第4章_换气过程与循环充量

主要内容
1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响
1)充量系数c的定义
Department of Automotive Engineering
Ningxia University
c=实际进气质量/ 理论进气质量
新鲜空气量而非混合气量
3. 充量系数的定义及影响因素
4. 进排气动态效应
Toyota VVTL-i
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Toyota’s VVTL-i is the most sophisticated VVT design. Its powerful functions include: Continuous cam-phasing variable valve timing 2-stage variable valve lift Applied to both intake and exhaust valves
1. Better fuel efficiency
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Less pumping loss
Cylinder deactivation Improvement is up to 10-15% Ramming effect during high engine speed Improvement is up to 20%
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排气过程 (=240~260) 自由排气阶段(超、亚临界): 1/3
1
3. 充量系数的定义及影响因素
4. 进排气动态效应
亚临界流量：
m Fu F 2 pe e p 2 / k p ( k 1) / k k c c p p k 1 e e
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VTC-Variable Timing Control=可变正时控制
1.8L i-VTEC
i-VTEC 比 VTEC的进步之处在于： 连续可变相位与重叠角和两阶段的 可变升程
可变配气正时技术(VVT)
主要内容
1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响
Department of Automotive Engineering
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2)充量系数c的影响因素 流动阻力（pa） 沿程损失（次）＋局部损失（主）
l u 2 p y d 2
3. 充量系数的定义及影响因素
第二部分：燃烧与排放
第6章 燃烧的基础知识 第7章 柴油机混合气形成与燃烧 第8章 汽油机混合气形成与燃烧 第9章 有害排放物的生成与控制 第10章 新燃烧方式与替代燃料动力
换气(Gas exchange)过程
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3. 充量系数的定义及影响因素
4. 进排气动态效应
换气过程: 从膨胀冲程末期排气门开启 时算起，直到进气门关闭时为止，大约为： 410º CA~480º CA
主要内容
1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响
1) 换气过程与换气系统
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4. 进排气动态效应
K aTs Rs c (ε 1) ps
ps Δpa Δpζ pr' ψ ζε Ra' (Ts ΔTa' ) Rr'Tr'
进气温升
进气门晚关系数:
Va ' / Va 1
Vr ' / Vc 1
排气门晚关系数:
括号内第一项与进气相关，影响大 括号内第二项与排气相关，影响小
第1章 性能指标与影响因素 第2章 燃料、工质与热化学 第3章 工作循环与能量利用 第4章 换气过程与进气充量 第5章 运行特性与整车匹配
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1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响 3. 充量系数的定义及影响因素 4. 进排气动态效应
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汽车发动机原理
Automotive Engine Fundamentals
陈 勋
宁夏大学 汽车工程系
点燃式和压燃式内燃机 工作过程、燃烧理论、性能分析及参数调控
讲课内容
第一部分：动力输出与能量利用
主要内容
可变配气正时技术(VVT)
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怠速/加速加浓
Miller循环
相位和升程都可变，但不是连续可变
Cam-phase changing + Cam-lift changing VVT (Honda's i-VTEC )
ma ma g V1 c sVs sVs g Vs
(1) 标准状态大气密度(自吸式) (2) 压气机后增压空气密度 (增压式)
c的测量方法：
实测ma（热线、孔板、层流、涡列流 量计）(质量流量法） 测进气管内气体状态参数，如温度、压 力，求出ma (速度密度法）
主要内容
4. 进排气动态效应
结论： 自吸式发动机的 Δpa/ ps为0.1~0.2
空气滤清器损失 节气门前流动损失 节气门节流损失(P) 进气门节流损失(W)
p j
u 2
2
WOT 节气门全开 Part throttle
汽油机中、低负荷 时Δpa更大
Δpa为c的最大影响 因素
进气系统流动损失 Pumping Loss？
3. 充量系数的定义及影响因素
4. 进排气动态效应
4) 进气晚关角ac
过小，惯性利用不够 过大，新气推回进气管 对进气充量c影响大 存在最佳ac
主要内容
1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响
5) 气门重叠(overlap)
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3. 充量系数的定义及影响因素
4. 进排气动态效应
主要内容
1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响
2) 排气晚关角ec
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过小，惯性利用不够 过大，废气倒流
存在最佳ec 3) 进气早开角ao 过小，进气不够 过大，废气倒流进气管（回火） 存在最佳ao
主要内容
1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响
1) 排气早开角eo
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影响自由排气损失和泵气损失, 但 对c影响不大 存在最佳eo: ( p自排＋p排泵)min 转速增加, eo适当增大(提前)
2. Increased torque output
3. Elimination of external EGR 4. Reduced emissions Reduction of NOx is up to 40%


Reduction of HC is up to 15%
Reduction of CO is up to 5%
pc 1 pe 2
1.83
强制排气阶段: 2/3 进气过程 (=230~265) 核心问题是充量系数c的问题 气门重叠过程 (=0~80)
超临界流量(雍塞流,choking flow):
mmax K
pc Ft Tc
注意：对超临界流，下游条件(压力、 温度)不影响流量
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自吸式汽油机<40, 太大易回火
自吸式柴油机～60 增压柴油机＝80～160：扫气可以 降低缸内残余废气；冷却降低热负荷
3. 充量系数的定义及影响因素
4. 进排气动态效应 结论：
随转速升高，最佳相位角应增大 四个相位角中，进气晚关角对充量系数影 响最大，排气早开角对换气损失影响最大
1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响
1)充量系数c的定义
c的解析式：
混合气空气量比 例系数
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进气系统流动损失 (ps－pBTD) 进气晚关压升
3. 充量系数的定义及影响因素
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3. 充量系数的定义及影响因素
4. 进排气动态效应
换气系统：(进气＋燃烧室＋排气)系统； 开式热力系统（增压机和有排气后处理装 置时更复杂）
主要内容
1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响
2) 换气过程分期
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宝马(Valvetronic+VANOS) 可变气门正时： 连续可变气门相位、重叠角 和升程 缸内直喷技术(化学计量比)
Perfect！
Benefits from cam-variable to camless
换气过程：充入新气和排出废气的全过程 周期性、非稳态流动过程(准周期流quasi-flow) 非常复杂 新鲜充量(charge)是决定发动机输出功率“量”的因素
Pe ηet Gm H um
换气过程的目的：
Hu ps 2in ηc ηt ηm ( )cVs ( )( ) a l0 RsTs τ
最大限度地吸入新鲜充量—c是核心问题 保证各缸进气均匀 减小换气损失 在缸内形成合理的流场，以控制混合气形成和燃烧(第二篇)
主要内容
1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响
1) 换气过程与换气系统
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最佳相位角，增压机与非增压机不同
气门重叠角：汽油机＜柴油机＜增压机
可变配气正时(Variable Valve Timing)分类
Classification of VVT:
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(1) 凸轮可变 Variable Cam Profile Cam-Phase Changing 可变相位 Cam-Lift Changing 可变升程 Cam-Phase+Cam-Lift Changing 可变相位和升程 (2) 无凸轮 Camless Electromechanical 电机控制 Electrohydraulic 电液控制 Electromagnetic 电磁控制
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可变配气正时技术(VVT)
Toyota VVT-i
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相位连续可变，但升程不可变
Gear Thread
The word "Intelligent" emphasizes the clever control program. It not only varies timing according to engine speed, but also considers other conditions such as acceleration, going up hill or down hill.