发动机的换气过程

排气门迟闭使 >1，使新鲜充量扫出气缸，从而使 c 降低。 解决措施：合理选择排气相位角，使新鲜充量既能利用气流惯性多充入气缸， 又不至于随废气扫出气缸。 5. 压缩比

c
有所增加。
压缩比增加，余隙容积减小，残余废气量减少，因此充量系数 6. 进气状态
进气温度和压力一般对充量系数
c
影响不大。
p
二、排气损失
' 从排气门提前打开（ pb 点)，直到进气行程开始，
' pb W
Y
缸内压力到达大气压力前循环功的损失称为排气
损失。它分为自由排气损失和强制排气损失。
p0
X
V
自由排气损失（W ）：因排气门提前打开，引起膨胀功的减少而产生的热量损失。 强制排气损失（ Y ）：活塞将废气推出所消耗的功。 减少排气损失的措施：1）当排气门截面小，发动机转速高时，应加大排气提前角； 2）减小排气系统阻力及排气门处流动损失； 3）排气消声系统的结构和布置形式； 三、进气损失（X ） 进气过程中，因进气管及进气门对气流形成的阻力而消耗的功，称为进气损失。 减少进气损失的措施：1）加大进气门的流通截面积；2）正确设计进气管流道； 3）降低活塞平均速度；4）合理调整配气定时。
降低排气系统流通阻力，可减少残余废气系数，也可减少泵气功。 可采取的措施有： • 将排气道的一部分做成扩压形，可降低缸内与排气管内之间压力差；
提高充量系数；
• 避免排气管内截面突变、急转弯和凸台； • 选择良好的排气支管流形； • 尽可能降低消声器的流通阻力。
四、合理选择进、排气相位角
合理选择进、排气相位角，可以获得较好的充气效果，特别是在高转速时， 适当推迟进气门关闭时间，可以利用高速气流的惯性来增加气缸充气量。 采取措施： 利用气门可变正时技术，优化气门正时，可提高充量系数。
下止点
上止点
上止点
20o
60o
排气提前角
缸内压力变化：排气门刚开启时，缸内废气压力还很高；随着废气大量排出，
压力迅速下降；到某一时刻气缸内压力与排气管压力相等，
自由排气阶段结束。即靠缸内与排气管之间本身存在的压差来排气。
2. 强制排气阶段 ：
过程描述：由自由排气阶段结束开始，到活塞 过上止点后曲轴转角20o为止。 从排气门到活塞过上止点这段曲 轴转角称为排气迟闭角。
压缩波 负压
2
可变进气支管：
可变长度进气支管（书P34图2-6） ：低转速时，转换阀8关闭，气流沿圆弧形
的长通道流动； 高转速时，转换阀8开启，气流直接流入 进气管；
双通道可变进气支管（书P35图2-7）：中、低转速时，旋转阀2开启，气流仅由长 圆弧形一个通道流动； 高转速时，阀2关闭，气流由上、下两个通道流动。
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：排气门开启直到进气门关闭的整个时期，
约占410o～480o曲轴转角。
换气过程可分为：自由排气、强制排气、进气、燃烧室扫气四个阶段。
1. 自由排气阶段 ：
过程描述：曲轴转角在活塞到达下止点前 60o时开始，过下止点20o为止。 从排气门打开到下止点这段曲 轴转角称为排气提前角。 排气提前角的目的：使废气能通畅流出。 发动机转速越高，排气提前角应加大。
本章总结
1、介绍了四冲程发动机的换气过程：自由排气、强制排气、进气、气门重叠（扫气）；
2、从P-V图上，认识了排气损失、进气损失所消耗的功；
3、介绍了四冲程发动机的充量系数的概念：反映了实际充入气缸的新鲜充量的多少； 4、介绍了影响充量系数的因素：进气门关闭是气缸内压力和温度、残余废气系数、 配气相位角、压缩比等。 5、提高发动机充量系数的措施：降低进、排气系统的流通阻力、合理选择配气相位角、
下止点 上止点
排气迟闭角
20o
排气迟闭角的目的：利用气流惯性，进一步 排出废气。 缸内压力变化：废气由活塞上行强制排出。缸内平均压力比排气管平均压力略高。
气流速度越高，压力差值越大，耗功越多。压力差是排气门及排
气管处的阻力造成的。即靠活塞的推力来排气。
3. 进气过程 ：
过程描述：活塞在运动到上止点前曲轴转角20o 进气门开启，到过下止点后60o关闭。 从进气门在活塞到上止点前提前开启， 称为进气提前角。 从进气门在活塞运动到下止点后关闭， 称为进气迟闭角。 进气提前角的目的：使新鲜充量顺利流入气缸。 进气迟闭角的目的：实现在下止点后继续充气，增加进气量。
进气提前角
20o 20o
气门重叠的效果：由于进气管、排气管连通，可以利用气流压差和 惯性清除残余废气，增加进气量。
气门重叠带来的问题：汽油机由于新鲜充量是可燃混合气，扫气会造成燃料的损失； 柴油机由于是先充入空气，而后边喷油边燃烧，故没有燃料损 失问题，但气门重叠角过大，会发生气门与活塞相碰的问题。
进气门关闭时间：
• 高速时（发动机转速） ，推迟进气门关闭可以充分利用进气充气的惯性来 提高充量系数； • 低速时，进气充气惯性增压效应减弱，不再推迟进气门关闭。
排气门关闭时间：
• 在不损失新鲜空气量前提下，尽可能推迟排气门迟闭角，以减少残余废气。
五、谐振进气与可变进气支管
开口端 压缩波 膨胀波
谐振进气： 当反馈的压缩波到达气缸时，进气门正好处于 关闭前夕，则能把较高压力的新鲜空气关闭在 气缸内，从而获得较高的充量系数。
充量系数会降低。如当M=0.5，即气流流速为声速一半时，充量系数 c 会急剧下降。 因此，应尽量减小进气门处的马赫数。
（2） 减少进气门处流动损失的措施（即减少进气门处马赫数） • 增大进气门直径：可达活塞直径50％； • 增加进气门数目：可采用三气门、四气门、五气门结构；
• 增加进气门升程：改进配气凸轮线型，使进气门升程大

显然， 越大，气缸中残余废气增多，不仅使新鲜工质减少，且使 燃烧恶化，使充量系数
c
下降。
解决措施：1）加大进、排气门叠开角；提高压缩比；可使废气排出更干净；
2）减小排气系统特别是排气门处的阻力；
4. 进排气相位角 、
显然，进气门迟闭使 <1，新鲜充量的容积减小，从而使
c 降低。
且开闭尽可能快； • 改进气门头部形状：气门头部与杆身的过渡形状由平面 形顶改为凹面形顶。
2. 减少进气道、进气管和空气滤清器的阻力 • 缸盖内的进气道：气道通路断面有足够面积；各断面避免突变； 进气道内部过渡圆角半径应大，避免急剧转弯； • 进气管：保证足够流通截面积；管道表面光洁；避免急转弯及流通 截面突变；
第二节 四冲程发动机的充量系数
一、充量系数
c
定义：每缸每循环实际吸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之比。
显然， c 反映了实际吸入新鲜空气量的多少， c 越大，则吸入新鲜空气量越多，
m a Va c m s Vs
这样，燃烧放出的热量就会增加，从而提高发动机的动力性。
利用谐振进气和可变进气支管等技术。
显然，p a ' 越大，说明吸入气缸内的空气量越多， c 值越大。 提高缸内压力 p ' 措施：加大进气门截面面积，可减小进气阻力。 a 2. 进气门关闭时缸内气体温度 Ta'
Ta' 值越高，充入气缸的工质密度愈小，充量系数 显然，
解决措施：减少高温零件壁面、废气等对新鲜工质的加热。c来自降低。3. 残余废气系数
二、影响充量系数
充量系数为：
（推导过程略）
c
的因素
pa ' pr ' ma K a Ts c ( ) ms 1 ps Ta ' Tr '
排气门开
' pb

Ts、ps
压缩比；
Ka
混合气的空气量比例系数；
p
大气压力和温度；
Vr
进气门开
Vc Vs' 进气门迟闭程度； Vc Vs Vr 排气门迟闭程度； Vc
第三节 提高发动机充量系数的措施
一、降低进气系统的阻力
进气系统组成：空气滤清器、进气管、进气道、进气门。
措施：减少各段通路对气流的阻力可以有效提高充量系数
c
。
1. 减少进气门处的流动损失
（1）进气马赫数的概念 定义：进气门处气流平均速度
Vm与该处声速 a 之比。
M
Vm a
显然，马赫数反映了气流的流速。进气门处马赫数越大，则气流流速高，
• 空气滤清器：油浴式滤清器阻力较大，而微孔纸质滤芯阻力较小；
要经常清洗滤清器；设计高效低阻滤清器。
二、减少对进气充量的加热
应尽量减小进气管、进气道、气门、气缸壁和活塞等受热零件 对新鲜充量的加热，可采取的措施有：
• 采取进、排气管两侧分开布置；
• 可采用工程塑料制成的进气支管，利于隔热。
三、降低排气系统流通阻力
第二章 发动机的换气过程
为提高发动机的转矩和功率，应尽可能提供多的空气量（多供一
些燃料是容易做到的），这样，燃烧放出的热量就会增加，从而
提高发动机的动力性。
上止点
因此，本章重点介绍发动机的换气过程， 以及研究如何提高发动机的供气量。
Vs
下止点
第三章介绍的“废气涡轮增压系统”，目的也是为了尽可能提高进气量。
pa' 、 Ta' 、pr ' 、 Tr '
由上式可见，影响
' '
p0
Vc
Vs' Vs
V
下止点
分别表示进、排气门关闭时缸内压力和温度；
c 的因素有进气状态（Ts、ps）、进气终了气缸压力和温度 （ pa 、 Ta ）、残余废气系数（ ）、压缩比（ ）及进排气相位角（ 、 ）。
1. 进气门关闭时缸内压力 p a '
60o
进气提前角
20o
缸内压力变化：进气行程初期，由于气门开启面积很小，活塞也开始向下运动，同时 又要克服气流的惯性，因此，缸内产生很大的负压；之后，压力和温 度逐渐上升；进气终了时，缸内压力接近或高于进气管内压力。
4. 气门重叠和燃烧室扫气 ：
过程描述：由于进气门的提前开启，以及排气门 的迟后关闭，所以存在进、排气门同 时打开现象，称为气门重叠。