排气门的延迟关闭和进气门的提前开启 ，换气过程中存在着进、排气门同时打开的 现象,称为气门重叠。 • 气门重叠(2-1点)的曲轴转角被称为气门重叠 角，一般在0°～50°之间。增压发动机的 气门重叠角较小。 • 适当的气门重叠角可以利用新鲜工质挤出部 分残余废气，但气门重叠角太大，就可能发 生废气倒流进入进气管道的现象。
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学习目标
• • • • 重点掌握影响充气效率的各种因素； 熟悉发动机的换气过程和换气损失； 熟悉充气效率对发动机性能的影响； 了解提高充气效率的有效措施。
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发动机的换气过程概念和任务
• 发动机的换气过程包含排气过程和进气过程 。 • 换气过程的任务是：将气缸内上一循环的废 气排除干净，为下一循环充入尽可能多的新 鲜工质，保证发动机动力周而复始地输出。
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4．进气关闭延迟角
• 适度的进气关闭延迟角可以利用进气的惯性 提高进气终了压力，使充气效率提高，但是 该角过大，由于活塞上行反而将部分新鲜工 质挤出，充气效率反而会降低。
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3.3.5
进排气系统的动态效应
• 进气管惯性效应：当进气门打开，活塞下行，使气缸内 产生负压（即真空度），进气管内也随之产生负压，新 鲜工质在进气管内外压差作用下，向气缸内流动并在进 气管内得到加速。随着进气行程接近终了，当进气门迎 着已获得充分加速的气流关小时，在进气管道中引起短 暂的压力升高，导致活塞上行进行压缩行程之初，进气 流动惯性仍可继续得到利用。这种利用气流动能（惯性 ）进行后充气增加充气量的效应，称为惯性效应。惯性 效应的收益与配气定时中的进气关闭延迟角有直接关系 。一般，高转速发动机要求有较大的进气关闭延迟角， 才能得到较好地惯性效应。
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3.3.5
进排气系统的动态效应
• 波动效应：发动机进气行程初始阶段，气缸内负压很大，使新鲜 工质高速流入，其前锋抵达活塞顶部的瞬间，会产生一个与气流 方向相反的膨胀波，其传播速度等于音速减气流速度。膨胀波返 回到进气口（或谐振腔）时，又向气缸方向反射一个压缩波，其 传播速度等于音速加气流速度。当压缩波进入气缸时，缸内压力 会达到一个峰值，若此时关闭进气门，就可以获得较高的进气终 了压力，从而提高充气效率。因此，设计长度合适的进气管道， 使膨胀波发出到压缩波反射回到气缸内所经历的时间，正好与进 气门开启到关闭所需的时间相互配合，当压缩波到达气缸时，进 气门恰好关闭，将较高压力的新鲜工质关在气缸中，从而提高充 气效率。这种效应称之为本循环波动效应。 • 实验表明，进气管道长度越长，波动效应越明显。
第2章 发动机的换气过程
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3.1.2
换气损失
• 换气损失由排气损失和进气损失两部分组成。 • 如图所示。
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配气定时与换气损失
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1．排气损失
• 从排气门开启到气缸内压力降到大气压力前，发动机循 环功的损失称为排气损失。它可分为： 自由排气损失（图中w部分），该损失是由于排气门提 前开启造成膨胀功的减少部分。 强制排气损失（图中y部分），该损失是废气被推出时 活塞运动受阻所消耗的功。 • 显然，如果加大排气开启提前角，自由排气损失就会增 加，但强制排气损失将会减少；如果减小排气开启提前 角，自由排气损失虽然减少，但强制排气损失却会增加 。因此，最佳排气开启提前角的选取原则是：两项排气 损失之和（w+y）应取最小值。