发动机原理第六章 换气过程

关闭时期，进排气门同时开启 的现象称为气门重叠或气门叠 开，相应的曲轴转角，称气门 重叠角或气门叠开角。 因重叠角较小，进气门开启高 度不大，废气又具有一定的惯 性，所以废气不会倒流。
在气门重叠开启时，进气管、气缸和排气管
连通，利用压差和惯性更多地排出废气，减 少缸内的废气量，增加新鲜充量。特别是增 压发动机，其进气压力高，有一定数量的新 鲜空气直接扫过燃烧室，帮助清除废气后进 入排气管，扫气效果更明显。 对于化油器式汽油机，特别是怠速或部分负荷 时，因进气管真空度高，当气门重叠角过大 时，可能产生废气倒流（柴油机会有气门与 活塞相碰的问题）。
（2）进气门 进气系统中，进气门处的
M
vm a
通过断面最小且截面变化 大，因此流动损失大部分 集中于此。 进气马赫数M是决定气流 性质的重要参数。 大量实验结果表明，M有 一临界值0.5左右，超过 后，充气效率迅速下降。 增大气门相对通过面积、 提高气门处流量系数及合 理配置相位是提高充气效 率的主要方法，但要合理 控制M值。
2、强制排气阶段： 从自由排气阶段结束，活塞上 行至上止点，推出废气的一段， 为强制排气阶段。 排气速度与（压差）气门开启截 面、活塞速度有关。缸内压力大 于排气管压力，由气门节流引起。 此阶段虽持续时间较长，但由于 气缸内压力接近大气压力，气体 密度低，流速较慢，因此排出废 气量较少。
3、惯性排气阶段：

实际循环的换气 过程进行的时间 非常短暂，进排 气门的启闭由于 结构和动力负荷 等原因，不可能 全开或全闭。换 气时，工质是在 配气机构流通截 面不断变化的情 况下做不稳定流 动，气缸内工质 的温度和压力是 随时间变化的， 具有复杂的气体 动力学现象。
（一）排气阶段
排气阶段分为自由排气、强制排气和惯性排气三个

阶段。 1.自由排气阶段： 从排气门打开至气缸内压力接近排气管内压力为止 的一段为自由排气阶段。 由于排气机构惯性力的限制，若在活塞到达下止点 时才打开排气门，则气门开启初期开度较小，废气 不能流畅排出，活塞已开始上行，气缸内压力来不 及下降对活塞造成反压力，增加排气行程所消耗的 功。所以排气门提前打开（30～80°CA）。 从排气门开始打开到活塞到达下止点这段曲轴转角 称为排气提前角。
强制排气阶段接近终了时在上止点附近，废气尚有一 定的流动能量，可利用气流的惯性进一步排出废气。 同时，若排气门在上止点关闭，则其必须在上止点之 前就开始关闭，这样会产生节流作用，此时活塞还在 上行，增大气缸内压力，使排气消耗的功和废气残余 量都会增大。因此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。一般排气迟闭角为10-35°CA。
（二）进气阶段
进气阶段可分为准备进气、正常进气和惯性进气三个阶段。
1、准备进气阶段 为增加进气量，应尽可能增加进 气横截面积，减少进气抽吸功，进 气门应在上止点前、排气尚未结束 时提前打开，作好进气准备。从进 气门开启到活塞到达上止点的阶段 ，叫进气准备阶段。相应的曲轴转 角叫进气提前角，一般为5º ～ 20º CA。 由于进气提前角较小，相应开启 的通道截面也较小，加之缸内残余 废气压力高于大气压力，在此阶段 新鲜气体一般不会进入气缸。
最佳配气定时（相位）应随转速的变化而变
化。 固定式发动机以额定转速定配气相位； 需低速、大扭矩发动机，按大扭矩定配气相 位称低速调整； 需大功率发动机，按标定功率定配气相，称 高速调整。 现在有电子液压式和可变气门升程式可变配 气机构，能更适应要求，提高充气效率 。
§6.3 提高充气效率的措施
1、降低进气系统的阻力
发动机（非增压）的进气系统由空气滤清器、
进气管、进气道和进气门组成。 （1）减小进气管、进气道和空气滤清器的阻 力 进气管和进气道必须保证足够的流通面积、 管道内表面光滑、避免急转弯和流通截面突 变，以减少阻力。 进气管长度尽可能一致，保证每个气缸进气 均匀。尽可能使新鲜工质在气缸内形成涡流。
一、概念 1、 充气效率的实验测定
v
V V sh
式中：V为内燃机的实际充气量，由流量计测得。
Vsh为理论充气量，计算公式
V sh
Vh 1000
i
n 2
60
2、充气效率理论公式
v
实际进气量 在 PS T S 条件下理论进气量 ＝
－1

Pa T s Ps T a (1 )
v
实际进气量 在 PS T S 条件下理论进气量 ＝
－1

Pa T s Ps T a (1 )
由上式可以看出，进气状态、进气终了状 态、残余废气系数、压缩比和配气定时等 对充气效率有影响。 1、进气状态（大气状态） 进气温度Ts升高，进气压力Ps下降，均会 使进气的密度下降，绝对进气量减小。但 是由于充气效率是同一进气状态下的相对 值，所以进气温度和进气压力变化对充气 效率影响不大。
4、配气定时（配气相位）
其中，进气门的迟闭角对进气 终了压力影响最大。若进气迟闭角 不变，则转速高时，气流的惯性没 有完全利用；转速低时又会造成气 体倒流，从而影响进气压力与发动 机的正常工作。
配气定时（相位）是否合理？
（1）充气效率的变化是否符合动力性要求。




转速增大，迟闭角也应相应增大。 （2）换气损失是否尽可能的小。排气提前角 保证排气损失最小的情况下，尽量晚开 排气门。 （3）能否保证必要的燃烧扫气作用。气门叠 开角 （4）排放指标好。 应把排气门开启时间调到它能使活塞到 达下止点时气缸内压力和大气压力基本持平。
换气过程
进气过程
排气过程
目的：排出缸内废气并充入尽可能多的新鲜
工质。
燃料燃 烧做功 燃烧需要氧 气和燃料
燃料多少 控制容易
量控制
气缸工作 容积限制 进气量
学习过程
进、排气过程各阶段特点
本章内容
1、四行程发动机的 换气 2、影响换气性能的 因素 3、提高换气性能的 措施 4、二行程发动机的 换气
排气门刚开始时缸内压力Pb与排气管内压力
Pp之比往往大于临界值,排气的流动处于超临 界状态，废气以声速流过排气门开启截面。 排气速度达500～600 (m/s) 。 自由排气阶段在气缸内压力与排气管压力相 等时结束，大约在下止点后10-30°CA，时 间过长会增加强制排气活塞推出功，使排气 损失增大。若发动机转速增加，应适当增加 排气提前角。 自由排气阶段占整个排气时间不大，但流速 高，所以有60～70％废气排出。

F Cm f1 1
D Cm d 1 1



3.惯性进气阶段： 为了利用高速进气流的 惯性，增加充气量，减少功 耗，气缸在活塞运行到下止 点后才完全关闭进气门。 从活塞由下止点上行至进气 门关闭的一段，利用气流惯 性进气为惯性进气阶段。该 阶段曲轴转过的角度称为进 气迟闭角，一般为20º ～ 50º CA。
0
（三）气门重叠角
进气门提前打开和排气门落后
2、进气损失： 由于进气系统的的阻 力，气缸压力低于进气 管压力而损失的功，称 为进气损失，图中用C 表示。 与 排气损失相比较小。 合理调整配气定时，加 大进气门的流通面积正 确设计进气管道以及降 低活塞平均速度可以减 小进气损失。
排气损失与进气损
失之和为换气损失 （a+b+c),其中面积 （c+b-d）相对应 的负功为泵气损失 （？）。
二、四行程发动机的换气损失
换气损失即理
论循环换气功 与实际循环换 气功之差，包 括排气损失和 进气损失。
1、排气损失
排气门早开，直到进气
行程开始，气缸内压力达 到大气压力前循环功的损 失称为排气损失，它可分 为自由排气损失和强制排 气损失。
排气提前角越大，自由排气损失越大，但排
气下止点的缸内压力越低，强制排气的消耗 功损失越小，因此最有利的排气提前角应使 面积a+b值最小。 随转速的提高排气提前角应增大。 减小排气系统阻力及排气门处流动损失是降 低排气损失的主要方法。 排气背压每升高3.39kPa，增压柴油机油耗 增加0.5%，非增压柴油机增加1%。
空气滤清器的阻力随结构的不同而变化。
油浴式滤清器的原始阻力，对于小功率发动
机小于980Pa，中等以上功率大于980Pa； 随着使用时间的增加，阻力可增到2990Pa。 采用微孔纸质滤芯的原始阻力不大于390Pa， 但积尘以后阻力可增到3900-5900Pa。 必须在保证滤清效果的前提下，尽可能减小 空气滤清器的阻力：加大通过断面、改进滤 清性能、研制低阻高效滤清器等。 要经常清洗滤芯，特别是纸质滤芯的油污堵 塞，要及时更换滤芯。






2、进气终了状态 包括进气终了压力Pa和进气终了温度Ta。 进气终了压力：由充气效率公式知道，进气终了压 力Pa增大，则充气效率增大。 而进气终了压力大小取决于管道阻力系数和管道内 气体流速。 进气终了温度：进气终了温度Ta增大，充气效率减 小。 进气终了温度主要受转速、负荷、缸壁的冷却强度 及进气温度等的影响。
2、正常进气阶段：
活塞由上止点向下运动至下止点，因压差而进 气，为正常进气阶段。 初期气缸内残余废气压力仍高于大气压力，新鲜 空气不能进入气缸，当气缸内压力小于大气压力 后，新鲜空气才被吸入气缸。 由于进气门已提前开启，此时进气通道截面已开 启较大，保证大量新鲜空气进入气缸。 由于进气阻力，活塞到达下止点时，气缸内压力 仍低于大气压力。
如何评价换气过程质量
提高换气性能措施
§6.1四行程发动机的换气过程及损失 一、四行程发动机的换气过程
四冲程发动机配气机构均采用气门换气方式， 其换气过程包括从上一循环排气门开启到下一循环 进气门关闭的整个过程。运行时，要在短时间内使 排气干净、进气充足是比较困难的。 为了增加气门开启时间，充分利用气流的流动 惯性，减少换气过程的损失，改善换气过程，提高 整机性能，进排气门一般都是“早开晚关”，不受 活塞行程的限制。所以整个换气过程超过了两个行 程，占410°CA-480°CA。

式中： ε－压缩比 ；PS 、TS － 进气管内的压力和 温度；Pa、 Ta － 进气终了缸内压力和温度； － 残余废气系数

m ma
柴 =0.03~0.06 ，汽 =0.08~0.10， 二行程 =0.25 ~ 0.35 。充气效率小于1，一般为 0.75~0.9
二、影响充气效率的因素：
第六章 换气过程
目的：换气质量对发动机的动力性、经济性和排放指 标有重要影响。 本章的目的是研究换气过程的进行情况，分析影响充 气量的各种因素、从中寻找减少换气损失、提高充气量的 措施，以适应发动机日益强化的需要。 要求：掌握四冲程发动机的换气过程，了解进、排气 损失的相关内容；掌握充气效率的概念和影响充气效率的 因素，以及提高发动机充气效率的措施；掌握二冲程发动 机换气的基本过程和如何评价二冲程发动机的换气效果。
§6.2：充气效率及影响因素
评价发动机的换气质量，用残余废气系数和充气效率
来衡量。 残余废气系数是进气过程结束时气缸内的残余废气量 与气缸内的新气量的比值，用 表示。 充气效率是每循环实际进入气缸的新鲜充量与进气状 态下充满气缸工作容积的新鲜充量之比 v 来表示。又 称充气系数、充量系数、充量效率或容积效率。 充气效率是衡量不同发动机动力性能和进气过程完善 程度的重要指标。
3、残余废气系数和压缩比
气缸中残余废气量增多会恶化燃烧，使充气
效率下降。 残余废气系数主要受气门叠开角、压缩比、 排气终了废气压力、发动机转速等的影响。 汽油机在低负荷运转时，节气门小，新鲜充 量很小，残余废气系数大大增加，使燃烧不 完全，经济性变差。当前电控汽油发动机普 遍采用废气再循环技术，根据不同的工作状 态控制残余废气系数大小，从而控制尾气中 氮氧化物的含量。 压缩比增大，余隙容积Vc减小，残余废气量 减小，充气效率增大。