完整版内燃机的换气过程
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第二章 内燃机的换气过程
主要内容： 四冲程内燃机的充气过程、充气效率；
充气效率的影响因素以及提高的措施等内容。 重 点：
换气过程、配气定时和影响充气系数因 素及提高措施 难 点：
提高充气效率的措施
? 换气过程： 内燃机更换气缸内工质的过程，即气缸内排出废
气和充入新鲜充量的整个阶段，统称为换气过程。
气门重叠的作用
在气门重叠时期， 进气管、气缸、排 气管互相连通，可以利用气流的压差、 惯性或进、排气管压力波的帮助，达到
（1）清除残余废气，增加进气量；
（2）降低高温零件的温度。
但应注意，不能产生废气倒流（气缸 或排气管的废气流入进气管）现象。
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。
进气门早开 （1）增加截面 （2）可以扫气
进气门晚闭 惯性进气
二、换气损失和泵气损失
换气损失：理论循环换气功 与实际循环换气功之差。 由排气损失和进气损失两 部分组成。
定义：
理论循环换气功与实际 循环换气功之差。
分，油耗低 ，热效率高，经济性好 ； ３、废气排出得越干净，吸入的新气越多，燃烧充
分，排出的有害气体少 ； ４、换气损失小，机械损失小 ，发动机功率大，经
济性好； ５、不同的工况需要的进气量不同，要 和发动机工
况配合。
特点： １、时间短，速度快； ２、和混合气形成过程相关联； ３、受到空间和结构的限制。
? 换气过程的质量对内燃机动力性、经济性和排放指 标有重要的影响。
作用： 排出废气，吸入新鲜充量
要求： １、尽可能排尽废气，尽可能多地充入新
气，即充气效率高； ２、换气损失小； ３、适应发动机工况变化；
第一节 四冲程内燃机的换气过程
分析： １、废气排出得越干净，吸入的新气越多，可以多
供油，发动机功率大 ； ２、废气排出得越干净，吸入的新气越多，燃烧充
影响： １、发动机的动力性和经济性； ２、发动机的适应性； ３、发动机的排放性能和噪声。
研究的内容 换气过程的进行情况 分析影响充气量的因素 分析影响换气损失的因素
找出
提高充气量
方向与措施。
减少换气损失
一、换气过程 包括从上一循环排气门开启直到下一循
环进气门关闭的整个时间，约占 410~480°CA。 根据气流的特点，换气过程可分为
气体流速等于该地音速 m/s。其流量与压差 （p - pr）无关, 只决定于排 气阀开启面积和气体状态。
b）亚临界排气
p = 2pr ? P=Pr。 其流量取决于压差 （p - pr）。
超临界状态 自由排气阶段
亚临界状态 （1） 超临界状态
排气门开启时，缸内废气压力高（ 0.2 ~ 0.5 Mpa），缸内压力与排气管压力之比＞1.9， 排气流动处于超临界状态。
排气提前角 ：
从排气门开启到活 塞至下止点所对应的曲 轴转角。一般为 30o ~
80o曲轴转角（ b′~ b)。
排气门打开， p >>pr ? p = pr 靠缸内压力将气体挤 出气缸，其中
p－缸内压力
pr－排气管内压力 占排出废气量的
60%以上。
包括：
a）超临界排气
排开 ? p = 2 pr 在气阀最小截面处,
高速发动机排气提前角要大一些。发动机 转速高时，在同样的排气时间（以秒计）所 相当的曲轴转角增大，但不宜过大，否则会 使排气损失加大。
2. 强制排气阶段 p = pr ? 上止点
靠活塞上行将废气挤出气缸。
亚临界状态 活塞上行强制推出废气。
缸内平均压力高于排气管平均压力： 克服排气门、排气道处的阻力，一般高 出10 kPa左右。气体的流速越高，此压 差越大，消耗的功越多。 惯性排气
自由排气 强制排气 进气 燃烧室扫气
4个阶段进行研究
四行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。
四冲程发动机换气过程的阶段划分 ：
排气过程 进气过程
气门叠开
排气过程又分为
自由排气阶段
强制排气阶段
进气过程不再划分
1.自由排气阶段
排气门开启到气缸 压力接近了排气管压力 的这一时期，称为自由 排气阶段， 废气依靠自 身的压力自行排出 。
（2） 亚临界状态 缸内压力与排气管内压力之比下降到
1.9以下时，排气流பைடு நூலகம்转入亚临界状态，废气流 速降低。
自由排气阶段排出的废气量取决于气缸与排气管 的压力差。压力差越大排出废气越多。
当气缸与排气管压力相等，自由排气阶段结束 （下止点后 10o ~ 30o曲轴转角）。
自由排气阶段很短，但排气流速高，排出废气 量达60%以上。
残余废气膨胀（ r ~ r′）。
正常进气
活塞下行，新鲜气 体充入气缸。
惯性进气
进气迟闭角 ：从活塞下 行到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。
4 . 气门叠开和燃烧 室扫气
气门叠角： 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。
排气迟闭角：从活塞上行到上止点至 排气门关闭所对应的曲轴转角。一般为 10o ~ 35o曲轴转角。
?3. 进气过程
由于节流作用, 缸内
产生负压；
p?p 0
（
）使新鲜
介质进入缸内。
? 依靠活塞下行产生负压强 制进气 。
? 准备进气（进气门开 启）。
? 进气提前角 ：从进气 门开启至活塞上行到上止 点所对应的曲轴转角，一 般为0o ~ 30o曲轴转角 。
进气管p? , 扫气明显 , 气阀叠开角可 以增大很多。如 6135型柴油机：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。
排气门早开 （1）快排气 （2）排气功减小
排气门晚闭 惯性排气
排气门处废气流速为音速。
超临界排气时，废气流量与排气管内压力 pr无
关，与发动机转速无关。废气流量只与缸内的气体压
力 p 和温度 T 以及气门开启截面积有关。
此时排气流速高，并产生强烈噪声。
亚临界排气时，废气流量与排气管内压力
pr、缸内压力 p、气门开启截面积以及发动
机转速有关。此时废气流速降低，产生的噪 音较小。
主要内容： 四冲程内燃机的充气过程、充气效率；
充气效率的影响因素以及提高的措施等内容。 重 点：
换气过程、配气定时和影响充气系数因 素及提高措施 难 点：
提高充气效率的措施
? 换气过程： 内燃机更换气缸内工质的过程，即气缸内排出废
气和充入新鲜充量的整个阶段，统称为换气过程。
气门重叠的作用
在气门重叠时期， 进气管、气缸、排 气管互相连通，可以利用气流的压差、 惯性或进、排气管压力波的帮助，达到
（1）清除残余废气，增加进气量；
（2）降低高温零件的温度。
但应注意，不能产生废气倒流（气缸 或排气管的废气流入进气管）现象。
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。
进气门早开 （1）增加截面 （2）可以扫气
进气门晚闭 惯性进气
二、换气损失和泵气损失
换气损失：理论循环换气功 与实际循环换气功之差。 由排气损失和进气损失两 部分组成。
定义：
理论循环换气功与实际 循环换气功之差。
分，油耗低 ，热效率高，经济性好 ； ３、废气排出得越干净，吸入的新气越多，燃烧充
分，排出的有害气体少 ； ４、换气损失小，机械损失小 ，发动机功率大，经
济性好； ５、不同的工况需要的进气量不同，要 和发动机工
况配合。
特点： １、时间短，速度快； ２、和混合气形成过程相关联； ３、受到空间和结构的限制。
? 换气过程的质量对内燃机动力性、经济性和排放指 标有重要的影响。
作用： 排出废气，吸入新鲜充量
要求： １、尽可能排尽废气，尽可能多地充入新
气，即充气效率高； ２、换气损失小； ３、适应发动机工况变化；
第一节 四冲程内燃机的换气过程
分析： １、废气排出得越干净，吸入的新气越多，可以多
供油，发动机功率大 ； ２、废气排出得越干净，吸入的新气越多，燃烧充
影响： １、发动机的动力性和经济性； ２、发动机的适应性； ３、发动机的排放性能和噪声。
研究的内容 换气过程的进行情况 分析影响充气量的因素 分析影响换气损失的因素
找出
提高充气量
方向与措施。
减少换气损失
一、换气过程 包括从上一循环排气门开启直到下一循
环进气门关闭的整个时间，约占 410~480°CA。 根据气流的特点，换气过程可分为
气体流速等于该地音速 m/s。其流量与压差 （p - pr）无关, 只决定于排 气阀开启面积和气体状态。
b）亚临界排气
p = 2pr ? P=Pr。 其流量取决于压差 （p - pr）。
超临界状态 自由排气阶段
亚临界状态 （1） 超临界状态
排气门开启时，缸内废气压力高（ 0.2 ~ 0.5 Mpa），缸内压力与排气管压力之比＞1.9， 排气流动处于超临界状态。
排气提前角 ：
从排气门开启到活 塞至下止点所对应的曲 轴转角。一般为 30o ~
80o曲轴转角（ b′~ b)。
排气门打开， p >>pr ? p = pr 靠缸内压力将气体挤 出气缸，其中
p－缸内压力
pr－排气管内压力 占排出废气量的
60%以上。
包括：
a）超临界排气
排开 ? p = 2 pr 在气阀最小截面处,
高速发动机排气提前角要大一些。发动机 转速高时，在同样的排气时间（以秒计）所 相当的曲轴转角增大，但不宜过大，否则会 使排气损失加大。
2. 强制排气阶段 p = pr ? 上止点
靠活塞上行将废气挤出气缸。
亚临界状态 活塞上行强制推出废气。
缸内平均压力高于排气管平均压力： 克服排气门、排气道处的阻力，一般高 出10 kPa左右。气体的流速越高，此压 差越大，消耗的功越多。 惯性排气
自由排气 强制排气 进气 燃烧室扫气
4个阶段进行研究
四行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。
四冲程发动机换气过程的阶段划分 ：
排气过程 进气过程
气门叠开
排气过程又分为
自由排气阶段
强制排气阶段
进气过程不再划分
1.自由排气阶段
排气门开启到气缸 压力接近了排气管压力 的这一时期，称为自由 排气阶段， 废气依靠自 身的压力自行排出 。
（2） 亚临界状态 缸内压力与排气管内压力之比下降到
1.9以下时，排气流பைடு நூலகம்转入亚临界状态，废气流 速降低。
自由排气阶段排出的废气量取决于气缸与排气管 的压力差。压力差越大排出废气越多。
当气缸与排气管压力相等，自由排气阶段结束 （下止点后 10o ~ 30o曲轴转角）。
自由排气阶段很短，但排气流速高，排出废气 量达60%以上。
残余废气膨胀（ r ~ r′）。
正常进气
活塞下行，新鲜气 体充入气缸。
惯性进气
进气迟闭角 ：从活塞下 行到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。
4 . 气门叠开和燃烧 室扫气
气门叠角： 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。
排气迟闭角：从活塞上行到上止点至 排气门关闭所对应的曲轴转角。一般为 10o ~ 35o曲轴转角。
?3. 进气过程
由于节流作用, 缸内
产生负压；
p?p 0
（
）使新鲜
介质进入缸内。
? 依靠活塞下行产生负压强 制进气 。
? 准备进气（进气门开 启）。
? 进气提前角 ：从进气 门开启至活塞上行到上止 点所对应的曲轴转角，一 般为0o ~ 30o曲轴转角 。
进气管p? , 扫气明显 , 气阀叠开角可 以增大很多。如 6135型柴油机：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。
排气门早开 （1）快排气 （2）排气功减小
排气门晚闭 惯性排气
排气门处废气流速为音速。
超临界排气时，废气流量与排气管内压力 pr无
关，与发动机转速无关。废气流量只与缸内的气体压
力 p 和温度 T 以及气门开启截面积有关。
此时排气流速高，并产生强烈噪声。
亚临界排气时，废气流量与排气管内压力
pr、缸内压力 p、气门开启截面积以及发动
机转速有关。此时废气流速降低，产生的噪 音较小。