发动机原理 3章 发动机的换气过程

• 汽油机（量调节），
v
s 1 ps
pa a
1 1
• 负荷↓ →（节气门小）→ △pa ↑ → pa ↓ → ηv ↓ 。 • 负荷↑ → Pa增加（系数、速度），Ta略微增加，充气效率增加。
• 柴油机（质调节）负荷↑→ pa不变， Ta ↑→ηv基本不变或略微下降
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14
3、进气终了的温度 Ta ：
5、压缩比 ε ε↑→Vc ↓→残余废气量↓→ ηv↑
0.03～0.06 0～0.03 0.05～0.16
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6、配气定时
v
s 1 ps
pa a
1 1
由于进气门迟闭，有效容积系数ξ<1 ，新鲜充量的容积减小， 但pa值却可能因有气流惯性而使pa ↑，合适的配气定时应考 虑ξ* pa具有最大值。
k
Pb
k
1 k 1
1.813
Pr 2
声速C KRT
当Tr=700～
1100K时，可
达500～
700m/s
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6
• 亚临界排气：随着废气排出、缸内压力的下降排气流动转入亚临界排气， 此时废气流量决定于气缸内和排气管内的压力差，和气门有效开启面积
排气形式分类（按做功）：
• 自由排气阶段：从排气门打开到气缸压力接近排气管压力的这个时期。
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进气损失→X 三、换气损失 （W+X+Y） 排气损失
自由排气损失→ W； 强制排气损失→ Y。
• W:自由排气损失：由实际循环线外侧、理 论循环线内侧、Va的平行线所组成的面积， 在计算指示功时不记录此部分面积。是实际 循环相对于理论循环损失的部分，仅作为换 气损失而不是泵气损失的组成部分。
°～160 °； • 非增压发动机一般为20 °～80 °。
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5
换气过程详解
排气提前角
排气迟后角
一、排气过程
【180 ° + γ(30 °～80 °)+ δ （10 °～35 °）】≈（220 °～295 °）
排气形式分类（按速度）：
超临界排气：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。排气初期：排气为超临界状态，此时缸内废气压力约为 0.2～0.5MPa，Pb/Pr > 1.9（临界值），废气以当地声速c（m／s）流过排气 门开启截面。
•
进气状态s： 非增压发动机指节流阀前；
•
增压发动机，指增压器压气机出口的状态。
意义：ηv↑→m1 ↑→Q1 ↑→pme ↑→PL ↑→ Pe↑，即动力性可以提高
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10
•
二、影响充气效率的因素：
•
公式推导
•
1m、1 设，进则气进完气成终后了缸缸内内残总余工废质气质质量量m为a=mmr，1进+入m新r鲜，工质质量为
•
一般的角面值不变化（凸轮一定、气门升程规律一定），而时间变短，
时面值下降，换气过程就相对困难（阻力系数λ增加）。
• 在具体的发动机中，角面值一般不随转速而变化，则高转
10:1速4:1时6 ，时面值减小。
20
• 2、进气马赫数Ma：
Ma
=
v
m
/c，
v
m
=
vvs
Ft
• 进气马赫数Ma是进气门处气体的平均速度与该处声速c的比值。
则，加冬，天动与力夏性天提相高比。，冬天的充气效率低，但功率大，m1增
高原时（温度不变），充气效率不变，动力性下降（Pa下 降）。
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10.23
18
§3.3 提高充气效率的措施
• 从影响因素出发，提高充气效率的措施主 要有：
• 减小进气系统阻力：提高pa • 合理匹配配气相位：综合优化有效容积比
• 主要阶段及特点如下：
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3
• 配气定时（配气相位）图
1、排气提前角γ=30°～80 ° ：从排气门打开到 下止点这段曲轴转角。 作用：①在活塞上行时排气门有足够大的开启面 积，减小排气阻力； ②高温废气迅速排出可减小发动机热负荷；
2、排气迟闭角δ= 10 °～35 °：从上止点到排气 门完全关闭这段曲轴转角。
Ts/Ta↑， a v
充气效率有所增加。
一般情况下，充气效率与（Ts/Ta）m 成正比，m≈0.250.3.
转速增加，作用时间短Ts/Ta增加；负荷增加缸壁温度增加， Ts/Ta减小。
环境压力
Ps对充气效率没有影响。
Pa Ps
1 C1
Ps RTs Ps
1 C2
C3
Pa=ps-1/2λ*v2*ρs，两端同除以Ps， 可见，Pa/Ps在温度相同的情况下为常数，充气效率不变。
发动机原理
第三章 发动机的换气过程
本章目的： 了解换气过程的情况， 分析影响充气量的因素， 寻找提高充气量的途径。
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1
§3.1四行程发动机的换气过程
作用：尽可能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量 （m1） Q1 e L
对性能影响：影响到汽车的经济性、排放、噪声及乘坐的舒
n a （接触时间短）
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4、3、残余废气系数
v
s 1 ps
pa a
1 1
v ，而且使燃烧恶化。特别是①汽油机低负荷运转时（m1 ，mr
变化不大) 稀释可燃混合气，使燃烧过程缓慢 经济性和排放性能变
差。
范围：
四行程非增压柴油机 四行程增压柴油机 四行程汽油机
特点：自由排气阶段排出废气量与转速无关，时间虽短但占60%以上。 自由排气结束的标志为:Pb=Pr；在Pr＝C，Tr＝C，Vr＝C
• 强制排气阶段：克服排气系统阻力活塞强制推出废气（一般从下止点算 起）。
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二、 进气过程：进气门开启~关闭
作用：活塞下行、缸内容积增加、缸内压力下降。
v
s 1 ps
pa a
1 1
Ta =T0+ a Ta >T0 的原因是： ①高温零件加热； ②残余废气加热； ③进气预热。
a a v \在条件允许的情况下，应力求降低 Ta 值。例如，将
高温排气管与进气管分置于气缸两侧，控制进气预热，适当加大气门叠开角等， 均有利于降低 Ta
影响因素： 负荷 a
• 环境压力－缸内压力>进气系统阻力，吸入新鲜 工质。
• 提前角：0~40°CA 足够开启面积，阻力； • 迟关角：40~70°CA 利用气流惯性，多进气
随发动机工况变化，设计或控制最佳进气迟 关角，对改善发动机性能至关重要
(180º+ α (0-40º) +β（40-70º）≈220-390 °)
•
• 其中： λ——管道阻力系数；
•
ρ——进气状态下气体的密度（kg／ms）；
•
v ——管道内气体的流速（m/s）。
• 可见，△pa主要取决于管道阻力系数与气体的流速。
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• 二、影响充气效率的因素
• 1、转速的影响
v
s 1 ps
pa a
1 1
• 若n ↑→ （ λ + v ）↑→ △pa ↑→ pa↓→ ηv ↓（对比汽、柴充气效
下图随进气迟关角的增加峰值的外包络线逐渐下降（ξ↓）
随进气迟关角的增加峰值越靠近高速区域。
合理匹配β可以改变发动机的扭矩特性，功率特性。
ηv
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进气迟关角β↑
n
17
10.20 7、进气或大气状态Ts、Ps
环境温度Ts
v
1
s ps
pa a
1
1
随环境温度的增加，环境温度与缸壁等热部件的温差减小，
率图、Pa图）
• 两端低（自然中间就高了），出现的峰值转速决定于进气迟关角。
• 低速时，由于进气流速低、惯性小，活塞上行时进气反流。
• 高速时，时间短，进气惯性没完全利用，同时进气阻力降增加，下降更 剧烈
• 柴油机无节气门λ小，所以充气效率高且下降平坦。
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柴油机
汽油机
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• 2、负荷的影响（n一定）
Ps RsTs
Va Vs
•
4、因为PV＝mRT，有P/RT=m/V＝ρ；Va/Vc=ε，
•
Vs/Vc=(Va-Vc)/Vc= ε-1
•
5、将3式分子分母同除以Vc，且对于理想气体有Ra为常数，可
以推出
•
v
s 1 ps
pa a
1
1
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11
•
二、影响充气效率的因素：
v
1
s ps
pa 1
适性等。
要求：尽可能合理地延长换气时间：发动机换气过程包括排
气过程和进气过程。理论上进排气各占180°（合计360 ° ）曲轴转角。
实际上由于发动机转速高，一个行程的历时只有
60/（6000*2）＝0.005s=5ms， ∵时间短→充气不足，排气不净→ Pe↓。 ∴要尽量延长进、排气时间（换气过程)，即扩大进、排气的
• 使得W+Y的面积最小可以降低换气损失，从而提高发动机的性能
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§3.2 四行程发动机的充气效率
• 一、充气效率定义： • 充新气鲜效工率质：量实（际m进s）入的气比缸值的。新鲜工质量（m1）与进气状态下充满气缸工作容积的 • 测量方法： • 充气效率可直接测定，用空气流量计测出发动机每小时实际充气量m1（kg/h） • 理论充气量ms（kg/h）由下面的公式算出：
作用：利用压力差和废气流惯性尽可能排净出废 气。
3、进气提前角α=0 °～40 °：从进气门打开 到上止点这段曲轴转角。
作用：在活塞下行时进气门有足够大的开启面 积，新鲜工质可以顺利流入气缸；冷却燃烧室 壁面以降低Ta提高充气效率。
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4
• 4、进气门迟闭角β=40 ° ～70 ° ：从下止点到进气门关闭这段曲 轴转角。
和惯性进气。
• 减小排气系统阻力：降低残余废气系数 • 减小进气加热：降低Ta
v
s 1 ps
pa a
1 1
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•
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
一、减小进气系统的阻力（Pa）
•
一）减小进气门处的阻力
•
在整个进气系统中，进气门处的流通截面最小且截面变化最大，因此
增大此处的流通能力并减小流动损失一直是人们关注的重点。
a 1
• 可见，影响充气效率的因素有：环境温度和压力Ts,Ps、进 气终了的气缸温度和压力Ta,Pa、残余废气系数r、压缩比ε 及气门正时引起的有效进气体积系数ξ等。
• 进气终了的压力pa
pa v
•
式 （中 kP，a）。pa
V 2
2
pa = ps pa
为气体流动时，克服进气系统阻力而引起的压降
曲轴转角。
组成：从排气门开启--进气门关闭的整个时期，约占
410º～480º曲轴转角。一般分作自由排气、强制排气、 进气和气门叠开四个阶段。
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2
• 配气定时（配气相位）：
进、排气门开、关的曲轴转角 时刻称为配气定时（相位），
• 用相对上、下止点的曲轴转
角的环形图来表示则称为配 气定时图。
• 作用：利用高速气流的惯性和压力 差在下止点后继续充气，增加进气 量。
• 5、气门叠开δ + α ：由于排气门 的迟闭和进气门早开，存在进、排 气门同时打开的状态，称为气门叠 开（气门重叠）。
• 作用：扫气，清除残余废气，减小 残余废气系数；
• 降低高温零件的温度（降低Ta提高 ηv）
• 但要保证不应产生废气倒流现象。 • δ + α范围：增压发动机可达 80
• Y：强制排气损失，由排气线、P0线、 Va 的平行线组成的面积。是理论循环与实际循 环损失的一部分，也在实际循环中作为负功。
• X：进气损失：进气线、压缩线、P0线组成 的面积。是换气、泵气损失的组成部分。
• （X+Y-d）的面积称作泵气损失
• 在所有损失中排气损失为绝大部分，因此适当匹配排气提前角，
• 平均流速vm：实际进入气缸的新鲜充量与进气门有效时面值F（t）之比，
F(t) m
1、时面值、角面值（气门开启丰度）
•
定义：整个气门开启过程中开启面积对时间、角度的积分称为时面值、
角面值。代表了气门总的开启面积，也可以反应气门开启的丰满程度
φ（流通能力）。
=
•
fdt 1 fd
6n
fdt fd
h t h
=6nt；
f：dt内气门开启的面积
•
与凸轮升程规律（气门升程规律）、气门密封锥角有关。
• •
ms
Vs s i
n 60 2
s 30inVS
式中：Vs——气缸工作容积（m3）； i——气缸数；
• •
v
m1 mS
V1 VS
n——发动机转速（r／min）。 ρs——进气状态下气体密度
式中：m1、V1——实际进入气缸的新鲜工质的质量、体积（进气状态）；
•
ms、Vs——进气状态下充满工作容积的新鲜工质的质量、气缸工作容积。
•
令残余废气系数r = mr/ m1 ，则有
•
m1 = ma /（1+ r ）
•
2总、容令积进V气a的终比了值时为气ξ缸<内1的（总有容效积进气V΄体a（积有系效数进，气因容为积进）气与迟气闭缸角，
•
ξ<1） 3、有
v
m1 ms
ma ms (1 r)
a Va' (1 r) s Vs
1 r
Pa RaTa