第二章 发动机的换气过程
第二章发动机的换气过程-2012
一、换气过程
• 包括从排气门开启直到进气门关闭的整个时期， 约占410°～480°曲轴转角。 • 目标：延长换气时间，增加气门开启的时间断面，充分利用气流的动态效应，改善换气过 程，提高内燃机性能。 • 一般将换气过程分作自由排气、强制排气、进 气和燃烧室扫气四个阶段。
＊配气相位
1、自由排气阶段
k
1. 4 1. 1 4
** 气体自行排出气缸而不需借助外力
1. 2
3. 5
1只取决于当地 声速
v a kRT
式中：V－气体流速，a－当地声速 当T＝873－1173K时，a＝500－600 m/s
2、强制排气阶段
• 从自由排气结束到活塞 到达上止点，废气由活 塞上行强制推出。 • 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。 • 流速取决于压差，压差 越大，流速也越大，但 耗功也越多。 • 排气迟闭角为一般为 10°～35°。
流道转弯处
1、降低进气门处的流动损失
进气门座处 局部阻力最大
forward
阻力系数 ξ有关
ps s vs
2
与该处的 流动速度vs 的平方成正比
降低气门座处的流速和改善气门座处 的流动情况以提高流量系数
补充
return
• 过高的气体流速，还会发生气体阻塞现象。考 察气门座处的流动情况，平均进气马赫数Ma
1、进气终了的压力pa
进气终了压力↑ →充量系数（充气效率） ↑， 进气终了压力受进气系统的阻力的影响 • 进气系统阻力引起的压 降与管道阻力系数、进 气密度、气体流速的平 方三者的乘积成正比。 • 发动机转速增加，pa迅 速下降。 • 汽油机负荷减小， pa迅 速下降。
第2章 发动机的换气过程.
第一节 四行程发动机的换气过程
一、换气过程概述
从上一循环排气门开启到下一循环进气门关闭的整个时期， 约占410°— 480°曲轴转角。
进气门打开
Inlet Valve Open
排气门关闭
Exhaust Valve Close
进气门关闭
Inlet Valve Close
排气门开启
Exhaust Valve Open
三、换气损失和泵气损失 1、换气损失
进气损失与排气损失之 和：X+Y+W
2、泵气损失
泵气损失：X+Y-d
四、换气损失随内燃机转速的变化
1.进气损失明显小于排气损失。 2.进损失影响充量系数，因而对发动机的性能影响更大。
第二节 四行程发动机的充气效率
一、充气效率ηv
定义：
V 进 气 状 态 实 下 际 充 进 满 入 气 气 缸 缸 工 的 作 新 容 鲜 积 充 的 量 新 鲜 充 量 m m 1 s V V 1 s
2、排气门迟闭角
定义
排气门在上止点后关闭的角度。
作用
1. 避免因排气流动截面积过早减小而造成的排气阻力 的增加，使缸内的残余废气量增加。
2. 利用排气管内气体流动的惯性从气缸内抽吸一部分 废气，实现过后排气。
3. 扫气作用。
选择
➢过小，惯性利用不够 过大，废气倒流
➢存在最佳值：10-35 CA ATDC
G =d G = cfd t= ρc fd t
0
0
0
❖ 当流道前后的压力差为定值时，即流速c为常数 时，时面值越大，流量越大；
❖ 当流量为定值时，时面值越大，所需流速越小 ，即流道压力差越小。
结论：时面值表示了气阀与气口的流通能力。
第二章-发动机的换气过程PPT课件
影响较小
（四）排气终了温度 Tr
Tr v （五）压缩比
v
2024/1/6
.
（六）配气定时 合理的配气定时也可增加充气效率
（七）进气状态 进气或大气压力高，pa也随之增加，新鲜 工质密度增加，进气量也增多。
2024/1/6
.
三、提高充量系数的措施：
m am 1m r(1r)m 1
vm m s1h(1 m s r)h m a(1srV )hsa h V a
• v愈高，代表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，动力性好。
2024/1/6
.
二、影响充量系数各种因素
（一） 进气终了压力 p a
vm m s1h(1 m s r)h m a(1srV )hsa h V a
排气门迟闭角为4= 10～70 °CA。
2024/1/6
.
三、进气过程：从进气门开启到关闭，内燃机吸入的新鲜充量的
整个过程。
1.进气提前：
进气门一般在上止点前提前一定曲轴转角开启，以 保证活塞下行时有足够大的开启面积，减少进气节流损 失。进气门提前角一般为0～ 40ºCA。
进气真正开始时刻，要待气缸内残余废气膨胀至低于进 气管内进气压力才开始。由于该时进气管内气体加速需要压 力差，进气门开启截面积又小，因此新鲜充量不能及时吸入 气缸。进气门提前开启就是为了减少节流损失，增加气缸内 充气量。
特点：1.进气管、气缸、排气管三者相通，有利于扫气增加。 2.新鲜冲量的冷却有利于降低缸内温度。
2024/1/6
.
气门叠开角的确定：
由于气流惯性，进气管、排气管虽然相通，在气门叠 开角适当时不应出现废气倒流现象。
第二章 发动机的换气过程
原理。
件（如排气门）热负荷低。
重叠角过大，气门易碰活塞， 使得活塞上气门凹坑过深，破坏
了进气涡流和燃烧，同时加重增
压器的负担。
排气迟闭
排气提前
四冲程发动机配气相位
一般柴油机为20～50 °CA，增压柴油机为80 °～50 °CA 。
3）重叠角对汽油机的影响： 大多数汽油机吸入的新鲜工质是可燃混合气，过大重叠
塞下行时气门具有较大的流通截
面积（一般提前角为10°～
40°CA）。 2）进气门迟闭： 充分利用气
进气门开
流惯性继续充气（一般迟闭角为
40°～ 70°CA）。
迟闭角
进气门提前与迟闭
3）迟闭角的选择： （1）转速升高，气流惯性大， 迟闭角也应增大；
进气提前
排气迟闭
（2）迟闭角不宜过大，否则
低速时部分新鲜工质会被压出气 缸，不仅影响发动机动力性，柴 油机还会因此起动困难。
门升程，实现快速开与闭。
4）改善气道动力性：光滑壁面、圆弧过度、并使气门 升起后远离壁面。 5）高速柴油机采用较小的S/D。
2、进气终了气体温度 Ta ： Ta 越大，气体密度越小，
充量系数也越小（增压发动机进气中冷）。
3、残余废气系数γ： 残余废气越多，充量系数也就越小； 同时，废气越多，还会使燃烧恶化，降低发动机的经济性和 排放性。 排气系统阻力越大、排气终了压力也越大，残余废气 量也就越多。但是，适当量的残余废气可以改善发动机的 排放性能。 4、压缩比 c： 压缩比大，余隙相对容积减少，废气残余 量就减少，充量增大。 5、合适的配气相位
二、废气残余系数γ：
定义： 进气过程结束时气缸内残余废气质量与进入气缸 的新鲜空气质量之比。
汽车发动机原理第二章-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•发动机换气过程包括排气过程和进气过程，其任务是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愈多，燃烧后才能放出更多的热，从而增大发动机功率和转矩，这是保证发动机动力性能的前提和关键第一节四行程发动机的换气过程•一、换气过程–四行程发动机换气过程包括从排气门开启直到进气门关闭的整个时期，–为了增加气门开启的时间断面，并充分利用气流的流动惯性，减少换气过程中的损失，进排气门一般提前开启，迟后关闭，约占410°～480°曲轴转角。
–一般将换气过程分作自由排气、强制排气、进气和气门叠开四个阶段–1. 自由排气阶段（超临界与亚临界状态）•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•排气门是在活塞到达下止点之前开启，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。
此时缸内废气压力约为0.2～0.5MPa，缸内压力与排气管压力之比往往大于临界值1.9，排气的流动处于超临界状态，废气以当地声速c流过排气门开启截面，当排气温度为700-1100K时，声速可达500-700m／s •排气提前角的选择：不要使自由排气阶段拖得过长，否则会增加强制排气活塞推出功，使排气损失增加。
因此，对于高速机，应加大排气提前角。
•在超临界排气时期，废气流量与排气管内压力无关，只决定于气缸内气体的状态和气门有效开启面积•随废气的大量流出，缸内压力迅速下降，排气流动转入亚临界状态，此时废气流量决定于气缸内和排气管内的压力差。
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•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•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–2. 强制排气阶段•此阶段废气是由活塞上行强制推出。
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燃烧是做功之本。
燃烧需要空气与燃料。
重量比容积比燃料 1 1 液态空气15 1000 气态燃料受机械控制，容易参加。
而汽缸容积就那么大，要想多加空气就要困难得多。
因此，对发动机换气过程的研究就显得尤为重要了。
§2-1 四冲程发动机的换气过程一配气定时与工程热力学中介绍的不同, 进排气门的开启、关闭也需要时间, 故在下止点前排气－排气提前角40︒～80︒在上止点后关闭－排气迟闭角10︒～35︒在上止点前吸气－进气提前角0︒～40︒在下止点后关闭－进气迟闭角40︒～80︒进气提前角+排气迟闭角－气门叠开角二换气过程〔一〕排气过程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Bp = 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’=m/s。
其流量与压差〔p - p’〕在气阀最小截面处, 气体流速等于该地音速a kRT无关, 只决定于排气阀开启面积和气体状态。
4 亚临界排气Dp = 1.9 p’ →排闭。
其流量取决于压差〔p - p’〕。
〔二〕进气过程和气门叠开角-〕使新鲜介质进入缸内。
由于节流作用, 缸内产生负压；〔p p气阀叠开角：非增压：20︒～60︒ CA。
太大〔引起〕→废气回流进气道。
太小→扫气作用不明显。
增压：110︒～140︒ CA。
进气管p↑, 扫气明显, 气阀叠开角可以增大很多。
如6135型高柴：非增压：40︒, 增压：124︒。
扫气的作用：1 去除废气, 增加气缸内的新鲜充量。
2 降低排气温度。
3 降低热负荷最严重处〔如气阀、活塞等〕的温度。
三换气损失理论循环换气功与实际循环换气功之差。
如图：换气损失功－X+〔Y+W〕, 其中〔W+Y〕为排气损失功，X为进气损失功。
〔一〕排气损失功YW是因排气门提前开启而损失的膨胀功,称为自由排气损失。
第二章 发动机的换气过程
3. 进气门从开启到关闭的进 气持续角也进行相应的调整。
第二章 发动机的换气过程
可变气门正时（VVT ）
Pe
Tτq
优点：根据实现机构的不同，采用VVT技术可以使得发动机的 低速转矩得到大幅度的提高。
第二章 发动机的换气过程
膨胀损失
从排气门提前开启到下止点这一时期，由于提前 排气造成了缸内压力下降，使膨胀功减少.
自然吸气
增压
第二章 发动机的换气过程
推出功损失
活塞由下止点向上止点的强制排气行程所消耗的功。
自然吸气
增压
第二章 发动机的换气过程
排气损失
膨胀损失和推出损失二者之和。
第二章 发动机的换气过程
所以 n pr c （影响较小）
4、排气终了温度 Tr
Tr c
，是粗略的。还有许多因 素未予考虑。如：压力升高比，绝热指数k，热传输和过 量空气系数等。
第二章 发动机的换气过程
第三节 提高发动机充量系数的措施
排气提前角
定义
排气门在膨胀冲程到达下止 点前的某一曲轴转角位置提前 开启的角度。
作用
排气阀升程
增加排气流通面积（时面值or角面值）， 减少排气冲程所消耗的活塞推出功。
第二章 发动机的换气过程
排气门迟闭角 定义 排气门在上止点后关闭的角度。 作用
1,避免因排气流动截面积过早减小而造成的排气阻力的 增加，使缸内的残余废气量增加。
（2）负荷 汽油机：负荷 节气门开度 （质调节）
pa pa c
柴油机：负荷 循环供油量 （量调节）（与 pa
第二章发动机的换气过程
5、压缩比
压缩比增加 ,压缩容积减小 ,残余废气量随之减小 , 因而 所增加。
c 有
6、进气状态
进气温度升高，进气压力下降均会使进入气缸充量的密度减 少，绝对进气量减少，充量系数是在同一进气状态下的相对值。 进气温度、进气压力变化一般对充量系数影响不大。
第三节
提高充量系数的措施
一、降低进气系统的阻力 二、减少对进气充量的加热
式中
vc v vc vs
' s
Vr ' Vc
Pa’、 Ta’——进气状态的温度和压力； Ts 、Ps——进气终了时的气体温度和压力；
c
为了比较不同发动机残余废气量的多少，引入残余废气系数 的概念，即进气过程结束时气缸内残余废气量与气缸内新鲜充量 的比值：
Vs Vc ——压缩比, c Vc
mr vr r
3）充入气缸新鲜充量的质量为
c vs s K a [ vc v a ' vr ' r ' ]
' s
c
K a [ vc v a ' vr ' r ' ]
' s
vs s
K a Ts pa pr c ( c ) c 1 ps Ta Tr
第一节
四冲程发动机的换气过程
一、换气过程 四冲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。 自由排气 换气过程 强制排气 进气 气门叠开（燃 烧室扫气)
1、自由排气阶段
排气门开启到气缸压力接近排气管压力的这一 时期，称为自由排气阶段。
排气提前角：从排气门开启到活塞行至下止点 所对应的曲轴转角，一般为30º~80º曲轴转角。
发动机的换气过程
排气门迟闭使 >1，使新鲜充量扫出气缸，从而使 c 降低。 解决措施：合理选择排气相位角，使新鲜充量既能利用气流惯性多充入气缸， 又不至于随废气扫出气缸。 5. 压缩比
c
有所增加。
压缩比增加，余隙容积减小，残余废气量减少，因此充量系数 6. 进气状态
进气温度和压力一般对充量系数
c
影响不大。
p
二、排气损失
' 从排气门提前打开（ pb 点)，直到进气行程开始，
' pb W
Y
缸内压力到达大气压力前循环功的损失称为排气
损失。它分为自由排气损失和强制排气损失。
p0
X
V
自由排气损失（W ）：因排气门提前打开，引起膨胀功的减少而产生的热量损失。 强制排气损失（ Y ）：活塞将废气推出所消耗的功。 减少排气损失的措施：1）当排气门截面小，发动机转速高时，应加大排气提前角； 2）减小排气系统阻力及排气门处流动损失； 3）排气消声系统的结构和布置形式； 三、进气损失（X ） 进气过程中，因进气管及进气门对气流形成的阻力而消耗的功，称为进气损失。 减少进气损失的措施：1）加大进气门的流通截面积；2）正确设计进气管流道； 3）降低活塞平均速度；4）合理调整配气定时。
降低排气系统流通阻力，可减少残余废气系数，也可减少泵气功。 可采取的措施有： • 将排气道的一部分做成扩压形，可降低缸内与排气管内之间压力差；
提高充量系数；
• 避免排气管内截面突变、急转弯和凸台； • 选择良好的排气支管流形； • 尽可能降低消声器的流通阻力。
四、合理选择进、排气相位角
合理选择进、排气相位角，可以获得较好的充气效果，特别是在高转速时， 适当推迟进气门关闭时间，可以利用高速气流的惯性来增加气缸充气量。 采取措施： 利用气门可变正时技术，优化气门正时，可提高充量系数。
汽车发动机原理第二章 发动机的换气过程
３.换气损失和泵气损失
换气损失等于进气损失与排气损失之和，如图2-3、
图2-4中面积(W+Y+X)，而在实际示功图计算中，已 经用丰满系数ϕi修圆理论示功图的棱角，所以ϕi中已包 括部分换气损失(面积W+U)，故泵气损失为换气损失 的一部分，即图2-3、图2-4中面积(Y+X-U)。
第一节结束
一、充量系数
沿ar线进行，进气沿ar线进行，进、排气压力相等，泵气
功为零，增压发动机的理想换气过程如图2-4ａ)所示，由 于进气压力Ps大于排气压力Pr ，所以排气沿a′r′线进行，进 气沿r″a″线进行，面积a″a′r′r″a″表示泵气功，为正功。
１.换气损失
如图2-3ｂ)和图2-4ｂ)所示，排气门提前开启时，排气 压力线从点ｂ′开始偏离膨胀线，面积过小与理想循环相比， 损失的功相当于Ｗ所表示的面积，称为自由排气损失，在 活塞将燃气推出汽缸时，由于沿途有流动阻力，所以汽缸 内的气体压力高于排气管内压力(非增压发动机排气管内压 力假定为大气压力)，损失的功相当于Ｘ所表示的面积(Ｘ
最佳排气提前角也应当越机中，由于进气系统的阻力，进气
过程汽缸内的压力低于大气压力，而活塞背面曲轴箱 内的压力稍大于大气压力，因此，进气过程活塞要消 耗功，如图2-3中面积Ｙ所示，在增压发动机中，进 气压力高于大气压力，故活塞顶面压力高于活塞背面 压力，活塞在进气过程得到正功。
所表示的面积包含了Ｕ所表示的面积)，称为强制排气损失，
自由排气损失与强制排气损失之和即为排气损失。
排气提前角的选择会影响自由排气损失和强制排气
损失的分配，如图2-5所示，排气提前角越大(曲线ｂ)，
排气门开启越早，自由排气损失就越大，但此时缸内压 力在下止点前已降得足够低，所以强制排气损失减少， 反之，排气提前角减小(曲线ｃ)，强制排气损失会增加， 而自由排气损失则会减少。因此，从减少排气损失角度 看，最佳排气提前角应使两者之和为最小(曲线ａ)。
第二章发动机换气过程新
实际的进气量（m3/h）可以由试验测的，理论 充气量可以计算，如下式：
V n V i 60 1000 2 0.03V in[m / h]
s 3 s
Vs－气缸工作容积 i－气缸数 N－发动机转速
2 、残余废气系数γ 残余废气系数γ——进气过程结束时气缸内的 残余废气量与气缸中的新鲜工质量的比值。
气门叠开将导致： 如果进气管压力大于排气管压力，新鲜充量在正 向压力差的作用下流入气缸，与缸内残余废气进行 混合后，部分可以直接排入排气管中。 一方面，有利于扫除缸内的残余废气，增加气缸 充量，达到扫气目的； 另一方面，又可以降低燃烧室内气缸盖、排气门、 活塞顶、缸套的温度。尽管带走的热量不多，但对 于这些受热严重且冷却困难的关键零件，其效果却 是显著的。
1、进气终了的压力pa
进气终了的压力pa，对ηυ影响很大，pa愈高,ηυ愈大
pa ps pa
p a
2
2
Δpa——气体流动时，克服进气系统而引起的压降； λ——管道阻力系数 ；ρ——进气状态下的气体密度； υ——管道内气体的流速 Δpa pa ηυ Δpa对的影响最大，进气系统的沿程阻力和局部阻力增 大，均会使Δpa增大。
C——超临界排气 D——亚临界排气 A——自由排气 B——强制排气
发动机转速提高后，排气提前角增大？减小？ 为什么？
当发动机转速提高后，需要增大排气提前角。 原因：排气初期为超临界排气阶段，该排气阶段 废气流量与转速无关，但当n增大后，发动机转 过相同曲轴转角所需要的时间减小。此时若不增 大排气提前角，则发动机超临界排气阶段的时间 减小，排气量小，导致气缸压力下降慢，增加了 下一阶段的排气功消耗。
二、换气损失
换气损失----是由排气损失和进 气损失两部分组成. 1、排气损失 排气损失----- 从排气门提前 打开直到进气行程开始，气缸 内压力到达大气压前循环功的 损失。 分为：自由排气损失和强制 排气损失。 自由排气损失（膨胀损失功）——它是因排气门提前打 开，引起的膨胀功减少W 强制排气损失——它是由活塞将废气推出所消耗的功Y
第二章 发动机的换气过程
第二章发动机的换气过程本章重点：换气过程的特点及其评价指标；提高换气效果的措施。
本章难点：充气效率的定义；可变技术发动机排出废气、充入新鲜空气或可燃混合气的全过程叫做换气过程。
没有换气过程，发动机无法持续运转。
每循环进入气缸的空气量或可燃混合气量是决定发动机动力输出大小的因素。
所以，换气过程是发动机工作过程不可缺少的组成部分，也是决定发动机动力性、经济性的重要环节。
合理组织换气过程，保证吸入尽可能多的新鲜充量，以获得尽可能高的输出功率和扭矩；尽量减少换气损失，以降低机械损失，提高发动机经济性；保证进气后在缸内所形成的气体运动，能满足组织快速燃烧的要求，以提高热效率。
η是评价发动机换气过程完善程度和决定发动机性能的重要指标。
充气效率ν2.1 四冲程发动机的换气过程1.换气过程四冲程发动机的换气过程包括从排气门开启直到进气门关闭的整个时期，大约占410~480℃A（曲轴转角）。
一般将换气过程分为自由排气、强制排气、进气和气门重叠四个阶段。
图1-2-1为四冲程发动机换气过程的p-V图。
1）自由排气阶段图1-2-1中从排气门早开点b′到晚关点r′，约240~260℃A的b′bdrr′段为排气过程。
排气门开启初期，缸内压力p远大于排气管压力p r，此时，图1-2-1 四冲程发动机的换气过程p-V图尽管活塞还在下行，缸内压力也在不断下降，但是压差(p-p r)已足以使废气自由留出，而不必依靠活塞推出。
这一阶段为自由排气阶段。
自由排气阶段大约在下止点后10~30℃A结束。
自由排气阶段虽然时间不长，且气门开启流通面积也较小，但因流速很高，排出废气量达60%以上。
2）强制排气阶段自由排气阶段结束后，缸内压力大大降低，必须依靠上行活塞强制推出。
因为气门流通面积减小，排气不畅，在排气后期到上止点，缸内压力略有上升。
3）进气过程图1-2-1中从排气门早开点d到晚关点a′，约220~265℃A的drr′aa′段为进气过程。
第二章发动机的换气过程
• 四冲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。
• 换气过程可分作自由排气、强制排气、进气 和燃烧室扫气四个阶段。
• 换气过程中，至少有一个气门开起，出现了 气流的流动，进、排气系统与气缸组成以大 气为边界的开式热力系统。在进排气门关闭 的动力过程中，进、排气管道中仍有气体波 动，对换气过程有一定影响。
压力相等，因而也没有泵气 损失。
实际循环换气过程：
1. 膨胀损失W 2. 推出损失X 3. 吸气损失Y
自然吸气内燃机实际换气过程
二）、增压内燃机的换气过程 Gas exchanging Process in Supercharged Engine
理论换气过程：
排气门在下止点打开，没有膨胀损失 排气行程沿pT,进气行程沿pb 换气过程获得矩形面积所示的功。
由于进气道、进气门等处存在流动阻力损失，在大部分曲 轴转角内发动机的缸内压力低于大气压力线（图b）或增压 压力线（图d），从而造成循环有用功的减少。
换气损失随内燃机转速的变化
1.进气损失明显小于排气损失。 2.进气损失影响充量系数，因而对发动机的性能影响更大。
与排气过程不同的是，进气损失不仅体观 在进气过程所消耗的功上，更重要的是体 现在进气过程中所吸人新鲜充量的多少上， 因为前者对于内燃机的热效率乃至功率影 响不大，而后者对内燃机性能有显著的影 响。
膨胀损失和推出损失二者之和。
二）进气损失X
• 进气损失主要是指进
气过程中，因进气系统 的阻力引起的功的损失 （汽缸压力低于大气压 力），与排气损失相比 进气损失较小。
•合理调整配气定时，加大进气门的流通截面、 正确设计进气管及进气道的流动路径以及降 低活塞平均速度等，都会使进气损失减少。
2发动机的换气过程
可变进气歧管截面积技术 流体力学原理：在其他参数不变的情况下，管道 的截面积越大流体压力越小；管道截面积越小流体 压力越大。 根据这一原理，再分析发动机各个工况的工作 特性，设计一套机构能在发动机高转速时使用较大 的进气歧管截面积提高进气流量；在发动机低转速 时使用较小的进气歧管截面积，提高汽缸的进气负 压，也能在气缸内充分形成涡流，让空气跟汽油更 好的混合。
严格地说，充气效率应为
实际进入汽缸的新鲜充量 ηv = 以标准大气状态充满汽缸工作容积的新鲜充量
（二） 实际 测量
V1' ηv = ' Vh
实际流量 = 理论流量
' 其中： 1 －实际测 [ V 量
m /h ]
3
Vh'
Vh [ L] n = ⋅ i ⋅ ⋅ 60 = 003Vh in [m3 / h] . 1000 2
ηv
pr 1 T0 p a = − ε ε − 1 p 0 Ta Tr
2、结构因素 、
(1)进气系统 进气系统
一般包括进气门、进气管、空滤器、化油器、 一般包括进气门、进气管、空滤器、化油器、进 气道等部件。要尽量减少各部件的流动阻力， 气道等部件。要尽量减少各部件的流动阻力，以增大 进气终了的压力，提高充量系数。 进气终了的压力，提高充量系数。 试验证明，增大进气终了压力比降低残余废气系 试验证明， 数对充量系数的影响大，所以设计成进气门直径大于 数对充量系数的影响大，所以设计成进气门直径大于 排气门直径，气门顶部的形状呈流线型。 排气门直径，气门顶部的形状呈流线型。
可变配气定时机构
Variable Valve Timing & Lift Electronic Control Technology VTEC系统----可变气门正时和升程电子控制系统
第二章发动机的换气过程
1、自由排气阶段
从排气门打开到气缸压力接近于排气管压力的这个时 期称为自由排气阶段。由于配气机构惯性力的限制，若在 活塞到下止点时才打开排气门，则在气门开启的初期，开 度极小，废气不能通畅流出，缸内压力来不及下降，在活 塞向上回行时形成较大的反压力，增加排气行程所消耗的 功。所以有必要在活塞到达下止点之前打开排气门，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 般排气提前角为如30°~80°曲轴转角。
3、进气过程
为了保证活塞下行时，进气门开启面积足够大，使新 鲜充量顺利流人气缸，进气门在上止点前就开始打开。进 气门提前开启角一般为上止点前0°~40°曲轴转角。
为了充分利用高速气流的动能，进气门也须在下止点 后关闭，从而实现在下止点后继续充气，增加进气量。进 气门迟闭角一般为下止点后40°~70°曲轴转角。
二、排气损失（二）
如图2—4所示，随着排气提前 角的增大，自由排气损失面积W增 加，而此时强制排气损失面积Y应 减小。因而最有利的排气提前角应 使面积(W+Y)之和为最小。当排气 门截面小，发动机转速高时，按曲 轴转角计算的实际超临界排气时期 延长，为减少排气损失，应适当加 大排气提前角。
减小排气系统阻力及排气门处 流动损失是降低排气损失的主要办 法。
可变进气只管
当发动机低速运转时，发 动机电子控制单元5发出指 令，转换阀控制装置4关闭 转换阀3，这时空气经空气 滤清器1和节气门2沿着细 长的进气支管流进气缸。 弯曲细长的进气支管提高 了进气速度，气流的动能 增大，使进气量增多。当 发动机转速增高时，转换 阀开启，空气通过空气滤 清器和节气门直接进入粗 短的进气支管。粗短的进 气支管进气阻力小，也使 进气量增多。
双通道可变进气支管
2-发动机的换气过程
2.3.3
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。
第2章 发动机的换气过程
2.3.4
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。
第2章 发动机的换气过程
惯性效应示意
a) 进气管道 b) 气门开启时压力分布 c) 气门关闭时压力分布 d) 进气门处压力变化
a) 300mm进气管压力波 b) 1140mm进气管压力波
第2章 发动机的换气过程
2.4
提高充气效率的措施
2.4. 1 减小进气系统的阻力 进气系统的阻力直接影响充气效率。减少空气 滤清器、节气门体、进气管道、进气门等部位 的气流阻力是提高充气效率的主要措施。 1．进气门部分 • 在整个进气系统中，进气门处的气体通过面积 最小，而且截面变化急剧，因此，此处流动阻 力最大，是重点研究对象，提高充气效率的有 效措施也比较多。
第2章 发动机的换气过程
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）。
第2章 发动机的换气过程
自由排气的阶段划分
第二章__发动机的换气过程(1)
第二章 发动机的换气过程
——
四冲程发动机的换气过程
2.1 四冲程发动机的换气过程 2.1.2 换气过程的阶段划分
5、 气门重叠 气门重叠（气门叠开） 指换气过程中进、排气门 同时开启的现象。 气门重叠角 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，对增压发动机， 因其进气压力高，可达80º ~ 160º 。
2.1 四冲程发动机的换气过程 2.1.2 换气过程的阶段划分
4、 进气阶段 残余废气膨胀（r ~ r′）。 正常进气 。活塞下行，气 缸压力低于进气压力,新鲜气体 充入气缸。
第二章 发动机的换气过程
——
四冲程发动机的换气过程
2.1 四冲程发动机的换气过程 2.1.2 换气过程的阶段划分
4、 进气阶段 进气迟闭角：从进气行程下止 点至进气门关闭所对应的曲轴 转角，一般为40º～70º曲轴转 角。 原因:利用进气过程形成的气流 惯性,实现向缸内的过后进气。 进气终了,缸内压力等于或略高 于进气管压力．转速高，惯性 大，增大进气迟闭角．
第二章 发动机的换气过程
——
四冲程发动机的换气过程
2.1 四冲程发动机的换气过程 2.1.2 换气过程的阶段划分
２、自由排气阶段 排气提前角：从排气门开 启到膨胀行程下止点所对应的 曲轴转角。一般为30º ~ 80º曲 轴转角（b′~ b)。 原因：增加排气流通截面，降 低气缸压力，减小强制排气时 所消耗的活塞推出功。
定义： 进、排气门的角 度及其相对与上、下 止点的关系，称为配 气相位。
配气相位
第二章 发动机的换气过程
——
四冲程发动机的换气过程
2.1 四冲程发动机的换气过程 2.1.3 配气相位
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
（以2课时为单元）
课序：09授课日期：09.30授课班次：汽服1201、1202 授课教师：李维 批准人：
课题：第二章 发动机的换气过程 第1节 四冲程发动机的换气过程
第2节 四冲程发动机的充量系数
目的要求：
重点：
难点：
教学方法
手
段：
教学步骤：
复习提问：
作业题目：
预习内容： 无
课时分配：
第二章发动机的换气过程
新课导入
内燃机的换气过程是内燃机排出本循环的已燃气体和为下一循环吸入新鲜充量（空气或可燃混合气）的进排气过程，它是工作循环得以周而复始不断进行的保证。
内燃机的性能很大程度上依赖其换气过程。
为提高动力性和经济性指标，需要研究减少进排气流动阻力损失和提高充量系数的措施及方法，以及如何为燃烧提供一个合适的缸内气体流场，并保证多缸机的各缸均匀性。
在内燃机执行换气过程中，有时为了控制内燃机的NO x有害排放，还需要进行排气再循环（可分为外部EGR和内部EGR）。
内燃机采用增压技术可以提高进气密度，从而提高发动机的功率，并改善经济性和排放。
§2.1 四冲程发动机的换气过程
一、换气过程
四冲程发动机的换气过程是指从排气门开启到进气门关闭的整个过程。
约410°CA ~480°CA.
1、排气过程
按燃气对活塞的作用，排气过程可分为自由排气和强制排气两个阶段；
按排气流动的性质，排气过程又可分为超临界排气和亚临界排气两个阶段。
（1）自由排气阶段
从排气门打开到活塞运行到排气下止点这段曲轴转角内的排气过程称为自由排气阶段。
1）自由排气阶段的特点
①缸内气体一边对活塞做功，一边自动排出缸外；
②缸内压力与排气管压力之比大于临界压力，气体流动处于超临界状态；排起的流量进取决于缸内气体状态和排气门流通面积，而与排气管压力无关。
③时间虽短，但排出的气量较大。
２）排气提前角
从排气门开始打开到活塞运行到排气下止点时曲轴所转过的角度，称为排气提前角。
排气提前角的范围为30°CA～80°CA。
排气提前角过小，膨胀功损失小，但推出功增大；排气提前角过大，推出功减小，但膨胀功损失大；因此存在一个合适的排气提前角使得膨胀损失与推出损失之和最小。
超临界排气阶段中排出的废气量与内燃机的转速无关，因而发动机转速升高时，同样的超临界排气时间对应的曲轴转角将大大增加，为了使气缸压力及时下降，必须适当加大排气提前角，否则将使超临界排气阶段（以曲轴转角计）延长，势必增加活塞强制排气功的消耗。
（２）强制排气阶段
活塞从下止点到上止点的排气过程又称为强制排气过程。
1）强制排气阶段的特点
①活塞上行，缸内平均压力比排气管压力略高，需要消耗发动机的有效功。
②气流速度越高，压力差值越大，好功越多。
2）排气迟闭角
从排气上止点到排气门关闭终了时刻这段曲轴转角称为排气迟闭角。
排气门迟闭角的范围一般为上止点后10~70o CA。
排气门迟闭的原因：
①避免因排气流动截面积过早减小而造成的排气阻力的增加，使活塞强制排气所消耗的推出功与缸内的残余废气量增加；
②可以利用排气管内气体流动的惯性从气缸内抽吸一部分废气，实现过后排气。
2、进气过程
从进气门开启到关闭内燃机吸入新鲜充量的整个过程称为进气过程。
1）进气过程的特点
①活塞下行，缸内平均压力比进气管压力略低，也需要消耗发动机的有效功。
②进气门早开角和迟闭角对进气量影响较大。
2）进气提前角
从进气门开始打开到排气上止点这段曲轴转角称为进气提前角。
进气门提前打开的原因为了保证活塞下行时，进气门有足够大的流通面积，尽孝进气阻力，使新鲜充量顺利进入气缸。
发动机转速升高，进气提前角应加大。
仅
气提前角一般为上止点前0 o CA ~40 o CA。
3）进气迟闭角
从进气下止点到进气门关闭终了这段曲轴转角称为进气迟闭角。
进气门推迟关闭的原因是为了利用在进气过程中形成的气流惯性，实现向气缸的过后充气，增加缸内充量。
这样，有可能使得进气过程终了时，缸内压力等于或略高于进气管压力。
发动机高速运转时进气流速高，惯性大，进气门迟闭角应相应增大一些。
进气门迟闭角一般为20~60o CA。
尽管利用过后充气可以有效地增加进入气缸的空气量，但过大的进气门迟闭角，会使得在低速时发生缸内气流倒流进入进气管的现象，也会影响有效压缩比，从而影响压缩终了温度，使发动机的冷起动困难。
因此，合理的配气定时是十分重要的。
3、气门叠开和燃烧时扫气
（1）气门叠开
由于排气门迟闭和进气门早开而存在的进、排气门同时开启的现象称为气门叠开。
气门叠开所对应的曲轴转角称为气门叠开角。
气门叠开角等于排气迟闭角与进气提前角之和。
（2）气门叠开的影响
在气门叠开期间，进气管、气缸、排气管三者直接相通，此时的气体流动方向就取决于三者间的压力差。
内燃机的型式不同，对气门叠开角大小的要求也有所差异。
1）自然吸气发动机
若气门叠开角过大，会出现部分气体倒流
的现象。
点燃式内燃机，在小负荷易引起进气管回
火。
柴油机中，进气管内压力始终接近大气压
力，因此可以采用较大的气门叠开角，以提高
柴油机在常用转速范围内充量系数。
转速高的发动机宜采用较大的气门叠开
角和气门开启持续期，以提高发动机的充量系
数。
自然吸气式发动机气门叠开角一般在２0 o CA～６０o CA之间。
2）增压发动机
进气压力高，新鲜充量在正向压差的作用下流入气缸进行扫气，一部分还将流出气缸，排入排气管。
增大气门叠开角，有利于扫除缸内的残余废气，增加进入气缸的新鲜充量，可以用新鲜充量降低燃烧室内气缸盖、排气门、活塞顶、缸套的温度以及排气的温度，从而减小了发动机及增压器那些受热严重且冷却困难的关键零部件的热负荷，对提高发动机可靠性有显著的效果。
过大的叠开角易造成气门与活塞运动的干涉，需在活塞上加工避气门坑，从而影响到燃烧室内气体运动的组织以及发动机的压缩比。
此外，过多的扫气还会加重增压器的负担。
增压柴油机气门叠开角一般在80 o CA～140 o CA之间。
二、换气损失
进气损失和排气损失之和为排气损失。
1、排气损失
从排气门打开到进气行程开始循环功的损失称为排气损失。
包括膨胀损失和推出损失
减小排气损失的主要方法：
1）减小排气系统阻力
增加气门数目、优化排气道形状减小排气门处的流动损失；
2）合理选择排气提前角
最佳的排气提前角应使得膨胀损失与推出损失之和（W+Y）最小。
２、进气损失
发动机在进气过程中所造成的循环功的减少称为进气损失。
进气损失明显的小于排气损失。
但进气损失不仅体现在进气过程所消耗的功上，更重要的是它影响发动机的充量系数，对发动机的性能有显著的影响。
减小进气损失的主要方法：
1）合理调整配气正时；
2）加大进气门的流通截面；
3）正确设计进气管及进气的流动路径；
4）适当降低活塞平均速度等。
3、泵气损失
克服仅排气系统阻力而消耗的循环功称为泵气损失。
实际示功图中面积（X+Y-u ）所表示的损失。
§2.2 四冲程发动机的充量系数
一、概念
每循环实际吸入气缸的新鲜充量与以进气管状态充满气缸工作容积的理论充量之比。
充量系数反映了进气过程的完善程度，是衡量发动机性能的重要指标。
充量系数一般可采用台架试验测出发动机实际进气的体积流量q v1（m 3/h ）与理论进气流量q v （m 3/h ）相比而得出：
二、充量系数的分析式
进气状态下（p s ，T s ），每循环充满气缸工作容积的新鲜充量为：
假定进气门关闭时的气缸容积为V a ′，缸内工质状态为p a 、T a ，则缸内气体总质量为：
进气终了时，气缸内气体总质量包括新鲜充量m 1和残余废气量m r ， 引入残余废气系数：
s
1
s 1s V V V V m m ===s s h 1c ρρφin V q in V q q q s v1s v1v v1c 31001000
260=⨯==φs
s s
s sh T R V p m =a
a a a a '
T R V p m =
1
r
r m m =φr
1a m +=m m
由于新鲜充量气体常数与进气终了缸内气体常数接近，则则充量系数可表示为：
令 则有： 三、影响充量系数的因素
1、进气终了压力p a p a ↑→фc ↑
2、进气终了温度T a T a ↑→фc ↓
3、压缩比εc εc ↑→фc ↑
4、残余废气系数фr фr ↑→фc ↓
5、配气定时 ξ∙p a ↑→фc ↑
6、大气（大气）状态 p s ↓和T s ↑→虽然фc ↑；但使得实际进入气缸的充量密度下降，实际进气量减少。
小结
1、四冲程发动机的换气过程 自由排气、强制排气、进气、气门叠开
2、充量系数、影响充量系数的因素
作业
Pg35：1、2、3 a
a 'V V =ξr a a s s c c
c 11
1φεεξφ+-=T p p T r
a a s s s a sh 1c 11'φφ+==
T p p T V V m m。