2发动机原理B-第二章发动机的换气过程-2012解析

发动机原理

武汉理工大学

汽车工程学院

刘志恩

lzen@

2012年6月

目录

☐绪论

☐第一章发动机的性能

☐第二章发动机的换气过程

☐第三章燃料与燃烧

☐第四章汽油机混合气的形成和燃烧☐第五章柴油机混合气的形成和燃烧☐第六章发动机的特性

☐第七章发动机电控燃油喷射（EFI）☐第八章发动机废气涡轮增压

☐第九章排气污染及控制

第二章发动机的换气过程

☐发动机的换气过程包括排气过程和进气过程，其任务是排除缸内废气并充入尽可能多的新鲜工质。

☐每循环进入气缸的新鲜工质（充量）量愈多，燃烧后才能放出更多的热，从而增大发动机功率和转矩，这是保证发动机动力性能的前提和关键。

第一节四行程发动机的换气过程

☐一、换气过程

➢四行程发动机换气过程包括从排气门开启直到进气门关闭的整个时期。

➢进排气门一般提前开启，迟后关闭，整个换气过程约占410°～480°曲轴转角。

➢一般将换气过程分作自由排气、强制排气、进气和

气门叠开四个阶段

换气过程自由排气强制排气进气

气门叠开

➢1. 自由排气阶段（超临界与亚临界状态）

◆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

◆排气门是在活塞到达下止点之前开启，从排气门开

始打开到下止点这段曲轴转角，称为排气提前角，

一般为30°～80°曲轴转角。

◆此时缸内废气压力约为0.2～0.5MPa，缸内压力与排

气管压力之比往往大于临界值1.9，排气的流动处于

超临界状态，废气以当地声速c流过排气门开启截面，当排气温度为700-1100K时，声速可达500-700m／

s

◆在超临界排气时期，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。

◆在超临界排气时期，废气流量与排气管内压力无关，只决定于气缸内气体的状态和气门有效开启面积；

◆随废气的大量流出，缸内压力迅速下降，排气流动转入亚临界状态，此时废气流量决定于气缸内和排气管内的压力差。到某一时刻，气缸内和排气管内的压力接近，则自由排气阶段结束；

◆自由排气约在下止点后10°～30°曲轴转角结束，由于此阶段废气流速很高，故排出废气量达60%以上；

◆当排气门开启，废气涌向排气管时，排气管压力急剧上升，产生正压力波并在管内往复传播和反射。自由排气阶段超临界状态

亚临界状态

➢2. 强制排气阶段

◆此阶段废气是由活塞上行强制推出。由于要克服

排气门、排气道处的阻力，缸内平均压力比排气管平均压力略高一些，一般高出10kPa左右。气

流的速度愈高，此压差愈大，耗功愈多。

◆为了利用高速气流的惯性排除废气，排气门是在

活塞过了上止点后才关闭。从上止点到排气门完全关闭这段曲轴转角，称为排气迟闭角，一般为10°～35°曲轴转角。

◆为何需要排气迟闭角：

✓否则，产生较大的节流作用，致使缸内压力上升，结果排气消耗的功和残余废气量增加；

✓利用惯性继续排气

➢3. 进气过程

◆准备进气：进气提前角：进气门一般在上止点前

0°～40°曲轴转角开始打开，以保证活塞下行

时有足够大的开启面积，新鲜工质可以顺利流入

气缸。

◆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：进气门一般在下止点后

40°～70°曲轴转角才关闭，以利用高速气流的惯性，在下止点后继续充气，以增加进气量。

➢4．气门叠开

◆由于排气门的迟后关闭和进气门的提前开启，存

在进、排气门同时开着的现象，称为气门叠开

◆此时进气管、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。

◆在非增压发动机中，叠开角一般为20°~80°曲

轴转角

◆将进、排气门开、关角度以及相对上、下止点的

位置画出，称为配气定时图。

二、换气损失排气损失图3-2 四行程发动机的换气损失

W:自由排气损失；

X:强制排气损失；

进气损失

Y:进气损失；换气损失：X+Y+W

泵气损失：X+Y-u

☐二、换气损失

➢换气损失是由排气损失和进气损失两部分组成，如下图所示（W+X+Y)

➢1. 排气损失：从排气门提前打开直到进气行程开始，缸内压力到达大气压力前循环功的损失，包括W+X

◆自由排气损失（W）：因排气门提前打开，排气

压力线从p

b ’点开始偏离理想循环膨胀线，引起膨

胀功的减少

◆强制排气损失（X）：活塞将废气推出所消耗功◆随着排气提前角的增大，W增加，X减小，最有

利的排气提前角应使面积（W＋X）之和为最小➢2. 进气损失（Y）：由于进气系统的阻力，进气过程的气缸压力低于进气管压力，损失的功相当于Y所表示的面积，称为进气损失◆泵气损失：（X+Y-u）

排气提前角对排气损失的影响➢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+X）

之和最小。