第四章内燃机的换气过程

第四章
内燃机的换气 过程
第一节 四冲程内燃机的换气过程 第二节 四冲程内燃机的换气损失
第三节 提高内燃机充量系数的措施
第四节 内燃机的增压
第五节 二冲程内燃机的换气
重点：四冲程内燃机的换气过程与换气损失，内 燃机充量系数的概念，提高内燃机充量系数的措 施，分析增压对内燃机动力性和经济性的影响。 难点：涡轮增压器的工作特性，涡轮增压器与发 动机的匹配。
降低排气损失的主要方法: 合理确定排气提前角， 以有效地减少排气过程中的损失。多气门增加流通截 面积。
二、进气损失
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。
一、排气过程
当发动机转速提高后，需要增大排气提前角。 原因：超临界排气阶段排出的废气量与转速无 关，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，导致气缸压力下 降慢，增加了下一阶段的排气功消耗。 超临界排气占得排气时间比例不大，但是由于废 气流速高，排出的废气量可达到60%以上，一般 可持续到下止点后10-30º （CA）
常用术语： BDC（下止点）：Bottom Dead Center TDC（上止点）：Top Dead Centr IVC（进气阀关闭）：Intake Valve Closes IVO（进气阀开）： Intake Valve Opens： EVC（排气阀关闭）：Exhaust Valve Close EVO（排气阀开）：Exhaust Valve Opens
二、进气过程
三、气门叠开和燃烧扫气过程
进排气上止点前后，由于进气门的提前开启与 排气门的延迟关闭使内燃机从进气门开启到排气 门关闭的这段曲轴转角内，出现进排气门同时开 启的状态，这一现象称为气门叠开。在气门叠开 期间，进气管、气缸、排气管三者直接相通，此 时气体流动方向就取决于三者的压力差。 气门叠开角等于排气迟闭角与进气提前角之和。
第三节 提高内燃机充量系数的措施
一、四冲程内燃机的充量系数
二、提高内燃机充量系数的具体措施 •降低流动阻力 •可变配气系统 •进气谐振
•降低排气阻力
•减少进气过程中对充量的加热
充量系数的表达式
msh s Vs
mr r ma
ma m1 mr r ) aVa c msh msh sVs (1 r )Va pa sVs Ta
残余废气系数 r m r
Vr r s VSc (VC V 'S ) a Vr r
VC r r Va a Vc r a r
三、气门叠开和燃烧扫气过程
2）对于自然吸气柴油机，其进气管内压力始终接近 大气压力，因此可以允许采用较大的气门叠开角， 增强扫气效果，以达到提高内燃机在常用转速范围 内充量质量的目的。统计显示，一般非增压柴油机 的气门叠开角在20º (CA)范围内。 -50º 但是过大的气门叠开角，会出现部分气体倒流的现 象，即排气管内废气倒流至进气管。
第一节 四冲程内燃机的换气过程
四冲程发动机的换气过程： 从排气门开启直到进气门关闭的整个时期，约占 410-480度曲轴转角。 换气过程分为：排气（自由排气、强制排气）、 进气和气门叠开三个阶段。
上止点
下止点
一、排气过程
1.排气提前角 内燃机的排气门都在膨胀行程到达下止点前 的某一曲轴转角位臵提前开启，这一角度称为排 气提前角。30-80º （CA）
这两种发动机，转速高的可采用大的气门叠开角， 以提高充量系数。
三、气门叠开和燃烧扫气过程
3）对于 机械增压柴油机 ，由于进、排气压差大， 且过多的扫气会加重压气机的负担而使机械效率 降低，故其叠开角一般取较小值；
三、气门叠开和燃烧扫气过程
4）对于涡轮增压柴油机，由于进、排气压差小，叠 开角可取较大的值。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。 但是，过大的叠开角可能会排气门与活塞发生相撞， 活塞上的避气门坑相应地要加深，从而直接影响燃烧 空气体运动的合理组织以及压缩比的大小。而且，过 多的扫气空气也会加重涡轮增压器的负担。 气门叠开角一般80º -140º (CA)
一般来说：汽油机的小、增压柴油机最大。 为什么排气要提前？
一、排气过程
排气提前的必要性分析： 1）由于受配气机构及其运动规律的限制，气门开 启有一个过程，其流通截面只能逐渐增加到最大； 在排气门开启的最初一段时间内，排气流通截面积 很小，废气排出的流量小。 2）如果排气门刚好在膨胀行程的下止点才开始打 开，气门升程小，排气不畅，气缸压力下降迟缓， 活塞在向下止点运动强制排气时，将大大增加排气 过程的活塞推出功。
超临界排气 C 排气门开 p = 1.9 p’ 在气阀最小截面处, 气体流速等 于该地声速。当排气温度为 700-1000K时，声速可达 500-700m/s。其流量与压差 （p-p’）无关, 只决定于排气 门有效开启面积和缸内气体 状态,与转速无关。当 p = 1.9 p’ 后，直到排气门闭，排气 进入亚临界状态，此时废气 流量取决于压差 （p - p’）和 流通面积。
二、进气损失
由于进气道、进气 门等处存在流动阻力损 失，进气压力线位于大 气压力线或增压压力线 (增压机)之下，两者之 差围成的阴影部分面积 可分别用y表示。将它与 排气过程中的损失相比， 其值明显相对较小。
二、进气损失
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。从而提高 发动机的充量系数，改善发动机的性能。
配气相位对发动机性能的影响
1)排气提前角：影响自由排气损失和泵气损失, 但 对φ c影响不大；存在最佳排气提前角: ( p自排 ＋p排泵)min。 ������ 转速增加, 排气提前应适当增大(提前) 2) 排气晚关（迟闭）角过小，惯性利用不够；过大， 废气倒流。 3) 进气提前（早开）角过小，进气不够；过大，废 气倒流进气管（回火）。 4) 进气迟闭（晚关）角过小，惯性利用不够；过大， 新气推回进气管。对进气充量φ c影响大
分子分母同除Vc+Vs
VC V S VC VS
'
Vr VC
Vs Vc VC
1 c (a r ) ( 1) S
根据气态方程ρ=p/（RT)
1 c ( a r ) ( 1) S
pa pr 1 Ts c ( ) ( 1) ps Ta Tr
一、排气过程
3.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。 超临界排气阶段：在排气过程的初期，由于 缸内压力较高，排气管内气体压力与气缸压力之 比往往小于临界值[2/（κ+1）] κ/（κ-1） ，排气流 过排气门时的流动呈超临界状态，这段排气时期 称为超临界排气阶段。 亚临界流动阶段：随着排气的进行，缸内气 体压力不断下降，排气管压力与气缸压力之比增 加，当比值大于临界值[2/（κ+1）] κ/（κ-1）后，气 体流动呈现亚临界状态
排气门关闭时缸内残余废气的质量（ pr、Tr、ρr ）
mr Vr r
Vr－排气门关闭时缸内容积； ρr －排气门关闭时缸内残余废气密度。
充入气缸的新鲜充量：
cVs s (Vc V s ) a Vr r
'
ρs －大气状态下气体密度
(VC V ' S ) a Vr r c Vs s
一、排气过程
一、排气过程
2.按燃气对活塞做功的性质，排气过程可分为 自由排气和强制排气两个阶段。
自由排气阶段：从排气门打开到排气下止点这 段曲轴转角内，缸内气体压力高于排气管内的排气 背压，缸内气体一边对活塞做功，一边可以自动地 排出缸外，成为自由排气阶段。
有的教材对自由排气阶段的定义：从排气门打 开到气缸压力接近排气管压力的这一个时期。 强制排气阶段：从下止点到上止点的排气过程 成为强制排气过程。
在非增压内燃机中，理论循环的换气过程是排 气行程线与进气行程线重合，换气功为零；而在实 际循环中，从排气门开启直到进气门关闭，发动机 消耗在换气上的功(其值为负)如阴影面积所示它代 表了有效功在换气过程中的损失。
一、排气损失
定义:从排气门提前开启，直到吸气行程开始、 气缸内压力达到或接近进气管压力之前,在此阶段 所损失的功称为排气损失。 构成:它又可以分为两部分，即膨胀损失和推出 损失，在图4—2b和图4—2d上分别以面积w和x来 表示，前者是有效膨胀功的减少，后者是把排气 推出所消耗的功。
三、气门叠开和燃烧扫气过程
内燃机的型式不同，气门叠开角的大小也有所差异。 1）对于点燃式内燃机而言，由于它是采用节气门来
调节内燃机的功率，进气管内压力总是低于大气压， 特别是在小开度时更是如此。叠开角过大时高温废气 有可能倒流进入进气管乃至燃料供应系统中，引起进 气管回火。 同时，由于新鲜充量中含有燃料，利用新鲜充量进行 扫气将导致燃料的损失以及未燃碳氢排放物的增加， 因此，这类内燃机的气门叠开角一般都是比较小的。
三、泵气功和泵气损失
泵气功：指气缸内气体对活塞在强制排气行程和 吸气行程所有的功。 泵气损失：指与理论循环相比，发动机的活塞在 泵气过程中所造成的功的损失。
三、泵气功和泵气损失
对于自然吸气发动机，它的泵气功的大小可用图中 面积Y+X，为负功。泵气损失在数值上等于泵气功。 对于增压发动机，由于进气压力高于排气背压，因 此它的泵气功大于零，泵气损失仍可以用X+Y来表 示。
一、排气损失
随着排气提前角 的增大，膨胀损失增 加，而推出损失功减 小，因此，最有利的 排气提前角，应当是 使两者损大之和为最 小。
一、排气损失
发动机的转速对排气 损失影响也较大。一般而 言，转速增高时，发动机 膨胀损失的减小幅度远远 小于推出损失的增加幅度， 而两者之和在总体上呈现 增加的趋势。
结论：
• 随转速升高，最佳相位角应增大
•
• •
四个相位角中，进气迟闭角对充量系数影
响最大，排气提前角对换气损失影响最大 最佳相位角，增压机与非增压机不同 气门叠开角：汽油机＜柴油机＜增压机
第二节 四冲程内燃机的换气损失
换气损失是实际循环所不可避免的损失，换气 损失定义为理论循环换气功与实际循环换气功之差 。 对于不同类型的发动机而言，换气损失是不同 的。
1 c 1 pS Ta 1 r
TS pa
充入气缸的新鲜充量 = 缸内气体的总质量-缸内残余废 气质量 进气门关闭时缸内气体的总质量 （pa、Ta、 ρa ）
m (V V )
' a c s
a
其中Vc－燃烧室容积；V’s－进气门关闭时缸内工 作容积； ρa－进气终了缸内气体密度。
一、排气过程
4.排气迟闭角
排气门在上止点后关闭的角度叫排气迟闭角。 上止点后10-70º （CA） ①利用排气管内废气流动惯性从气缸内抽吸部分 废气，实现过后排气； ②避免排气流动截面积过早减小而造成的排气阻 力增加，使活塞强制排气所消耗的推出功增大， 残余废气量增加。
二、进气过程
1.进气过程：从进气门开启到关闭，内燃机吸入 新鲜充量的整个的全过程称为进气过程。 2.进气提前角：为了增加进入气缸的新鲜充量， 进气门进气门在吸气上止点前要提前开启，提前 开启的角度称为进气提前，进气提前角为10º ～ 40º（CA）。 3.进气门迟闭角：活塞到达下止点时，进气门并 未马上关闭，而是推迟到下止点后某一曲轴转角 才关闭，这个滞后的角度称为进气门迟闭角。进 气迟闭角一般为20º ～60º （CA）。