发动机换气过程(00002)

3、进气过程：从进气门开启到关闭的全过程
•准备进气：进气提前角一般为0º~40º(CA)。 •正常进气 ：新鲜气体充入气缸。 •惯性进气：进气迟闭角一般为40º~70º(CA)。
尽管利用过后充 气可以有效地增加进 入气缸的空气量，但 过大的进气迟闭角， 会使得低速时发生缸 内气流倒流进入进气 管的现象，也会影响 有效压缩比，从而影 响压缩终了温度，使 发动机的冷起动困难。 因此，合理的进气定 时是十分重要的。
2．进气终了的温度Ta’ Ta’高于进气状态温度， Ta’越高，充入气 缸的工质密度越小，φc值愈低。
•引起Ta’升高的原因是: 1）新鲜工质进入发动机与高温零件接触而 被加热。 2）新鲜工质与高温残余废气混合而被加热。
•措施：将高温排气管与进气管分置于气缸两侧， 控制进气预热，适当加大气门叠开角等，
pr'
Tr'
)
式中：p、T的下标s、a’ 、r’分别代表大气和进、排 气门管比时缸内压力和温度的状态。
残余废气系数 ：进气过程结束时气缸内残余 废气量与进入气缸内的新鲜空气的比值。
rm r'
Vr' r'
m a
Ka[V (cVs')
V a'
r'
] r'
影响充量系数的因素有进气的状态、进 气终了的汽缸压力和温度、残余废气系数、 压缩比及进排气相位角等。
合理选择相位角
谐振进气与可变进气支管
(一)降低进气系统的流动阻力
管道摩擦阻力
沿程阻力
进气阻力
管长和管内流动面上的表面质量有关
局部阻力
它是由于流通截面大小、形状以及流动方向变化， 在局部产生涡流损失所引起的
进气系统的构成
管道较短， 壁面比较光滑
沿程阻力并不大
沿程阻力
进气阻力
流道中的主要损失
局部阻力
补充 return
•过高的气体流速，还会发生气体阻塞现象。 考察气门座处的流动情况，并定义平均进气马 赫数M。p30
❖进气平均马赫数Ma综合了进气门大小、形 状、升程规律以及活塞速度等因素，并且其
大小与发动机的转速成正比。研究发现，对 于小型四冲程发动机，当M超过0.5后，充量 系数急剧下降(参见图)。
它由一系列的局部阻力叠加而成
进气门座处 空气滤清器
流道转弯处
降低进气系统的 流动阻力的措施
1、降低进 气门处的 流动损失
2、减少进气道、 进气管、空气
滤清器的阻力
1．降低进气门处的流动损失
进气门座处 局部阻力最大
forward
阻力系数 ξ有关
ps svs2
与该处的 流动速度vs 的平方成正比
降低进气门处的流动损失，可以从降低气门座处的流速 和改善气门座处的流动情况以提高流量系数入手解决
第一节 四冲程发动机的换气过程 第二节 四冲程发动机的充量系数 第三节 提高发动机充量系数的措施 作业及复习题
第一节 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。p25 换气过程可分作自由排气、强制排气、
（二）影响充气效率的因素
1．进气终了时的压力Pa’
Pa’对φc有重要影响，Pa’愈高，φc值愈 大
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
pa
v2
2
式中 ——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
（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 动转入亚临界状态，废气流速降低，产生的噪音较小。
排出的废气量决定于气缸内及排气管内的压力差。压力 差越大排出废气越多。当到某一时刻气缸内与排气管内压力 相等，自由排气阶段结束 （一般下止点后10º~30º曲轴转 角）。此阶段虽然历程很短，但因排气流速甚高，排出废气 量达60%以上。
第二章 发动机 的换气过程
Engine Gas Exchange Process
上止点 下止点
排气过程 •换气过程 进气过程
•换气过程 的任务
排除废气 充入尽可能多的新鲜工质 功耗要少
•研究的内容
换气过程的进行情况
分析影响充气量的各种因素 找出 提高充气量 方 向 与 措 施 。
减少换气损失
主要内容
又， a
L L0
则：ma (1aLa0L0)m1
令： Ka
aL0 1aL0
混合气的空气量 K a 比例系数
c V ss K a [V c ( V s ')a ' V r ' r ']
令 Vc Vs'
Vc Vs
Vr' Vc
c(cK 1 a)s(ca' r')
c (K c a1)T pss (cT paa''
系数和气体流速。若大、 V高时，△pa增加，
使pa’下降。
•转速和负荷对进气压力的影响
1）转速 当节气门位置一定时，n增加，Pa’降低。
2）负荷
汽油机：当节气门关小时，节流损失增加， 引起Pa’下降。 且Pa’ 随转速的增加而下降的 愈快，即曲线变化愈陡。
柴油机：负荷调节为“质调节”，负荷减 小时Pa’变化很小。
均有利于降低Ta’。 •转速和负荷对Ta’的影响
1）转速：当负荷不变而转速增加时，由于 新鲜工质与缸壁等接触时间短，传热量少，所 以Ta’稍有下降。
2）负荷：当转速不变而增加发动机负荷时， 缸壁等零件温度升高，Ta’有所上升。
3.残余废气系数 1） 增加， φc降低，燃烧恶化，油耗、
排放增加， 2）压缩比提高，残余废气系数减小。 3）排气压力高，废气多，充气效率降低。 4）排气系统阻力大，排气压力高，废气多。
高速发动机其排气提前角要大一些：在 自由排气阶段中，排出的废气量与发动机转 速无关。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，因此， 高速发动机排气提前角要大。但不宜过大， 否则会使排气损失加大。
•一般排气提前角为30º~80º曲轴转角。
•随发动机转速的增加应相应增大排气提前角。 •一般持续到下止点后10º~30º(CA)结束。 •自由排气阶段排出的废气量可达60%以上。
(2)发动机的转速增高时两者之
和在总体上呈现增加的趋势。
•降低排气损失的主要方法: 减小排气系统的阻力和排气门处的流动损失。
三、进气损失X
进气损失主要是指进 气过程中，因进气系 统的阻力面引起的功 的损失，与排气损失 相比进气损失较小。
•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。
Vs 气缸工作容积
一般非增压发动机在全负荷时的φc
汽油机
顶置气门：0.75~0.85 侧置气门：0.70~0.80
柴油机 0.75~0.90
二、影响充量系数的因素
1）进气门关闭时，缸 内工质的总质量ma′：
进气门关闭时气缸容积：
（Vs’ +Vc），则
m a' (VcVs') a'
式中： a' 进气门关闭时气缸工质的密度
通过加大进气门直径的方式来提高充量系数， 是受到限制的。
直到进气行程开始、缸内 压力到达大气压力之前, 所损失的循环功。
构成:
a.自由排气损失W：由
于排气门提前打开而引起 的膨胀功的减少。
b.强制排气损失Y：活
塞上行强制推出废气所消 耗的功。
影响因素: (1)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(W+Y)为最小。
排气损失与进气损失 之和称为换气损失 (W十Y十X) 。
泵气损失（X+Y-u）： 在实际循环示功图中 把面积(x+y- u)相当 的负功称为泵气损失。 这部分损失放在机械 损失中加以考虑。
• 一般而言，所有减少换气损失的措施 以及以后将要讨论到的提高充量系数 的途径，对降低泵气损失都是有利的。
进气和燃烧室扫气四个阶段。
四冲程发动机换气过程的典型曲线
1、自由排气阶段：
从排气门开启到气缸压力接近于排气
管内压力的时期，称为自由排气阶段。
排气提前角：从排气门开启到活塞
行至下止点所对应的曲轴转角称为，一 般为30º~80º曲轴转角。
自由排气阶段 超临界状态 亚临界状态
（1）超临界状态
排气门开启时，气缸内废气压力较高（0.2~0.5Mpa）， 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，可利用废气自身的压力自行排出。
4、气门重叠和燃烧室扫气过程
在排气行程上止点附近出现进、排气门同
时开启的特殊现象，称为气门重叠，相应的角度
是气门重叠角，它是排气迟闭角与进气提前角之和。
作用：
•一方面，有利于扫除缸内残余废气，增加进
气量，特别是增压发动机，扫气更明显；
•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。
通过排气门口废气的流速等于该状态下的音速（m/s）
c KRT
式中
K——绝热指数； T——气体的绝对温度； R——气体常数〔N•m/（kg·K）〕。
在超临界排气时期，废气流量与排气管内压力pr、 发动机转速无关，只与气缸内的气体状态及气门开启 截面积有关。并且因排气流速甚高，在排气过程中伴 有刺耳的噪声，所以排气系统必须装有消声器。
气门重叠角的选择以 新鲜充量不流入排气 管为原则。
增压柴油机都采用比 非增压柴油机大的气 门重叠角，一般为 80º~160º(CA)；
气门重叠角过大，会 使气门与活塞发生相 撞，一般非增压柴油 机的气门叠开角在 20º~60º(CA)范围内。
•换气损失
排气损失 进气损失
二、排气损失
定义:从排气门提前开启，
残余废气
2）排气门关闭时缸内工质的质量mr′
排气门关闭时缸内体积为Vr′，则
mV r'
r' r'
式中： r ' 排气门关闭时气缸工质的密度 3）每循环充入气缸新鲜充量的质量m1为
m 1 (V c V s')a ' V r' r'
4)进入气缸的混合气量：
m1magb 式中：g b 循环燃料量
另外，由于二冲程内燃机没有单独的 进、排气活塞行程，所以泵气功为零。
第二节 四冲程发动机的充量系数
换气的目的是尽量排净废气，最大限 度充入新气，以完善燃烧，提高效率。
评价发动机的换气质量，可用充量系 数(充量效率、容积效率) 、残余废气 系数来衡量。
一、充量系数φc
定义：内燃机每缸每循环实际进入气缸的新 鲜空气质量与进气状态下理论计算充满气缸 工作容积的空气质量比值。
4．配气定时
由于进气门迟闭而 ＜1 ,新鲜充量的容积减
小,但Pa’值却可能因有气流惯性而使进气有所 增加,合适的配气定时应考虑ξPa’具有最大值。 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φc有所增加。
6.进气状态
第三节 提高发动机充量系数的措施
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。
减小进气门流通截面处 流动损失的具体措施
加大进 气门直径
增加进 气门数目
合理设计 进气道 及气门的 结构
(1)加大进气门直径
由于进气过程的重要性，一般应尽可能布置 较大尺寸的进气门，以降低流经进气门截面 时的气体流速，从而降低局部流动阻力。
在现代高速内燃机2气门结构中，进气门 直径d与缸径D的比值可达45%~50%。面积比 为0.2~0.25，这样排气门不得不缩小，但过小 的排气门又会导致排气阻力的增大。因此，
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。
降低进气系统的阻力损失，提
重要 高气缸内进气终了时的压力pa
提高充量系数措施
结构一定, 即εc一定
降低排气系统的阻力损失，以
减小缸内的残余废气系数φr
减少高温零件在进气系统中对 新鲜充量的加热，以降低进气
终了时的充量温度Ta
进气状态：指空气滤清器后进气管内的气体 状态，即进人气缸前气体的热力学状态，如 温度与压力等。
非增压：通常取为当地的大气状态。 增 压：增压器出口状态。
式中：
c
mwk.baidu.com ms
V1 Vs
＜1
ma 实际进入气缸的新鲜空气质量 V1 实际进入气缸的新鲜空气在进气状态
下的体积
ms 进气状态下理论计算充满气缸工作容 积的空气质量
2、强制排气阶段：
自由排气阶段结束后，气缸内的废 气将被上行活塞强制推出，直到排气门
关闭．这一过程就是强制排气阶段。
•缸内平均压力要略高于排气管内的平均压力。
克服排气门、排气道处的阻力，一般高出10kpa左右。 气体的流速越高，此压差越大，消耗的功越多。
•一般排气门迟闭角为10º~35º(CA)。惯性排气