热力发动机原理-换气过程

4.无泵气损失， 4.无泵气损失，但机械效率较低 无泵气损失 二冲程内燃机因无单独的进排气行程，泵气损失为零。 但空气耗量大，扫气泵耗功多，其机械效率一般比四冲程内 燃机的低，燃料消耗率较高，但增压后，二冲程内燃机的燃 料消耗率可接近或略高于四冲程内燃机的燃料消耗率。 5.采用纯燃气涡轮增压较困难 5.采用纯燃气涡轮增压较困难 由于二冲程内燃机的扫气空气耗量较大，新鲜充量部分渗 入燃气，使涡轮增压器前的排气温度降低，排气可用能下降， 所以涡轮增压二冲程内燃机的排气能量平衡问题比四冲程内 燃机更难解决，特别在启动、低负荷时这一矛盾更为突出。 二冲程内燃机一般采用辅助扫气泵、活塞底泵或机械增压器 与燃气涡轮增压器联合供气的办法来解决这一矛盾。
一般大功率四程机的空气耗量为6.8～7.6kg/(kW·h)，二程 柴油机则为10.2～11.5kg/(kW·h)。在 功率大体相同时，二冲程 内燃机匹配的涡轮增压器比四冲程内燃机的大。 2. 换气质量较差，残余燃气系数较大，排气压力波动强烈 换气质量较差，残余燃气系数较大， 四冲程内燃机的进、排气过程在两个不同的活塞行程内进 行，新鲜空气与燃气掺混的机会较少。二冲程内燃机换气时活 塞在下止点附近，进、排气过程同时进行，新鲜空气与燃气易 于掺混，换气质量较差，残余燃气系数比较大。二冲程内燃机 气口开闭由活塞控制，启闭速度比气门快，排气开始时缸内压 力比四冲程内燃机的高，因此，排气压力波动现象较四冲程内 燃机强烈，进排气系统对换气的影响较四冲程内燃机的大。
气口气门直流扫气
气口气口直流扫气
1）气口气门直流扫气 ） 如图所示，它的优点是：扫、排气相互混合较少，故扫气 效率高；由于它是非对称扫气，故可进行补充充气；扫气口可 布置在缸套的全周上，这可使气口高度减小，减少失效行程。 这种扫气方式是最好的，低速、中速、高速内燃机上均有采用。 由于扫气效果好，气缸新鲜充量多，便于增压，目前，广泛应 用于加长行程的低速机型上。缺点是结构较复杂，四冲程内燃 机中气门机构基本保留，尚需加扫气泵，排气门尺寸大，这对 高速化不利，解决的办法是采用多个排气门减小排气门尺寸， 但这会使气门机构变复杂。 2） 气口气口直流扫气 一般在对顶活塞式内燃机中采用气口气口直流扫气方式， 每个气缸有上下两个相对运动的活塞，扫气口的启闭由下活塞 控制，排气口的启闭由上活塞控制。扫排气口各占气缸一端，
2）活塞接近上止点时，流出的废气还有一定的速度，如果 此时排气门流通面积太小，阻力将增加，则缸内气体压力会 回升，这既增加了排气损失，也增加了缸内残余燃气量。因此， 一般在上止点后的点10～70℃A关闭排气门，称为“排气延迟 角”。在排气延迟期间，可以利用排气管内的气流惯性将从气 缸中抽吸废气，为防止活塞下行时倒流，当p＝pr时，排气门关 闭最理想。 进气阶段（进气门开启至进气门关闭，即φ1～φ2） Ⅲ. 进气阶段 ①为了减少进气阻力，增加进入气缸的充量，满足扫气的要 求，进气门一般应在上止点前15～70℃A开启，称为“进气提前 角”。 ②当活塞下行至下止点，由于进入缸内的气流有一定的流动 惯性可以补充进气，故进气门 一般在下止点后20～80℃A关闭， 称为“进气延迟角”， 这样可使进气过程终了时，缸内压力等 于
Ⅲ.过后排气阶段（C～E） 在点C扫气口先关闭，排气口延迟到点E关闭，则形成额 外排气。反之，如果在点C时排气口先闭，扫气口延迟到点E 关闭，则是额外充气。 二冲程内燃机同样具有进气、压缩、燃烧、膨胀和排气 过程，与四冲程相比，不同的是这些过程只用两个活塞行程 来完成。差别较大的是换气过程。与四冲程机相比它有以下 特点：
使之在下止点时气门开启面积较大，有利排气。 2）排气门刚开启时，缸内废气压力p尚高，往往出现超 临界流动，此时排气流量此时只取决于缸内的气体状态和排 气门有效开启截面积的大小，与排气管内的气体状态无关。 排气继续，逐渐转入亚临界流动状态，到某一时刻，当p＝pr 时自由排气阶段结束。一般希望在下止点后10～30℃A，如 果拖的太长，会增加排气阶段的活塞推出功，增大排气损失。 Ⅱ. 强制排气阶段（p＝pr至排气门关闭，其中p＝pr～φ4） 1）当p＝pr后，必须在活塞上行的推挤下缸内废气才能克 服排气系统阻力（排气门、排气道、排气管、消声器）。
或略高于进气管压力。 ③ 利用补充进气可以有效的增加进缸空气量，但也损失 部分压缩行程，使压缩终点温度下降，增加启动困难的程度。 气门重叠和燃烧室扫气阶段（进排气门在上止点附近 Ⅳ. 气门重叠和燃烧室扫气阶段 同时开启时，即图中φ1～φ4） ① 在此阶段进排气门重叠，（同时打开）重叠角一般为： 非增压20～50℃A，有扫气的增压柴油机：80～160℃A。 ② 在重叠期间：如进气管压力ps > 排气管压力pr ，则 新鲜空气利用压差流入气缸驱赶废气，并与之混合流入排气 管。这既有利于清扫残余废气增加进缸空气量，又有利于降 低燃烧室周壁零件的热负荷，对增压柴油机还可以改善废气 涡轮叶片的工作条件。如ps<pr发生废气流入进气管。
3.排吸能力强，但变工况适应性差 排吸能力强， 排吸能力强 四冲程内燃机的进、排气门和进、排气道均布置在气缸盖上 ，气门尺寸和气道的流通截面受到一定的限制。增加活塞行程， 提高内燃机的转速，将引起气门和气道处的气流速度和流动阻力 增加，超过一定的值会显著降低内燃机的充气系数。二冲程内燃 机由活塞控制缸壁上扫气口的启闭，扫气口的高度与活塞行程成 比例。直流扫气二冲程内燃机缸盖上只布置排气门，其尺寸和气 道截面显著大于同缸径的四冲程内燃机的尺寸和气道截面，有利 于提高排吸气能力，增加比功率。 二冲程内燃机的气口设计、换气过程参数的选择一般以一定 的转速为依据，运行工况离开这一转速时，耗气量、空气流速、 进、排气管内气体状态都会随之变化，影响换气过程。因此，二 冲程内燃机只能在较窄的转速范围内保持良好的换气品质，对工 况变化适应性差。额定转速越高，换气过程的组织越困难。
并利用关系式Vg′＝εVc、Vs＝（ε－1）Vc，则变为了下面的 分析式： pg ' T ε 1 s ηv = ξ • • • ps Tg ' ε − 1 1 + γ r 式中，Ts、ps――进气参数；ε――结构参数，由运转条件 和结构设计决定；pg′、Tg′、γr和ξ――参数，与进排气阻力、 进气加热程度、运行情况和气门定时相关。 3. 扫气效率 s 扫气效率η 扫气效率是换气过程结束后，留在缸内的新鲜空气质量mL与 缸内全部混合气质量mg的比值，即 ηs=mL/mg ηs 是衡量扫气效果优劣的重要标志。ηs 越大扫气效果越好， ηsmax ＝1。 mk v0 mk ϕ0 = =
弯流扫气型式 (a) 横流扫气； (b)回流扫气； (c)、(d)半回流扫气
1） 横流扫气 如图 (a)所示，有一部分空气直接流出，使换气质量下降，左 侧冷空气冷却右侧热空气，加热、受热不均匀，易变形，但结构 简单，中小内燃机上仍有应用。 2） 回流扫气 图 (b)所示的为回流扫气系统示意图，扫气效果较好，右侧空 气密度高，左侧废气密度小，不易掺混，有部分空气易直接短路 流出，活塞失效行程较大。 3） 半回流扫气 半回流扫气的结构与扫气效果介于横流扫气和回流扫气之间 ，如图 (c)、(d)所示，扫气效果较好，活塞失效行程较小，应用 也较多。 2.直流扫气 直流扫气
总的来看，二冲程内燃机适用于工况较稳定的低速大型 船用动力和大型发电机组动力。四冲程内燃机适合作变工况 运行的车用、船用动力。 小型内燃机强调结构简单、重量轻、零件少，可以采用 曲轴箱扫气的二冲程内燃机方案。
三、二冲程柴油机的换气型式 可分为弯流扫气和直流扫气两大类。 1.弯流扫气 1.弯流扫气 根据气口布置型式不同弯流扫气又可分为横流扫气、回流扫 气、半回流扫气.
气口高度不受限制，故气口面积不仅比弯流扫气的大，也比 气口气门直流扫气的大。扫气空气与燃气混合较少，缸内没 有燃气死区，换气效果好，排吸能力强，能适合高速强载内 燃机的需要。利用上下活塞的不对称运动，可避免额外排气 损失，也可实现气缸额外充气。但结构复杂，制造成本高， 缸套热负荷严重，随着增压度的日益提高，这一矛盾更尖锐， 严重地限制了该种机型的发展。 扫气型式、气口的布置、气口的结构参数、气口时面值 对二冲程内燃机的换气质量影响很大，设计时可根据用途与 要求参考相似机型，采用计算与试验相结合的方法来确定。
1. 换气角度小，时间短，但气门重叠角大，耗气量大 换气角度小，时间短，但气门重叠角大， 二冲程内燃机换气角为120℃A～160℃A，四冲程机换 气角为400℃A～500℃A。为换气干净， ① 二冲程内燃机装有扫气泵以提高扫气空气压力；只有单 缸小缸径内燃机才用曲轴箱扫气的型式。 ② 二程机一般取进、排气门重叠角为70℃A～90℃A，占整 个换气角度的60～70%，而非增压四程机的气门重叠角一般 为20℃A～70℃A，约占整个换气角度的3～8%，增压四冲 程内燃机的气门重叠角一般为80℃A～150℃A，约占整个换 气角度的20～30%。因而有更多的新鲜空气在进、排气重叠 期间从排气口(门)流出，这必造成二程机耗气量大。
四冲程内燃机的配气定时图
二、二冲程柴油机换气 过程与换气型式 根据二冲程内燃机换 气过程的特点，如图6－ 32所示，通常把换气过程 分为三个阶段： Ⅰ自由排气阶段； Ⅱ扫气及强制排气阶段； Ⅲ过后排气阶段。
二冲程内燃机换气过程的阶段划分 (c) 换气过程中缸内压力随曲轴角变化
Ⅰ.自由排气阶段〔排气口(门)开启B点～扫气阶段气缸内平 均压力pmg点(图中点R)〕 如图所示，排气口打开时，p>pr很多，在压差下废气流出气 缸，开始时B点到K点为超临界扫气，K点到R点为亚临界排气； 自排气口（门）开启B点～扫气口开启D点，这一段又叫作初期排 气阶段，此时，缸内压力pd 大于扫气压力pk，但不会倒流，因此 时扫气口开度小，排气口开度大，废气会迅速流向排气系统。 Ⅱ. 扫气与强制排气阶段（R～C） 此阶段开始时，扫气口开度很小，排气口已大开，由于活塞 下移，燃气迅速外流，所以缸内气体压力由点R急骤降到点R′（ 低于pr），而此时扫气口开度已加大，流阻减小，扫气空气急速 流入气缸，将倒流入气缸的燃气强迫挤出，使缸内气体压力迅速 上升到点R″。在R″～C段扫气口和排气口的开度均较大，实现换 气。
四、二冲程内燃机换气质量的评价指标 残余废气系数ห้องสมุดไป่ตู้ 1 残余废气系数γr 残余系数γr定义为：进气过程结束时，气缸内残余的燃 气量mr比上实际进入气缸内的新鲜空气量mL，即 γr=mr/mL
ηs =
mL mL 1 = = mg mL + mr 1 + γ
表示扫气效率ηs与残余燃气系数γr的关系。 充气系数（或称为充气效率η 2 充气系数（或称为充气效率ηv） 充气系数ηv定义为进气过程结束时实际进入气缸的新鲜 空气质量mL 与进气状态下能充满气缸工作容积Vs 的新鲜空气 质量ms之比即： RTs m ηv = L = mL ms psVs
第四章 柴油机的换气与增压
4－1 四冲程柴油机的换气过程 － 一、换气过程的分析
图4－1 在换气过程中压力p、排气管压力pr、进排气门 相对流通面积Fv/Fvmax随曲轴转角φ的变化
由图可知，四冲程机的换气过程中，排气过程自下止点前 的点b’点打开，至上止点后的点r″关闭；进气门自上止点前的 点r′打开，至下止点后的点g″关闭。在上止点附近,进排气门同 时开启，新鲜充量从进气管流入气缸，把燃气赶向排气管，实 现燃烧室扫气。 根据换气过程的特征，常将四冲程内燃机的换气过程分作 如下四个阶段： Ⅰ、自由排气阶段（自排气门开启时起至缸内压力p和排 p 气管内压力pr相等的时刻） 1）如果排气门正好在下止点方打开，这时的气门流通截面 积小，废气不能很快从气缸流出，气缸压力也不能很快下降， 会增加活塞上行排气时的阻力，增大排气损失。一般排气门都 设计在下止点前的30～80℃A处打开，称为“排气提前角”，