四冲程发动机的换气过程资料

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。
2．强制排气阶段：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 10kpa左右。气体的流速越 高，此压差越大，消耗的功越多。
二、影响充气效率的因素
（一）充气效率ηv的表达式
1）进气门关闭时缸内气体的总质量ma
假定进气门关闭时气缸容积为（Vs’ +Vc），此时缸 内气体压力、温度、密度为 Pa 、 Ta 、 ρa ，则缸内气体 的总质量为
ma vc v a
' s
2）排气门关闭时缸内残余废气的质量
假定排气门关闭时缸内体积为 Vr，残余废气的压力、 温度、密度为Pr、Tr、 ρr ，则残余废气的质量为
5.减少气门处的流动损失
二、进气道和进气管 保证足够的流通面积，避免转弯及 截面突变，改善表面的光洁程度。 汽油机：燃料的雾化、蒸发、分配、压 力波的利用
柴油机：形成进气涡流
高转速、大功率时，进气管宜短粗；
中、低速，进气管宜细长。
三、空气滤清器
第四节 合理选择配气定时
在配气定时各参数中，进气门迟闭角的改变， 对充气效率η v影响最大。 η v在某一转速下达到最 高值，此转速下能最好地利 用气流的惯性充气。 进气迟闭角增大，η 最大值对应的转源自文库增加

mr v vs s
Pa、 Ta——进气状态的温度和压力；
Ts 、Ps——进气终了时的气体温度和压力； ——残余废气系数， 即进气过程结束时气缸内 残余废气量与气缸内新鲜充量的比值；

——压缩比。
（二）影响充气效率的因素
1．进气终了时的压力Pa
Pa对 v 有重要影响，Pa愈高， v 值愈大
2. 进气马赫数M 进气马赫数M是进气门气流平均速度 Vm与该处音速C之比，即M=Vm/C。 M是决定气流流动性质的重要参数。
M值反映气体流动和气门结构尺寸的 关系，对充气效率有重要的影响。
根据一系列试验可知，在正常的配气 定时条件下，当超过一定数值时，大约 在 0.5 左右，充气效率急剧下降。因此在 可能条件下应控制在最高转速时不超过 一定数值，以达到提高充气效率的目的。
减少排气损失 的主要措施是： 减小排气系统阻 力和排气门处的 流动损失。
2．进气损失 进气损失：因进气系统 的阻力而引起的功的损失。 排气损失与进气损失之 和称换气损失，即图中面积 (W+X+Y) 。在实际循环示功 图中把面积 (x+y-d) 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。
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。
作用：由于进气管、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，清除残余废气，增加进气量，降低 高温零件的温度，但注意不应产生废气倒流现 象。
二、换气损失
换气损失由排气损失和进气损失两部分组成。
1. 排气损失 排气损失是从排气门提 前打开，直到进气行程开始， 气缸内压力到达大气压力之 前，循环功的损失。
（1）超临界状态
超临界状态 亚临界状态
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。
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 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。
3.气门直径和气门数 进气门直径增大 , 扩大气流通路截面积 增加，η v提高。 双气门（一进一排）：进气门直径可达 活塞直径的45%~50%，气门与活塞面积之 比 为 0.2~0.25 ， 进 气 门 比 排 气 门 大 15%~20%。 受结构限制，进一步增大比例已很困难。
多气门结构 ：缸径大于80mm时，采用二进二排结构；
（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。
• 各缸进气均匀性
• 在缸内形成合理的流场,以控制混合气形成和燃烧
自由排气
换气过程
强制排气
进气 气门叠开
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。 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
3 ）在化油器式汽油机上，为了使液体燃料在进气管中 蒸发，以便均匀地与空气混合而进入气缸，一般都采用废 气或冷却水热量对进气管加热，故空气经过进气管时受热 而温度升高。
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，均有利于降低Tca。
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。
进气管的惯性效应
• 在进气行程前半期，由于活塞下行的吸入作用， 气缸内产生负压，新鲜工质从进气管流入，同 时传出负压波，经气门、气道沿进气管向外传 播，传播速度为声速。当负压波传到稳压室等 空腔的开口端时．又从开口端向气缸方向反射 回正压波，如果进气管的长度适当，从负压波 发出到正压波返回进气门所经历的时间，正好 与进气门从开启到关闭所需时间配合，即正压 波返回进气门时，正值进气门关闭前夕，从而 提高了进气门处的进气压力，达到增压效果 。
（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 四冲程发动机的换气过程
第二章 四冲程发动机的换气过程 进气过程 排除废气 换气过程的任务 充入尽可能多的新鲜工质
换气过程的进行情况 换气过程 排气过程
研究的内容
分析影响充气量的各种因素 提高充气量 找出 方向与措施。 减少换气损失
第一节
四行程发动机的换气过程
一、换气过程
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。 换气过程的目的： • 最大限度地吸入新鲜充量 —φc是核心问题 • 最小的换气损失
第二节
四行程发动机的充气效率
一、充气效率 充气效率是实际进入气缸的新鲜工质的质量与进 气状态下充满气缸工作容积的新鲜工质的质量的比值
m1 v1 v ms vs
式中 m1 、V1—实际进入气缸的新鲜工质的质量、体 积（进气状态）； ms 、Vs— 进气状态下充满工作容积的新鲜工质 的质量、气缸工作容积。
转速与管长（一）
• 压力波的固有频率f1（1/s）为 :
c f1 * 4L
• 当发动机转速为n（r／min）时，进气频率f2（1／s） 为:
n n f2 60 2 120
转速与管长（二）
• 对惯性效应，发动机进气周期应与压力波半周期相配， 即:
q1
• 对波动效应 :
q2
1 1 q2 1 ,2 ..... 2 2
v
排气提前角：保证排气损失最小的前提下，尽量 晚开 排气门。 转速增加，排气提前角增大。 气门叠开角：可以增加循环充量，提高充气效率， 降低高温零件的热负荷，减少NOx。
第五节
进气管的动态效应
动态效应
• 由于间歇进、排气，进、排气管存在压力 波，在用特定的进气管条件下，可以利用 此压力波来提高进气门关闭前的进气压力， 增大充气效率。 • 压力波增压系统具有结构简单、惯性小、 响应快等优点，适于频繁变工况的车用。 • 分为惯性效应与波动效应两类 。


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。
mr vr r
3）充入气缸新鲜充量的质量为
vvs s vc v a vr r
' s
v
v
c
v a vr r vs s
' s

经变换推导得
Ts pa 1 v 1 ps Ta 1
式中
' vc vs vc vs
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。
惯性排气。排气迟闭角，一般为10º ~35º 曲轴转角。
准备进气。进气提前角：一般为0º ~30º 曲轴转角 正常进气 ：活塞下行残余废气膨胀，新鲜气体充入 气缸。
惯性进气。进气迟闭角：一般为40º ～70º 曲轴转角。
4.气门叠开 ：进、排气门同时开启。
叠开角：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。在增压发动机 可达80º ~160º 的曲轴转角。因其进气压力高。
3.残余废气系数
v 降低，燃烧恶化，油耗、排放增加， 1） 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。
4．4.配气定时
v 的计算公式可见，由于进气门迟闭而 ＜1 , 由 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。
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。
2．进气终了的温度Ta 进气终了的温度Ta高于进气状态温度。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。
进气管波动效应
• 当进气门关闭后，进气管的气柱还在继续 波动，对各气缸的进气量有影响，这称为 波动效应。 • 进气门关闭时，进气管内流动的空气因急 速停止而受到压缩，在进气门处产生正压 波 ，该波在进气管内来回传播。如果使正 压波与下一循环的进气过程重合，就能使 进气终了时压力升高，因而提高充气效率。