汽车发动机的进排气原理(配气相位和充气效率定义及分析)
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《发动机原理》
长安大学汽车学院曹建明
第二章 发动机的换气过程
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，容易加入。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。 燃烧是做功之本。 燃烧需要空气与燃料。
§2-1 四冲程发动机的换气过程
（三） 排气提前角 o
― 28 ―
《发动机原理》
长安大学汽车学院曹建明
o v ，
V1 V4
其中－后期膨胀比。
考虑经济性，在排气损失最小的前提下，尽量减小排气提前角。
（四） 气门叠开角 i , o
i , o 缸内气体易倒流进气管； i , o p r ， Ta v
（三） 进气道
― 27 ―
《发动机原理》
长安大学汽车学院曹建明
转弯半径 R， 表面光洁度， 各管口与垫片孔口对中 流动阻力 v 设计时还要考虑组织进气涡流。
（四） 空气滤清器
通道面积，除尘效果 流动阻力 v 经常清洗，更换纸芯。 喉口截面积 流动阻力 v ，但雾化效果 。 解决这对矛盾，采用双喉口。小喉口：雾化；大喉口：进气。
v
进气状态：非增压：空气滤清器后进气管内的气体状态, 通常取为当地的大气 状态。 增 压：增压器出口状态。 严格地说，充气效率应为
v
实际进入汽缸的新鲜充量 以标准大气状态充满汽缸工作容积的新鲜充量
更合理。这样，在后面将要讲到的大气修正中，不同的压力和温度下进气量的 比值就等于其充气效率之比。否则，按照前头的定义式，大气温度越高，充气 效率反而会越高，讲起来似乎无法接受。而且也不具备可比性。
（五） 化油器
二 合理选择配气定时 （一） 配气定时的综合评定
1 2 3 4 5 良好的充气效率以保证发动机的动力性能。 合适的充气效率以适应发动机的扭矩特性。 较小的换气损失以适应发动机的经济性能。 必要的燃烧室扫气以保证高温零件的热负荷得以适当降低，达到可靠运行。 合适的排气温度。 调整：1，2－进气迟闭角；3－排气提前角；4，5－气门叠开角
膨胀波 压缩波 （进气门闭）
（二） 波动效应
阶段：进气门闭 下一循环进气门开 压缩波 膨胀波 膨胀波 压缩波 （进气门开） 压力波动是周期性的。
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《发动机原理》
长安大学汽车学院曹建明
其中Vr －排气门关闭时缸内容积； r －排气门关闭时缸内残余废气密度。 （三） 充入汽缸的新鲜充量 其中 0 －大气状态下气体密度。
vVh 0 (Vc Vh' ) a Vr r
m (Vc Vh' ) a Vr r v m0 Vh 0
k RT
m/s。其流量与压差
（p - p’）无关, 只决定于排气阀开启面 积和气体状态。 4 亚临界排气 D p = 1.9 p’ 排闭。 其流量取决于压差 （p - p’）。
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《发动机原理》
长安大学汽车学院曹建明
（二） 进气过程和气门叠开角
由于节流作用, 缸内产生负压；（ p0 p ）使新鲜介质进入缸内。 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 清除废气, 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。
增压发动机气门叠开角应大一些。
§2-5 进气管内的动态效应
一 现 象
195 柴油机：进气管长度 L = 300 mm L = 1140 mm 气体在进排气管中有压力波动现象，有效组织、利用压力波动，可以提高 充 气效率。
' 进气门开闭时： pi pa v
排气门开闭时： po pr v 动态效应与进排气管的长度和直径有关。
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 B p = 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’ 在气阀最小截面处, 气体流速等于该地 音速 a
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
（二） 实际测量
v
'
V1' Vh'
实际流量 理论流量
3
其中：V1 －实际测量 [ m /h ]
Vh'
Vh [ L ] n i 6 0 0.0 3 Vh i n [ m 3 / h ] 1000 2
充气效率是衡量换气过程进行得完善程度的重要指标。 柴油机 0.75～0.90 汽油机 0.70～0.85
一 减小流动阻力 （一） 进气门
1 进气门直径 d 进
进气门流通面积 0.20～0.25 活塞顶面积 d 进 pa v （影响大） d 排 p r v （影响小） 一般： d 进 > d 排
一般: 2 四气门 流通面积 f 1 40%左右。但结构复杂，造价较高。 f 1 v N e （可达 30%）， g e 3 气门升程 h h，时面值 v 4 阀顶过渡圆角 R R f 1 v R 流动阻力 v R 应适中。
（二） 进气损失功 X
进气损失功小于排气损失功，即 X < Y
（三） 泵气损失功 （X+Y-D）
在实际示功图中, 把 （W+d） 归到指示功中考虑。 而把泵气损失功 （X+Y-d） 归到机械损失中考虑。
§2-2 四冲程发动机的充气效率
一 充气效率 （一） 定义
为比较不同大小、 不同类型发动机的充气品质和换气过程的完善程度, 不受 气缸工作容积 Vh 的影响, 引入充气效率 v 的概念。 由于有进气阻力等因素的影响, 实际进入气缸中的新鲜充量必然小于理论 上进气状态下充满工作容积的新鲜充量。二者之比称为充气效率 v , 即
二 充气效率的分析式
充入汽缸的新鲜充量 = 缸内气体的总质量－缸内残余废气质量
（一） 进气 Vh' ) a ' 其中Vc －余隙容积；Vh －进气门关闭时缸内工作容积； a －进气终了缸内气体密度。
（二） 排气门关闭时缸内残余废气的质量
mr Vr r
（二） 进气管
1 表面光洁度和流通面积 表面光洁度，流通面积 沿程阻力 v 2 转弯和节流阻力 转弯半径 R，截面突变 v 3 截面形状 考虑汽油机的雾化，蒸发，则 管壁面积 沉积 蒸发 混合气分配不均匀 截面形状 圆形 矩形 D形 流动阻力 小 大 中 底部蒸发 小 中 大 柴油机不存在底部蒸发问题，故多采用流动阻力小的圆形进气管。
（四） 充气效率的分析式
Vc Vh' V a r r Vc Vc Vh 0 Vc
Vh Vh' －压缩比； 1 其中 1 e －有效压缩比；Vr Vc 。 Vc Vc 一般 e ( 0.8～ 0.9 ) 。若假设 e ，有 a r v ( 1) 0
二 进气终了温度 Ta （一） 转速
Ta a v
负荷一定：n Ta v 综合 pa 、 Ta 的影响， n v 。
（二） 负荷
转速一定：负荷 热负荷 Ta v 柴油机：进、排气管分置。 避免排气管对进气管加热，使 Ta v 汽油机：进、排气管同置。 虽然 Ta v ，但燃油受热增发快，可以改善混合气形成。
― 25 ―
pa , Ta v ； pr , Tr v 。
《发动机原理》
长安大学汽车学院曹建明
汽油机：负荷 节气们开度 （质调节） pa pa v 柴油机：负荷 循环供油量 （量调节）（与 pa 无关） 热负荷 Ta v （不大）
§2-3 影响充气效率的各种因素 一 进气终了压力 pa （一） 进气阻力 pa pa p0 pa pa pa v pa 对 pa 的影响最大。进气系统的沿程阻力和局部阻力均会使 pa 增大。
（二） 转速
n pa pa v （三） 负荷
（二） 进气迟闭角 i
1 转速 n 一定时，总有一个进气迟闭角 i 使得充气效率 v 为最大。 2 n 气流惯性 缸内气体易倒流进气管 v n 一部分气体来不及进入汽缸 v 3 i 对应 v ,max 的 n 所以，高速发动机转速大，要获得好的充气效率和动力性，进气迟闭角应大 一些。 4 n i ,最佳
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v 公式仅为定性分析用的，是粗略的。还有许多因素未予考虑。如：压力
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长安大学汽车学院曹建明
§2-4 提高充气效率的措施
减小进气系统阻力。 沿程阻力，局部阻力（节流阻力）。 汽油机：空气滤清器 化油器 进气管 进气道 进气门 柴油机：空气滤清器 进气管 进气道 进气门
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实际进入汽缸的新鲜充量 进气状态下充满汽缸工作容积的新鲜充量 G m V1 v G0 m0 Vh 其中： G , m , V1 －实际充量的重量，质量和体积； G0 , m0 , V1 －理论充量的重量，质量和体积；
带入理想气体状态方程式，得
其中 p 0 ,
pr ,
1 T0 pa pr 1 p0 Ta Tr T0 －大气压力和温度； p a , Ta －进气终了时缸内的压力和温度； Tr －排气终了时残余废气的压力和温度。
v
v 的分析式为定性分析 v 的影响因素提供了依据。
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 Y
W 是因排气门提前开启而损失的膨胀功, 称为自由排气损失。Y 是活塞作用在废气上的推 出功, 称为强制排气损失功。 排气提前角 W，Y 。 综合效果, 要求（Y+W）, 故（W+Y）有一个最佳值（W+Y）min 。对应 排气提前角亦有一个最佳值, n （W+Y）min 。
三 排气终了压力 pr
pr 残余废气量 v pr 排气门处的阻力 n 2 ，所以 n pr v （影响较小） 四 排气终了温度 Tr Tr v
五 压缩比
v
升高比，绝热指数 k，进气马赫数 Ma，热传输和过量空气系数等。
'
二 波的动态机理
闭口端：进：压缩波 进：膨胀波 开口端：进：压缩波 进：膨胀波
反射: 反射: 反射: 反射:
压缩波 膨胀波 膨胀波 压缩波
－同型波 －同型波 －异型波 －异型波
三 进气动态效应 （一） 惯性效应
阶段：进气门开 进气门闭
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第二章 发动机的换气过程
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，容易加入。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。 燃烧是做功之本。 燃烧需要空气与燃料。
§2-1 四冲程发动机的换气过程
（三） 排气提前角 o
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o v ，
V1 V4
其中－后期膨胀比。
考虑经济性，在排气损失最小的前提下，尽量减小排气提前角。
（四） 气门叠开角 i , o
i , o 缸内气体易倒流进气管； i , o p r ， Ta v
（三） 进气道
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转弯半径 R， 表面光洁度， 各管口与垫片孔口对中 流动阻力 v 设计时还要考虑组织进气涡流。
（四） 空气滤清器
通道面积，除尘效果 流动阻力 v 经常清洗，更换纸芯。 喉口截面积 流动阻力 v ，但雾化效果 。 解决这对矛盾，采用双喉口。小喉口：雾化；大喉口：进气。
v
进气状态：非增压：空气滤清器后进气管内的气体状态, 通常取为当地的大气 状态。 增 压：增压器出口状态。 严格地说，充气效率应为
v
实际进入汽缸的新鲜充量 以标准大气状态充满汽缸工作容积的新鲜充量
更合理。这样，在后面将要讲到的大气修正中，不同的压力和温度下进气量的 比值就等于其充气效率之比。否则，按照前头的定义式，大气温度越高，充气 效率反而会越高，讲起来似乎无法接受。而且也不具备可比性。
（五） 化油器
二 合理选择配气定时 （一） 配气定时的综合评定
1 2 3 4 5 良好的充气效率以保证发动机的动力性能。 合适的充气效率以适应发动机的扭矩特性。 较小的换气损失以适应发动机的经济性能。 必要的燃烧室扫气以保证高温零件的热负荷得以适当降低，达到可靠运行。 合适的排气温度。 调整：1，2－进气迟闭角；3－排气提前角；4，5－气门叠开角
膨胀波 压缩波 （进气门闭）
（二） 波动效应
阶段：进气门闭 下一循环进气门开 压缩波 膨胀波 膨胀波 压缩波 （进气门开） 压力波动是周期性的。
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《发动机原理》
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其中Vr －排气门关闭时缸内容积； r －排气门关闭时缸内残余废气密度。 （三） 充入汽缸的新鲜充量 其中 0 －大气状态下气体密度。
vVh 0 (Vc Vh' ) a Vr r
m (Vc Vh' ) a Vr r v m0 Vh 0
k RT
m/s。其流量与压差
（p - p’）无关, 只决定于排气阀开启面 积和气体状态。 4 亚临界排气 D p = 1.9 p’ 排闭。 其流量取决于压差 （p - p’）。
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（二） 进气过程和气门叠开角
由于节流作用, 缸内产生负压；（ p0 p ）使新鲜介质进入缸内。 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 清除废气, 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。
增压发动机气门叠开角应大一些。
§2-5 进气管内的动态效应
一 现 象
195 柴油机：进气管长度 L = 300 mm L = 1140 mm 气体在进排气管中有压力波动现象，有效组织、利用压力波动，可以提高 充 气效率。
' 进气门开闭时： pi pa v
排气门开闭时： po pr v 动态效应与进排气管的长度和直径有关。
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 B p = 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’ 在气阀最小截面处, 气体流速等于该地 音速 a
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
（二） 实际测量
v
'
V1' Vh'
实际流量 理论流量
3
其中：V1 －实际测量 [ m /h ]
Vh'
Vh [ L ] n i 6 0 0.0 3 Vh i n [ m 3 / h ] 1000 2
充气效率是衡量换气过程进行得完善程度的重要指标。 柴油机 0.75～0.90 汽油机 0.70～0.85
一 减小流动阻力 （一） 进气门
1 进气门直径 d 进
进气门流通面积 0.20～0.25 活塞顶面积 d 进 pa v （影响大） d 排 p r v （影响小） 一般： d 进 > d 排
一般: 2 四气门 流通面积 f 1 40%左右。但结构复杂，造价较高。 f 1 v N e （可达 30%）， g e 3 气门升程 h h，时面值 v 4 阀顶过渡圆角 R R f 1 v R 流动阻力 v R 应适中。
（二） 进气损失功 X
进气损失功小于排气损失功，即 X < Y
（三） 泵气损失功 （X+Y-D）
在实际示功图中, 把 （W+d） 归到指示功中考虑。 而把泵气损失功 （X+Y-d） 归到机械损失中考虑。
§2-2 四冲程发动机的充气效率
一 充气效率 （一） 定义
为比较不同大小、 不同类型发动机的充气品质和换气过程的完善程度, 不受 气缸工作容积 Vh 的影响, 引入充气效率 v 的概念。 由于有进气阻力等因素的影响, 实际进入气缸中的新鲜充量必然小于理论 上进气状态下充满工作容积的新鲜充量。二者之比称为充气效率 v , 即
二 充气效率的分析式
充入汽缸的新鲜充量 = 缸内气体的总质量－缸内残余废气质量
（一） 进气 Vh' ) a ' 其中Vc －余隙容积；Vh －进气门关闭时缸内工作容积； a －进气终了缸内气体密度。
（二） 排气门关闭时缸内残余废气的质量
mr Vr r
（二） 进气管
1 表面光洁度和流通面积 表面光洁度，流通面积 沿程阻力 v 2 转弯和节流阻力 转弯半径 R，截面突变 v 3 截面形状 考虑汽油机的雾化，蒸发，则 管壁面积 沉积 蒸发 混合气分配不均匀 截面形状 圆形 矩形 D形 流动阻力 小 大 中 底部蒸发 小 中 大 柴油机不存在底部蒸发问题，故多采用流动阻力小的圆形进气管。
（四） 充气效率的分析式
Vc Vh' V a r r Vc Vc Vh 0 Vc
Vh Vh' －压缩比； 1 其中 1 e －有效压缩比；Vr Vc 。 Vc Vc 一般 e ( 0.8～ 0.9 ) 。若假设 e ，有 a r v ( 1) 0
二 进气终了温度 Ta （一） 转速
Ta a v
负荷一定：n Ta v 综合 pa 、 Ta 的影响， n v 。
（二） 负荷
转速一定：负荷 热负荷 Ta v 柴油机：进、排气管分置。 避免排气管对进气管加热，使 Ta v 汽油机：进、排气管同置。 虽然 Ta v ，但燃油受热增发快，可以改善混合气形成。
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pa , Ta v ； pr , Tr v 。
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汽油机：负荷 节气们开度 （质调节） pa pa v 柴油机：负荷 循环供油量 （量调节）（与 pa 无关） 热负荷 Ta v （不大）
§2-3 影响充气效率的各种因素 一 进气终了压力 pa （一） 进气阻力 pa pa p0 pa pa pa v pa 对 pa 的影响最大。进气系统的沿程阻力和局部阻力均会使 pa 增大。
（二） 转速
n pa pa v （三） 负荷
（二） 进气迟闭角 i
1 转速 n 一定时，总有一个进气迟闭角 i 使得充气效率 v 为最大。 2 n 气流惯性 缸内气体易倒流进气管 v n 一部分气体来不及进入汽缸 v 3 i 对应 v ,max 的 n 所以，高速发动机转速大，要获得好的充气效率和动力性，进气迟闭角应大 一些。 4 n i ,最佳
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v 公式仅为定性分析用的，是粗略的。还有许多因素未予考虑。如：压力
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§2-4 提高充气效率的措施
减小进气系统阻力。 沿程阻力，局部阻力（节流阻力）。 汽油机：空气滤清器 化油器 进气管 进气道 进气门 柴油机：空气滤清器 进气管 进气道 进气门
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实际进入汽缸的新鲜充量 进气状态下充满汽缸工作容积的新鲜充量 G m V1 v G0 m0 Vh 其中： G , m , V1 －实际充量的重量，质量和体积； G0 , m0 , V1 －理论充量的重量，质量和体积；
带入理想气体状态方程式，得
其中 p 0 ,
pr ,
1 T0 pa pr 1 p0 Ta Tr T0 －大气压力和温度； p a , Ta －进气终了时缸内的压力和温度； Tr －排气终了时残余废气的压力和温度。
v
v 的分析式为定性分析 v 的影响因素提供了依据。
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 Y
W 是因排气门提前开启而损失的膨胀功, 称为自由排气损失。Y 是活塞作用在废气上的推 出功, 称为强制排气损失功。 排气提前角 W，Y 。 综合效果, 要求（Y+W）, 故（W+Y）有一个最佳值（W+Y）min 。对应 排气提前角亦有一个最佳值, n （W+Y）min 。
三 排气终了压力 pr
pr 残余废气量 v pr 排气门处的阻力 n 2 ，所以 n pr v （影响较小） 四 排气终了温度 Tr Tr v
五 压缩比
v
升高比，绝热指数 k，进气马赫数 Ma，热传输和过量空气系数等。
'
二 波的动态机理
闭口端：进：压缩波 进：膨胀波 开口端：进：压缩波 进：膨胀波
反射: 反射: 反射: 反射:
压缩波 膨胀波 膨胀波 压缩波
－同型波 －同型波 －异型波 －异型波
三 进气动态效应 （一） 惯性效应
阶段：进气门开 进气门闭
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