2.1四行程内燃机的换气过程
内燃机的换气过程教学课件
Fvte－进气门有效时间截面值。
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Maim
Vsv
aFvte
Vsv
aFvtm
2 1
6n
6 20
式中， Fvte－进气门有效时间截面值；
Fvtm－平均有效时间截面值；
φ1、φ2－进、排气门开启和关闭时刻， 对应的曲轴转角。
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说明：
1）平均进气马赫数考虑了进气过程的主要影响 因素，是表示进气流动的特征参数。
谐振充气系统是将 一组点火间隔相等的气缸， 通过较短的进气管和谐振 箱连接在一起，在进气波 动的频率和进气系统固有 频率相等时，取得较好的 充气效果。
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注意：
1）为了保证各缸的进气不发生干扰，谐振充气 系统一般要求气缸的点火间隔为240°CA。
2）对于不可变进气系统，谐振充气只有在很窄 的转速范围内才有较好的充气效果；对于可变进 气系统，谐振充气可在较大的转速范围内具有较 好的充气效果。
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❖ W－自由排气损失，是排气门提前开启而引
起的膨胀功的减少；
❖ X－强制排气损失，是活塞把燃气推出气缸
所消耗的功。
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2、进气损失
进气过程中缸内气体的压力低于进气管内气 体的压力，损失的功相当于Y所表示的面积，称 为进气损失。
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（二）泵气功
四冲程内燃机，在进气行程和排气行程中缸 内气体对活塞做功的代数和就称为泵气功。
常用平均泵气压力表示泵气功的大小，其定 义为：
pp
Wp Vs
6 3
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第三章 发动机的换气过程
（以2课时为单元）课序：07授课日期：09.20授课班次： 授课教师 批准人：课题：第三章 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： 课件教学步骤：复习提问：作业题目：预习内容： 无课时分配：第三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。
内燃机的换气过程(推荐完整)
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。
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,
排气门晚闭 惯性排气
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#43;X+Y)，由
排气损失
进气损失
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。
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。
§2-1 四冲程发动机的换气过程.
§2-1 四冲程发动机的换气过程一、 换气过程 （一） 排气过程如图2-1为换气过程气缸压力和排气管压力随曲轴转角的变化关系。
1.自由排气阶段排开 p >> p r → p = p r 靠缸内压力将气体挤出气缸，其中 p －缸内压力, p r －排气管内压力。
（1）超临界状态排开 → p = 1.9 p r在气阀最小截面处, 气体流速等于该地声速 T R k C = 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。
（2）亚临界排气 Dp ≤ 1.9 p r → 排闭。
其流量取决于压差 （p - p r ）。
2. 强制排气阶段p = p r → p ≤ p r靠活塞上行将废气挤出气缸。
（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. 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。
二、换气损失理论循环换气功与实际循环换气功之差。
如图2-2：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WW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。
图2-2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↑。
（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。
第2章 四冲程发动机的换气过程
Pa=Ps--△Pa
式中，△pa为气体流动时，克服进气系统阻力而引起的压降 kPa)。一般可写成 v 2
pa
△
式中
2
——管道阻力系数；
——进气状态下气体的密度；
V——管道内气体的流速（m/s）。
可见，△pa主要取决于各段管道的阻力系数和气体流速。若大、 高时，△pa增加，使pca下降。
（1）自由排气损失（图中 面积W），是由于排气门提 前打开而引起的膨胀功的减 少。
（2）强制排气损失（图 中面积Y），是活塞上行强 制推出废气所消耗的功。
随着排气提前角增大，自由排气损失面积 增加，强制排气损失面积减小，如图中b曲线， 如排气提前角减少则强制排气损失面积增加， 如图中c曲线。所以最有利的排气提前角应使面 积（W+Y）之和最小。
缸径小于80mm时，采用三进二排结构。
四气门机与 二气门机相比， 功 率 可 提 高 70% ， 扭 矩 可 提 高 30% ， 且 响应性比增压 机好，故是汽 车发动机高功 率化的有力措 施。
4.气门升程
气门升程增加、改进凸轮型线、 减小运动件质量、增加零件刚度， 在惯性力允许条件下使气门开闭尽 可能快，以增大时面值，提高充气 效率。 最大气门升程与阀盘直径之比 L/d取0.26~0.28。
5．5.压缩比 压缩比增加,压缩容积减小,残余废气量随之减小,因 而有所增加。
第三节
提高充气效率的措施
进气系统：空气滤清器或加进气消声器、化油器 或喷油器、节气门、进气管、进气道和进气门等组成。 减少各段通道的阻力，增大其流通能力，是提高 充气效率，改善发动机性能的主要途径。 一、进气门 1.时面值 气门开启断面与对应开启时间的乘积称为气门开 启的时面值。它表示气体流过气门的通过能力。气门 开启时间长，开启断面大，则气门开启时面值大，气 流通过能力越强，阻力越小。 增大进气门头部直径，减小气门头部锥角，增大 气门升程，延长气门开启时间，均可扩大气门开启时 面值。
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换气过程可分为：排气、气门叠开、进气三个阶段。
一、排气过程1、排气门提前开启•原因分析•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置提前开启，这一角度称为排气提前角。
•范围：30－80o CA2、排气门滞后关闭•原因分析•排气门迟闭角：排气门在上止点后关闭的角度•范围：10－70o CA3、排气阶段•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，一边可以自动的排出缸外•强制排气阶段：从下止点到上止点的排气过程。
需要消耗发动机的有效功•排气流动性质：超临界排气、亚临界排气•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•为了增加进入气缸的新鲜充量，进气门在吸气上止点前要提前开启，在吸气下止点后应推迟关闭。
•进气提前角，10－40o CA•进气门迟闭角，20－60o CA•气门叠开：在进排气上止点前后，由于进气门的提前开启与排气门的迟后延闭，使内燃机从进气门开启到排气门关闭这段时间内，出现进排气门同时开启的状态，这一现象称为气门叠开。
•气门叠开角的大小：自然吸气，增压第二节四冲程内燃机的换气损失•一、换气损失：发动机实际的换气过程存在因为排气门早开所造成的膨胀功损失、活塞强制排气的推出功损失和缸内负压造成的吸气功损失等。
理论循环与实际循环的换气功之差称为换气损失。
•二、排气损失：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，称为膨胀损失。
活塞由下止点向上止点的强制排气行程所消耗的功称为推出损失。
两者之和称为排气损失。
•减少排气损失：合理确定排气提前角，增加排气门数目，增加流通截面积。
•三、进气损失•与理论循环相比，内燃机在进气过程中所造成的功的减少称为进气损失。
•进气过程耗功，影响发动机的充量系数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•定义：内燃机每循环实际吸入气缸的新鲜充量与以进气管内状态充满气缸工作容积的理论充量之比。
发动机原理第三章 内燃机的换气过程
➢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
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
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
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
发动机换气过程PPT课件
• 换气损失（W+Y+X） 理论循环换气功与实际循环换气功之差。 进气损失--X
自由排气损失--W
排气损失 强制排气损失--Y
• 泵气损失（X+Y-d）
如何使排气损失最小 ⑴?e`（排气门太早开启）
如果排气提前角↑，则w↑，y↓
⑵e``（排气门太晚开启）
排气提前角↓，则w↓，y↑
e’ e”
所以：最有利的排气提前角，必须是使（w+y） 最小。
换气过程
自由排气 强制排气 进气 气门叠开
用曲轴转角表示进排气门开启到关闭 的时候和持续的时间，称为配气相位（定 时）。
通常把配气相位用相当于上下止点曲 轴转角的环形图表示成为配气相位图。
进气提前角 进气迟闭角
排气迟闭角 排气提前角
1、自由排气阶段—-废气根据自身的压力自 行排出
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
则有m1=ma/（1+r）
影响充气效率因素的公式推导
进气终了时气缸内总容积va’（有效 进气容积）与气缸总容积va的比值为ξ〈１ （有效进气体积系数）
影响充气效率因素的公式推导
v
m1 ms
ma ms (1 r)
aVa '
Pa RaTa
•Va
(1 r)sVs
1 r
Ps R sTs
•Vs
影响充气效率因素的公式推导 因为ＰＶ＝ｍＲＴ 有Ｐ／ＲＴ＝ｍ／Ｖ＝ρ Va/Vc=ε Vs/Vc=(Va-Vc) /Vc=ε-1
发动机换气过 程
一、四冲程发动机的换气过程
内
容
介
二、四冲程发动机的换气损失
绍
三、四冲程发动机的充气效率
第四章内燃机的换气过程
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、提高充量系数的技术措施
一、四冲程内燃机的充量系数
1) 降低进气系统的阻力损失，提高气缸内进气终了压力pa。 2) 降低排气系统的阻力损失，减小缸内的残余废气系数ϕr。 3) 减少高温零件在进气过程中对新鲜充量的加热，以降低进气终了时的充量 温 4) 合理的配气正时和气门升程规律，在减小mr的同时增加m1，即增加pa，减 小 ϕ r。
二、提高充量系数的技术措施
1.降低进气系统的流动阻力 2.采用可变配气系统技术 3.合理利用进气谐振 4.降低排气系统的流动阻力 5.减少对进气充量的加热
1.降低进气系统的流动阻力
虽然充量系数的表达式中不直接反映进气流动过程，但所有损 失恰恰是由于流动造成的。按进气系统流动阻力的性质可分为 两类，一类是沿程阻力，即管道摩擦阻力，它与流速、管长、 管壁表面质量等有关；另一类是局部阻力，它是由于流通截面 的大小、形状以及流动方向的变化造成局部产生涡流所引起的 损失。在内燃机进气流动中，由于进气的管道粗短，壁面比较 光滑，其沿程阻力并不大，进气流动的局部阻力损失是主要损 失，是一系列不同的局部阻力叠加而成，尤其是在空气滤清器、 流道转弯处和进气门座圈处，因此，降低这些部位的局部阻力 损失，对降低进气系统的流动阻力，提高充量系数有显著的作 用。
•与进气系统一样，排气流通截面最小处是排气门座处，此处的 流速最高，压降最大，故在设计时应保证排气门处的良好流体动 力性能。排气道应当是渐扩型，以保证排出气体的充分膨胀。 •排气管也存在谐振现象，所希望的谐振效果是使排气门处的压 力降低，以利于排气。良好的歧管流型与结构也有助于降低排气 流动阻力，特别是对于高速多缸发动机，为避免排气压力波的互 相干涉，用多枝型排气管或多排气管结构来替代单排气管，可以 获得良好的低速转矩与充量系数。 •在排气管中往往还有消声器和排气后处理器(催化转化器)，设计 时应在保证良好的消声与降污效果的前提下，尽可能降低流动阻 力。
第四章内燃机的换气过程
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
四行程内燃机的换气过程ppt课件
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正气门重叠和负气门重叠 POSITIVE &NEGATIVE OVERLAP
正气门重叠(实线)
在上止点进气门和排气门同时开 启，有利于增加新鲜充量和进行 燃烧室扫气。
负气门重叠(虚线)
排气门在上止点前数十度曲轴转角
就提前关闭，使相当一部分废气不
能排出气缸而成为残余废气。进气
门打开的时间被推迟到上止点后直
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15
进气过程 INDUCTION PROCESS
（IVO 3
IVC） 4
IVOTDC 进气扫气 TDCBDC 吸 气 BDCIVC 过后进气
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一、进气过程 (INDUCTION)
定义
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。
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二、气门叠开角(OVERLAP PERIOD)
气门叠开所对应的曲轴转角。
气门叠开角的选择 80-140°
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三、扫气作用 (SCAVEGING)
有利于扫除缸内的残余废气，增加进入气缸 的新鲜充量。 可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。
亚临界流动阶段排气的流量不仅与排气门的有效流动截面有关，还 与缸内和排气管内气体的压差有关。
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二、排气提前角 (EXHAUST ADVANCING)
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
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。
发动机的换气过程
复习思考题
1、换气过程分为哪几个阶段？ 2、换气损失包括哪些？排气提前角对换气损 失有何影响？ 31、什么是充气系数？当发动机的转速、负 荷、大气压力变化时，ηCH怎样变化？ 4、在配气相位中对ηv影响最大的是什么？ 当其变化时ηCHmax对应的n有何变化？
排气滞后角一般为10～35°CA，进气提前角一般为 10～40°CA。
非增压进排气门重叠角一般为20-60°，增压柴油机， 因其进气压力高，故需较大的气门重叠角，一般为80160°。
进气阶段
排气门关闭后，活塞继续下行，新鲜气体 被吸入气缸。
由于进气系统有一定的阻力，因此进气阶段 气缸内的压力低于大气压力。
第三章 内燃机的换气过程
发动机的换气过程是排气过程和进气过程的 通称;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。
换气过程的任务：
将缸内空气排出干净,并充入尽量多的新鲜充 量。
换气过程进行的完善程度是提高发动机动力 性的重要因素。
本章重点：
1、四冲程发动机换气过程的进行情况； 2、换气过程中的能量损失-换气损失。 3、评价换气过程好坏的指标—充量系数； 4、影响指标的因素（主要是使用因素）。
及图
进3
-
、 排
1
气气
流缸
通内
化截压
关面力
系 积和
随排
曲气
轴管
转内
角压
的力
变以
1、排气损失
由于排气门提前开启，造成循环功的损失w （膨胀损失或自由排气损失）；和活塞将废气推 出的损失x（推出损失或强制排气损失）。
2、进气损失
由于进气系统存在阻力,造成循环功的损失。 实际示功图中,把图3-2中的（x+y-u）部分称为 泵气损失,归入机械损失中；而把图3-2中的w、u 部分归到指示效率中考虑。
第二章 内燃机的换气过程60页PPT
▪ （二） 实际测量
v
V Vsh
实际流量 理论流量
其中： V －实际测量 [ m 3/h ]
V sh 1 V h0i0 n 26 0 0 0 .0V h 3 in [m 3/h ] 充气效率是衡量换气过程进行的完善程度的重要指标。
P v2
2
λ——管道阻力系数； ρ——进气状态下气体的密度（kg/m3）；
v——管道内气体流速（m/s）。
（二） 转速
n pa p a v
（三） 负荷 汽油机：负荷 节气们开度 （量调节）
pa p a v
柴油机：负荷 循环供油量 （质调节）（与
pa无关） 热负荷 Ta v （不大）
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）。
▪ 2. 强制排气阶段 p = pr 上止点 靠活塞上行将废气挤出气缸。
▪ 3. 进气过程 由于节流作用, 缸内产生负压；（ p0 p ） 使新鲜介质进入缸内。
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。
▪ 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。
▪ 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。
第四章 内燃机的换气过程
一、排气损失
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。 （1）自由排气损失（w:膨胀 损失），是由于排气门提前打 开而引起的膨胀功的减少。 （2）强制排气损失（ x:推出 损失；），是活塞上行强制推 出废气所消耗的功。 X
注： 排气提前角过大时，膨胀功损失过大。排气提前角需通过实验确
定最佳值。排气提前角的范围为30º ~80º (CA)。
8
第一节 四冲程内燃机的换气过程
一、自由排气阶段 3、自由排气特点：
(1)在自由排气阶段的初期，由于排气门刚刚开启，缸内压力 较高，排气管压力与气缸压力之比往往小于临界值，流动呈现 超临界状态，缸内气体以当地声速流过排气门。 (2)排气质量流量只取决于缸内气体状态和排气门有效开启截 面的大小，与排气管内的气体状态无关。 (3)当流通截面不够大时，自由排气会拖到整个排气阶段。
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第一节 四冲程内燃机的换气过程
一、自由排气阶段
4、流出的废气量确定：
在气门开启时间内，流经气门的气体 质量与气门前后的状态关系式为:
dm 1 A p1 1 d 6n
式中，下标I表示上游流动参数(相 应地，II表示下游的流动参数)； μ与A分别为气门处的流量系数与 流通截面积，可分别根据试验结 果和气门的几何参数确定；Ψ为流 函数，与上、下游的流动状态有 关，其计算式为
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第二节
四冲程内燃机换气损失
三、泵气功和泵气损失 1.泵气损失： 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。 换气损失: x+y+w
四冲程内燃机的工作过程
四冲程内燃机的工作过程四冲程内燃机的工作过程，就像一位顶级厨师在厨房里忙碌，混合各种材料，烹饪出美味的佳肴。
大家知道的，内燃机主要是用来驱动汽车的，那可真是个了不起的家伙！它的工作过程分为四个主要阶段：吸气、压缩、燃烧和排气。
听上去很简单，但其实每个步骤都非常重要，就像是一次完美的演出，每个演员都得好好把自己的角色演绎到位。
吸气阶段就好比是大厨打开冰箱，准备新鲜的食材。
内燃机通过进气阀吸入空气，空气中含有氧气，是发动机“呼吸”的关键。
这时候，气缸内就像一个大肚子，贪婪地吸入这些新鲜空气。
要是没有空气，这个发动机就没法工作，就像人没饭吃一样。
所以，吸气阶段是个特别重要的环节。
你想啊，吸进来的空气越多，后面就能做出更好的“料理”。
然后进入压缩阶段。
这时，活塞就像是个大力士，把吸入的空气压缩得严严实实。
这一过程可不是闹着玩的，压缩的作用就像是把食材切得更细，更容易入味。
压缩后，温度和压力都会上升。
这样一来，后面要点火时，燃料就能更快地燃烧。
这一阶段可不能马虎，搞不好就像是火锅没煮开，怎么能好好享受呢？接下来就是燃烧阶段了。
这是四冲程内燃机的高兴部分，真正的“开火”了。
点火时，火花塞发出一瞬间的火花，就像厨师在锅里撒入调料，瞬间香气四溢。
燃料和空气在高温高压下猛烈反应，释放出大量能量，推动活塞下行，真的是一场燃烧的盛宴！这时候，发动机就像一头苏醒的狮子，充满力量，急速向前冲。
这一刻，内燃机展现了它的极致魅力，动力如虹，真是让人热血沸腾。
最后是排气阶段。
燃烧后的废气就像是吃完饭的盘子，得好好清理一下。
活塞向上移动，把这些废气通过排气阀推出去。
这就像大厨在收拾厨房，准备下一轮的烹饪。
这个过程虽然简单，但也不容小觑。
要是废气排不出去，发动机就会“憋气”，性能直线下降。
所以，排气也是四冲程内燃机中不可或缺的一环。
整套流程下来，四冲程内燃机就像是一部精密的机器，每个环节都有条不紊地进行。
吸气、压缩、燃烧、排气，反复循环，源源不断地输出动力。
发动机的换气过程
q1
2 f1 f2
60a nL
q2
f1 f2
30a nL
t1
a
L
u
t2
a
L u
t1 t2 t
a
L u
a
L
u
t
进气持续角为θ， 进气持续时间为tθ，
选取L
第六节 可变技术 一．可变进气管
动画
二．可变气门定时 1．凸轮相位可变
二．可变气门定时 1．凸轮相位可变 2．进气持续期可变
进气损失x
如何使排气损失最小?
e’
⑴e`（排气门太早开启）
e”
膨胀功损失：面积e`bb`太
大，且不可能由排气所消耗
的绝对功的减少来补偿。
⑵e``（排气门太晚开启） 膨胀功损失：面积e``bb``较
小，但在b``r``期间排出废气 所需要的功较多。
可见：如果排气提前角↑，则w↑，y↓ 排气提前角↓，则w↓，y↑
②转速不变,负荷变化时
a.柴油机 △p 基本不变,从而pa基本不变，ηv基本不变
b.汽油机 负荷↑,则△p ↓,从而pa ↑，ηv ↑
2．进气终了温度Ta
Ts 1 ps
pa Ta
1
1
Ta值愈高，充入汽缸的工质密度愈小，ηv降低。
3．残余废气系数γ 气缸残余废气量多，ηv下降，残余废气量多，则燃烧恶 化，内燃机经济性下降，排出有害物及碳烟增加。
Ma
Vm a
mVm f FCm
Vm
F f
Cm
m
D 2 d
Cm
04-01 内燃机的换气过程 卢炽华发动机原理A,武汉理工大学,汽车学院
内燃机的换气过程
强制排气阶段
由于气体流动需要克服排气门、排气道以及消声器等处的流 动阻力，缸内气体压力要略高与排气管内的平均压力，而且 气体流速越高压差就越大 另一方面由于排气管内的压力波动有可能形成压力逆差，即 气缸压力低于排气管内的压力，这种情况往往出现在强制排 气初期 惯性排气迟闭阶段，由于活塞到达上止点后开始下行，气缸 容积不断增加，过大的排气迟闭会导致废气倒流
内燃机的换气过程
强制排气阶段
p = pr 上止点
依靠活塞上行将废气挤出气缸 1）亚临界状态
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
2）惯性排气
从活塞上行到上止点至排气门
关闭所对应的曲轴转角，即排
气迟闭角，一般为10º~30ºCA
进气迟闭角 利用高速气流的惯性增加充气量、 减少功耗
内燃机的换气过程
气门叠开
进排气门同时开启的时期
气门叠角一般为20~80°CA 自然吸气内燃机：
气门叠角较小，20~60°CA
太大：小负荷时气体倒流 太小：扫气作用不明显
增压内燃机：
气门叠角较大，80~160°CA 进气压力高于排气压力，有利 于利用进气进行扫气，降低热
内燃机的换气过程
自由排气阶段
1）超临界排气 p ≥ 2 pr 流量与压差无关， 取决于开启面积和气 体状态 2）亚临界排气 2 pr p r 流量取决于压差
k k 1
pr 2 p k 1
内燃机的换气过程
自由排气阶段
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， 压差越大排出废气越多 高速时，同样的排气时间对应的曲轴转角将大为增加，为使气缸压力 及时下降，必须加大排气提前角，避免自由排气阶段延长、排气功耗 增加 当气缸与排气管压力相等，自由排气阶段结束 （下止点后10º ~ 30ºCA） 自由排气阶段很短，但排气流速高，排出废气量达60%以上
内燃机的换气过程
内燃机的换气过程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。
对四冲程内燃机而言，换气过程是指从排气门开启到进气门关闭的整个过程。
对大部分二冲程内燃机而言，换气过程即为从排气口打开到关闭的整个过程.在内燃机换气过程中,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ECR 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[1］。
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等。
第一节四冲程内燃机的换气过程图4—1所示是四冲程内燃机换气过程的示意图，其中图4—1a为内燃机的配气相位与换气过程p—V 示功图。
排气门在下止点前1点开启，由于缸内压力高，燃气快速流出，缸内压力随即迅速下降.在进排气上止点前，进气门在3点打开,此时,排气门尚未关闭，出现一段时间的气门叠开期,排气门在上止点后2点关闭.进气门打开初期，由于进气道与缸内压差小，进气流量小，随着活塞运动的加快，造成了缸内较大的真空度，使得中后期的进气速度提高，最后进气门在下止点后4点关闭。
进排气门迟闭角的设计,同它们提前开启一样，是为了增加进排气过程的时面值或角面值，利用气体流动的惯性,增加进气充量或废气的排出量。
四冲程内燃机的换气过程可分为排气、气门叠开、进气三个阶段，图4-1b表示了进排气门的升程和气缸压力随曲轴转角的变化情况。
图4—1 四冲程内燃机换气过程的示意图a）配气相位与低压p—V示功图b）气门升程与p— 示功图IVO一进气门开启角IVC一进气门关闭角EVO一排气门开启角EVC一排气门关闭年V c一余隙容积V s一气缸工作容积一、排气过程由于受配气机构及其运动规律的限制，排气门不可能瞬时完全打开,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。
《内燃机的换气过程》课件
机械增压的优点是响应速度快 ，能够提供稳定的增压效果。
机械增压的缺点是会增加发动 机的摩擦损失和油耗，同时需 要定期维护和更换转子叶片。
03
内燃机换气过程的优化策略
优化进气道设计
减少进气道阻力
01
通过改进进气道形状和尺寸，降低气流在进气道中的阻力，提
高进气效率。
提高进气道温度控制能力
02
内燃机换气过程的工作原理
自然吸气的工作原理
自然吸气是一种内燃机的进气方 式，它利用内燃机运转时产生的
负压，将空气吸入气缸内。
自然吸气的优点是结构简单，维 护成本低，可靠性高，适合于中
小功率的发动机。
自然吸气的缺点是进气压力低， 充气量有限，动力性能相对较弱
。
涡轮增压的工作原理
涡轮增压是一种通过增加进气压力来提高发动机功率和 扭矩的技术。
02
通过采用隔热材料、优化进气道结构等方式，减少进气温度波
动，提高内燃机燃烧效率。
优化进气道材料
03
采用轻质、高强度材料，降低进气道重量，提高内燃机动态响
应性能。
优化排气道设计
01
02
03
降低排气道阻力
通过改进排气道形状和尺 寸，降低气流在排气道中 的阻力，提高排气效率。
减少热辐射损失
通过采用隔热材料、优化 排气道结构等方式，减少 排气过程中热量的散失， 提高内燃机的热效率。
降低排放
改善换气过程可以减少不完全燃烧产生的有害物质，从而降低汽车尾 气排放对环境的影响。
提高动力性能
换气过程的优化可以使得内燃机吸入更多的新鲜空气，从而提高燃油 的燃烧速度，增强发动机的动力性能。
延长发动机寿命
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进气过程 INDUCTION PROCESS
（IVO 3 IVC） 4
IVOTDC
进气扫气
TDCBDC 吸 气 BDCIVC 过后进气
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一、进气过程 (INDUCTION) 定义
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。
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二、进气提前角(INTAKE ADVANCING) 定义
排气门在上止点前数十度曲轴转角 就提前关闭，使相当一部分废气不 能排出气缸而成为残余废气。进气 门打开的时间被推迟到上止点后直 至缸内压力下降至大气压 这样进 排气阀打开的时间不再重叠，反而 有相当大的间隔，称为负的气阀重 叠。
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二、排气提前角 (EXHAUST ADVANCING)
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
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。
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三、排气门迟闭角 (EXHAUST LAG) 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。
气缸压力 排气门升程 进气门升程
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排气过程 EXHAUSTING PROCESS
（EVO 1 EVC） 2
EVOBDC 自由排气
BDCTDC 强制排气 TDCEVC 扫气
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一、排气过程 (EXHAUSTING)
按燃气对活塞的作用：
自由排气和强制排气(Blowdown and displacement)
按排气流动的性质：
超临界流动和亚临界流动 (Critical and subcritical flow) p2-缸内 p1-排气管内
p2 2 p1 k 1
k k 1
超临界状态排气的流量只取决于缸内气体状态和排气门有效流通面 积的大小。 亚临界流动阶段排气的流量不仅与排气门的有效流动截面有关，还 与缸内和排气管内气体的压差有关。
为了增加进入气缸的新鲜充量， 进气门在吸气上止点前提前开启 的角度。
作用
增加进气流通面积（时面值or角面值）,提高充量系数。
选择
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三、进气门迟闭角(INTAKE LAG) 定义
为了增加进入气缸的新鲜充量，进气门在吸气下 止点后，推迟关闭的角度。
作用
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，Valve timing and p-V diagram
进气门关闭
进气门打开
Inlet Valve Open Inlet Valve Close
排气门开启
Exhaust Valve Open
排气门关闭
Exhaust Valve Close
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二、气门升程与低压p－示功图 Valve lift and p- diagram
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三、扫气作用 (SCAVEGING)
有利于扫除缸内的残余废气，增加进入气缸 的新鲜充量。 可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。
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正气门重叠和负气门重叠 POSITIVE &NEGATIVE OVERLAP
正气门重叠(实线)
在上止点进气门和排气门同时开 启，有利于增加新鲜充量和进行 燃烧室扫气。 负气门重叠(虚线)
概 述 INTRODUCTION
1：进气行程 2：压缩行程 3：膨胀行程 4：排气行程
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曲拐
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6
现代发动机转速很高，一个行程经历的时间很短（如上海桑塔 纳的四冲程的发动机，在最大功率的发动机转速达5600r/min， 一个行程的时间只有0.0054s）。这样短时间的进气和排气过程 往往会使发动机充气不足或者排气不净，从而施发动机功率下 降。因此，现在发动机都延长进、排气时间，即气门的开启和 关闭时刻并不正好是活塞处于上止点和下止点的时刻，而是分 别提前或延迟一定的曲轴转角，以改善进、排气状况，从而提 高发动机动力性。
选择
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气门叠开和燃烧室扫气过程 OVERLAP and SCAVEGING
（IVO 3 EVC） 2
一、气门叠开 (OVERLAP)
从进气门开启到排气门关闭这段 曲轴转角内，出现进排气门同时 开启的现象。
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二、气门叠开角(OVERLAP PERIOD)
气门叠开所对应的曲轴转角。
气门叠开角的选择 80-140°