发动机原理第三章 内燃机的换气过程

大 学
增压柴油机： r =0.0~0.03
二、影响充气效率的因素
配气定时： 指进气门关闭时Va与气缸总容积之比
Va V0 1 Va 进气迟关c c 对c 的影响：c时刻气流惯性利用情况 a 对一定n，存在最佳配气相位，使 a ，气流惯性
进气多, c
结论：合理选配配气相位
河 进气状态： ps , pa ,c , s
学
一、减少进气系统阻力
当Ma>0.5时，c 急剧下降
即使↑n，因单位时间充气量无法增加功率得不
到提高
必须控制Ma
限制Ma的措施：
➢ 合理的配气相位
河 南
➢ 优化匹配活塞平均速度、
理 工
气缸直径及气门直径
大
学
一、减少进气系统阻力
多气门结构
进气流通面积
➢ 增大气门流通面积
➢ 降低进气系统转弯半径
➢ 避免爆燃发生，增大
学
2-VVT-i皮带轮
3-螺旋齿轮
二、合理选择配气定时
控制原理：
驱动：油压控制柱塞齿轮4左右移动，此时
柱塞
外齿与外齿轮5啮合带轮6同步旋转 内齿与凸轮轴蜗杆啮合3相对曲轴偏转
柱塞内外表面形 成反向螺旋齿轮
控制气门重叠角 实现内部EGR
河
南
理
工
大 1-迟后侧油压室 2-进角侧油压室 3-内齿
学
轮 4-柱塞齿轮 5-外齿轮 6-带轮
作业： 1. 为什么进气门要提前开启、排气门要推迟关闭？ 河 2. 进气提前角和迟闭角的确定原则？
南 理 工 大 学
小结
一、换气过程组成：排气过程和进气过程
➢ 排气过程：自由排气、强制排气和惯性排气 ➢ 进气过程：进气准备、正常进气和惯性进气 ➢ 排气提前角、迟闭角 ➢ 进气提前角、迟闭角
二、气门叠开现象和配气相位图
➢稳压箱和各进气支管长度构成该气缸惯性增压系统。
➢长进气管2、稳压箱以及各气缸构成各自的共振系统。
惯性增压
共振管
河
南
理
工
大 学
图3-21 惯性可变共振谐振管 1-双节气门 2-共振管长 3-惯性增压 4-切换阀 5、7-共振增压 6-进气支管
三、有效利用进气管的动态效应
➢低速时：第1缸进气终了进气门关闭前，因进气压 缩波作用，两个稳压箱内气柱经共振管共振压力 波反射到第1缸，进气充量，此时惯性增压系统停 止工作。
进气道：形成进气涡流、滚流 流动损失增加
合理设计进气道，形状渐缩，内壁面光滑，避免气流急
转弯
进气管阻力：支管等长度适当，内表面光滑，避免界面突
变 可变进气管长度——波动效应
三）空滤器
河 作用：滤清，消声
南 理
保证滤清的前提下尽可能减少阻力
工
大
学
二、合理选择配气定时
进气迟关角的影响
➢ c=40CA: n=n1时 cmax
进气门关闭：气门处向外传正压波，至管端反射;
管端开口边界: 反向，负压波；
负压波至气门处反射负压；
负压波至管端反射正压波。
河
南 周而复始
理 工 大
➢正压波与进气过程重 合时可提高充气效率
学
三、有效利用进气管的动态效应
波动效应：气体压力波在进气管道内2个来回完成一
次振动，其固有频率为：
fb
c 4L
故，波动效应的波动次数为：qb
Va
V0
所以
ma
m1 mr
aVa
paVa RTa
m1 (1
mr m1
)
c msh
(1
mr m1
)
paVa RTa
r
mr m1
河
c
aVa sVS
1
1 r
V0 Vc
,Vc
V0
Vs
南
理 工 大
c
ε 1
a s
1
1 r
配气相位系数
学
二、影响充气效率的因素
a : pa ，进气阻力，c
➢正常排气
➢惯性进气
进气迟闭角：从进气下止点
河
到进气门关闭为止的曲轴转
南 理
角。
工
大
学
四冲程内燃机的换气过程
河 南 理 工 大 学
上止点
下止点
河 南 理 工 大 学
四冲程内燃机的换气过程
气门叠开现象和气门定时
气门叠开 配气相位 气门定时 扫气现象
进、排气提前角和迟闭角：
排气提前角：30~80°CA
二）动态效应：惯性效应 用发动机间歇进排气产生 波动效应 的进排气管内压力波 c
惯性效应：利用进气行程中产生的压力波，在进 气门关闭之前进气门处出现正压波 c 的效果
河
南 压力波：活塞运动时气缸容
理 工
积变化而产生负压引起
大
学
三、有效利用进气管的动态效应
本次进气行程中，进气压力波的固有频率：
fg
c 2L
排气迟闭角：10~35°CA
河 南
进气提前角：0~40°CA
理
进气迟闭角：20~60°CA
工
大
学
换气损失及泵气损失
换气损失=进气损失(X)+排气损失(W+Y) 泵气损失=Y+X-d
W:膨胀 损失
W:膨胀损 失
河 南 理 工 大 学
确定进、排气提前角、迟闭角的原则
排气损失
➢ 自由排气：排气门提前开启引 起的膨胀功W
n<n1：惯性小，倒流 c
n>n1：气门关，流动损失， c
➢ c=60CA： n=n2时 cmax
低速性恶化
河
南 理
但n2>n1，高速性
工 大
➢ 兼顾高低速措施：电控可变
学
n1
n2
二、合理选择配气定时
一）可变配气相位机构
MIVEC（Mitsubishi Innovative Valve timing and
dt内气门开启的面积
气门流量
m vm
t2 t1
Af
dt
vm
6n
c 0
Af
d
河 南
提高进气量的措施：提
理
高角面值
工
大
学
一、减少进气系统阻力
进气马赫数Ma：评价气门处气流状态对 c 影响
2
Ma
m
c
D dv
cm
cm (c o )
➢ 声速
c kRT
➢ 平均流量系数：
河 南 理
c d
m
o
c
0
工
大
气缸工作容积的新鲜充量之比
c
m1 msh
V1 Vs
进气状态： 非增压—大气状态 增压—压气机出口
测量方法：用流量计测每小时实际充量 qV1
河 南 理 工 大 学
每小时理论充量为： qV
则 c qV1 qV
Vs i 1000
n 2 60 0.03inVs
二、影响充气效率的因素
设进气门关闭时缸内气体总质量为
压缩比
河 ➢ 喷油器可以中央布置
南 理 工 大 学
一、减少进气系统阻力
改善配气机构
多气门顶置布置
凸轮驱动机构发展趋势
OHVOHC(SOHC) DOHC
同名气门排 同名气门排
成两列
成一列
河 南 理 工 大 学
取消摇臂，提高 气门响应性 但凸轮升程受限
一、减少进气系统阻力
二）进气道形状及进气管长度
pa ps pa
流动阻力和转速关系
pa
v 2
2
和v
进气阻力的主要措施: 进气管长度、转弯半径、
管道内表面粗糙度；气流速度；增压中冷
和 r ： ，Vc ， r ，c
r c 燃烧恶化
河 南
汽油机： =6~12 r =0.05~0.16
理 工
非增压柴油机： =14~18 r =0.03~0.06
二、合理选择配气定时
二）液压控制式可变配气机构 ➢凸轮到气门之间为高压油路内设有油压柱塞；
➢凸轮经摇臂将其升程转换为柱塞位移通过液压
控制气门开启。
电磁阀控制油压腔内油 压控制气门不同升程
河 南 理 工
大 1-电磁阀 2-摇臂 3-凸轮4-油压柱塞
学
改变摇臂支点位 置控制配气定时
二、合理选择配气定时
用电磁阀将高压共轨内油量进行合理分配控制油 压柱塞位置控制气门升程。
为精确控制气门升程 设置气门位移传感器
油压式可变配气机构的特点：
➢控制自由度高，提高进排气效 率气门的丰满系数接近1；
➢主要缺点：存在气门落座速度
河 南
的控制、电磁阀工作可靠性、以
理 及成本高的问题。
工
大
学
1-油压柱塞 2-位移传感器 3-弹簧 4-数字脉冲 5-三向阀
南
理
工
TS ,Ta ,c , ρs
大
学
§3-3 提高充气效率的措施
➢ 减小进气系统阻力 ➢ 合理选择配气定时 ➢ 有效利用进气管的动态效应 ➢ 有效利用排气管的波动效应
河 南 理 工 大 学
一、减少进气系统阻力
一）进气门：阻力最大
气门的流通能力——时面值或角面值
Af
dt
1 6n
Af
d
=6nt
河
南
减小机械损失约44%；
理 工
热效率可提高17%左右
பைடு நூலகம்
大
学
二、合理选择配气定时
VVT-i (Variable Valve Timing-intelligent)系统
特点：随n可连续改变进气凸轮轴相对曲轴的位置
改变配气相位 系统组成：
6-凸轮转角 传感器
1-油压控制阀
河
南
理
工
4-曲轴位
大
置传感器
5-机油泵
c：进气管内气体的声速； L：进气管当量长度
当转速为n时，进气频率 ：
f
j
n 60 2
n 120
则定义惯性效应的波动次数 ：
河 南
qg
fg fj
60c nL
理 工
当qg 60c (nL) 1时，共振
大
学 由此确定惯性增压n所对应的进气管长度 L
三、有效利用进气管的动态效应
波动效应：利用进气门关闭后的进气管内压力波 来提高气缸进气量进气管长度调节，故需与惯性 效应同时考虑
➢低速控制模型：高速凸轮空转，低速凸轮工作； 进排气凸轮升程，配气相位
➢休缸控制模型:
高低速凸轮都空
河 转气缸不换气
南 理
停止工作。
工
大
学
MIVEC的控制效果及MIVEC的 MD控制功能
高低速运行模式切 换点转矩相同 以免冲击振动
MD（Modulated Displacement）控制效果：泵
气损失、冷损、排损
第三章 内燃机的换气过程
§3-1 四冲程内燃机的换气过程 §3-2 充气效率及影响因素 §3-3 提高充气效率的措施 §3-4 增压技术 §3-5 废气再循环(EGR)系统
§3-1 四冲程内燃机的换气过程
➢ 排气过程 ➢ 进气过程 ➢ 配气定时及气门叠开现象 ➢ 换气损失
河 南 理 工 大 学
内容回顾
三、有效利用进气管的动态效应
进气管对 c的影响：进气管长度进气系统阻力 波动效应管道内压力波动
一）可变进气管长度：从进气阻力角度，越短越好， 但气管长度低速充气效率，且峰值 。
低速区： ➢气流速度低，流动
损失不明显
➢动态波动效应 c
河
南 高速区：
理 工 大
➢气流速度高，流动
损失明显 c
学
三、有效利用进气管的动态效应
又称彭胀损失 ➢ 强制排气：活塞推出废气所消 耗的功Y
确定排气提前角的原则：
河
使W+Y最小
南 理
确定排气迟闭角的原则：
工
排气门关闭时刻气流刚好不倒流
大
学
四冲程内燃机的换气过程
进、排气门提前开启、推迟关闭的原因：
➢ 排气门提前开启： 减少活塞推出废气所消耗的功Y
➢ 进气门推迟关闭： 利用气流惯性多进气
三、换气损失和泵气损失
河 ➢ 换气损失：进、排气过程中的整体损失
南 理
➢ 泵气 损失：强制排气过程和进气过程的损失和
工
大
学
§3-2 充气效率及影响因素
➢ 充气效率 ➢ 影响充气效率的因素
河 南 理 工 大 学
一、充气效率
换气过程的评价：残余废气系数换气完善程度
充气效率：评价气缸进气能力
定义：实际进入气缸的新鲜充量与进气状态下充满
fb fj
30c nL
当qb=1,2,…时波动效 应与进气同步,气门
开启期与负压波重
合，v
河
南 当qb=1.5,2.5,…时,
理 气门开启期间与正
工 大
压波重合，v
学
三、有效利用进气管的动态效应
三）惯性可变谐振增压进气系统
动态效应是进气管内压力波的谐振结果谐振效果
➢同侧的1/3/5缸和2/4/6缸各采用独立进气共振管、稳压箱和 各自的进气支管。
这里，将共振长管的气流质量简化为惯性质量（重块），两 个稳压箱简化为2个弹簧。则共振管内的气柱在2个弹簧的作 用下振动。相对共振管进气支管（惯性系统）很短、进气时 气缸容积相对稳压箱容积很小，所以惯性很小可忽略。
河
南 ➢高速时：共振管内的气流及2个稳压箱（软弹簧）
理 工
的气流因其固有频率低而不共振；只有短的惯性系
lift Electronic Control）系统
特点：高低速2段式电控可变配气相位的控制机构
低速凸轮
高速凸轮
高速：控制 油压起作用
高速摇臂
低速：控制油 压不起作用
休缸控制
河 南
低速摇臂
理
工 大
T型柄
学
状态
二、合理选择配气定时
➢高速控制模型：高速凸轮工作，低速凸轮空转； 进排气凸轮升程，配气相位
内燃机（发动机）： 的动力机械装置。
四冲程：进气、压缩、做功和排气
河 南 理 工 大 学
四冲程内燃机的换气过程
目的：排出废气，充入新鲜气体，为QW做物质 准备。
定义：从排气门开启到下一个循环进气门完全关闭 的整个过程，占410~480°CA。
进、排气门是否提前开启、推迟关闭？
河 南 理 工 大 学
四冲程内燃机的换气过程
排气过程：
pg➢排/自气pb由提排前(气k角：1)从2排k气(k门1) 开 1启.9
到排气下止点为止的曲轴转 角。
超➢强临制界排气：总排气量的60%
➢惯性排气
排气迟闭角：从排气上止点
河
到排气门关闭为止的曲轴转
南 理
角。
工
大
学
四冲程内燃机的换气过程
进气过程：
➢进气准备 进气提前角：从进气门开启 到进气上止点为止的曲轴转 角。