第二章 发动机的换气过程

一、降低进气系统的流动阻力
发动机的进气系统是由空气滤清器、进气
管、进气道和 进气门 等组成。 减少各段通道的阻力，增大其流通能力， 是提高充量系数，改善发动机性能的主要 途径。
1．减少进气门处的流动损失 （1）进气马赫数M
进气马赫数M是进气门处气流平均速度vm与 该处音速a之比，即M=vm/ a 。 M是决定气流流动性质，影响充量系数的重 要参数。 M>0.5左右， c急剧下降。
第一节 四冲程发动机的换气过程
自由排气阶段
换气过程
强制排气阶段
进气过程
燃烧室扫气 排气损失
换气损失
进气损失
上止点
下止点
一、换气过程
四冲程发动机的换气过程包括从排 气门开启到进气门关闭的全过程， 约占410~480º CA。 换气过程可分为自由排气、强制排 气、进气和燃烧室扫气 4个阶段 。
4）残余废气系数r
mr r m1
ma (1 r )m1
5）充量系数表达式
m ( V V m1 1 1 a c s ) a c ms 1 r ms 1 r Vs s
1 p a Ts c c 1 1 r p s Ta
排开排关进关二、充量系数 c的表达式 进气终了时： p a、Ta、 a
进气状态下： p s、Ts、 s
1）进气门关闭时，缸内气体总质量
ma (Vc Vs ) a
2）排气门关闭时，缸内残余废气的质量

3）充入气缸的新鲜充量的质量
mr Vr r
m1 ma mr
强制
Y
排关
排气损失
进关
进气 损失
X
1、排气损失
排开
定义 : 从排气门提前开启
，直到进气过程开始，缸 内压力到达大气压力前 循环功的损失。
构成:
a.自由排气损失W：
排关
由于排气门提前打开 而引起的膨胀功的减少。
b.强制排气损失Y：
活塞将废气推出所消 耗的功。
最有利的排气提前角应使面积（W+Y）之和
二、减少对进气充量的加热
凡能降低活塞、气门等热区零件的温度和 减小接触面积的措施都有利于减小对新鲜充量 的加热。增压发动机的燃烧室扫气、油冷活塞 以及柴油机进、排气管分别置于缸盖两侧，都 是减小对新鲜充量加热有利措施。
三、降低排气系统的阻力
减小排气门座、排气道、排气管、消声器 等排气系统的阻力，可以使气缸内的残余废气压 力下降，从而可以减少残余废气系数，有利于充 量系数提高。

（2）减小气门处流动损失
增大进气门直径
增加进气门数目
措施
改善气门处流体 动力性能 改进配气凸轮型线 适当增加气门升程
1) 增大进气门直径
由于进气过程的重要性，一般应尽可能布置较 大尺寸的进气门，以降低流经进气门截面时的气 体流速，从而降低流动阻力。 目前在 2气门结构中，进气门直径 d与缸径 D的 比值可达 45%~50% 。面积比为 0.2~0.25 ，这样排 气门不得不缩小，但过小的排气门又会导致排气 阻力的增大。 通过增大进气门直径的方式来提高充量系数， 是受到限制的。
（4）燃烧室扫气
气门重叠：进、排气门同 时开启。
气门重叠角：进、排气门
同时开启时对应的曲轴转 角，它是排气门迟闭角与 进气提前角之和。
非增压发动机：20~60º CA
增压发动机： 80~160º CA
燃烧室扫气的作用 ：
① 利用新鲜充量来帮助清除废气
② 降低燃烧室热区零件的温度
避碰坑
四冲程发动机换气过程的典型曲线
kPa
1、自由排气阶段
自由排气阶段：从排气门打开到气缸压力p 接近于排气管压力pr的这个时期。
kPa
1、自由排气阶段
自由排气阶段：从排气门打开到气缸压力p 接近于排气管压力pr的这个时期。 排气提前角：BBDC30~80º CA。 自由排气阶段废气的流动状态分为超临界
最小。
排气门截面小时，为减少排气损失，应适当 加大排气提前角。 减少排气损失的主要方法：
①减小排气系统阻力
②减小排气门处的流动损失
2、进气损失
定义：由于进气系统阻力的存在，使进气过程气缸
压力低于进气管压力而造成的损失 。
换气损失：( W+X+Y ) 泵气损失：(X+Y-u)
增压发动机与非增压发动机换气损失对比
第二章 发动机的换气过程
换气过程
排气过程
进气过程
尽可能小的换气损失
换气过程的任务 排净缸内废气 吸足新鲜充量
换气过程的进行情况
研究的内容 分析影响充气量的各种因素 提高充气量 找出 方向与措施 减少换气损失
主要内容
第一节 四冲程发动机的换气过程 第二节 四冲程发动机的充量系数
第三节 提高发动机充量系数的措施
柴油机：
汽油机：
c＝0.75 ~ 0.9 c＝0.7 ~ 0.85
m1 V1 c m s Vs
m1——实际进入气缸的新鲜充量的质量； V1——实际进入气缸的新鲜充量的体积； ms——进气状态下充满气缸工作容积的新鲜充量的质量； Vs——进气状态下充满气缸工作容积的新鲜充量的体积。
二、充量系数 c的表达式
换气损失：理论循环换气功与实际循环换气功之差。
第二节 四冲程发动机的充量系数
充量系数c
进气终了状态压力pa
进气终了状态温度Ta
影响充量系数的因素
残余废气系数r
配气相位
压缩比
进气状态 ps 、Ts
一、充量系数 c
定义：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的比值。
m1 V1 c m s Vs
v
2
2
2）负荷
汽油机：当节气门关小时，节流损失增加，引 起 pa下降, 且pa随转速的增加而下降的愈快，即曲 线变化愈陡。
柴油机：负荷调节为“质调节”，负荷减小时 pa变化很小。
2．进气终了时的温度Ta
进气终了时的温度Ta越高，充量系数 c越小。 进气终了时的温度Ta高于进气状态温度Ts 。 引起Ta升高的原因:
四、合理选择配气相位
根据发动机的高速性能来合理选择进气门迟 关角，进、排气门重叠角以及排气门提前角，从 而保证具有足够的充量系数，以满足发动机的动 力性和经济性要求。
五、谐振进气与可变进气支管
• 谐振进气与可变进气支管都是利用进气管的 动态效应来提高充量系数。
170柴油机进气道结构示意图
充气效率或容积效率 m1——实际进入气缸的新鲜充量的质量； V1——实际进入气缸的新鲜充量的体积；
ms——进气状态下充满气缸工作容积的新鲜充量的质量；
Vs——进气状态下充满气缸工作容积的新鲜充量的体积。
进气状态：
非增压发动机：当时、当地的大气状态。 增压发动机：增压器压气机出口的气体状态。
大小：
可由试验测得。
Vc Vs Vc Vs
5. 压缩比
压缩比增加,余隙容积减小,残余废气量随之减小, 因而φ c有所增加。
6. 进气状态
Ts、ps压力对φc影响不大。
第三节 提高发动机充量系数的措施
降低进气系统的阻力
减少对进气充量的加热
措施
降低排气系统的阻力 合理选择配气相位 谐振进气与可变进气支管
1）r 增加， φc降低，燃烧恶化，油耗、排放增
加；
2）压缩比提高，r 减小；
3) 进、排气门的叠开角越大，r 越小。
一般，柴油机的 r 比汽油机要低。
4. 配气相位
由于进气门迟闭 ＜1 ,新鲜充量的容积减小,但pa 值却可能因有气流惯性而使进气有所增加 , 合适的配 气相位应考虑 pa具有最大值。
（2）亚临界状态流动
随着废气大量流出，缸内压力迅速下降，废气流速小 于当地声速，排气的流动就转入亚临界状态。 废气流量取决于气缸内和排气管内的压力差。
• 自由排气阶段约在ABDC10~30º CA结束 • 排出的废气量达60%以上
p/pr=1.9
（2）强制排气阶段
强制排气阶段：从缸内压力接近于排气管压 力到排气门关闭。 缸内平均压力略高于排气管平均压力。气流 速度越高，压力差越大，克服排气系统阻力
状态流动和亚临界状态流动 。
四冲程发动机换气过程的典型曲线
kPa
超临界状态
超临界状态是根据气体力学孔口节 流的规律，当排气门两端压力之比大于 1.9时，喉口气流就以音速（当地声速） 流动。
四冲程发动机换气过程的典型曲线
kPa
（1）超临界状态流动
排气门刚开启时气缸内废气压力还很高，缸内压力 与排气管压力之比大于临界值1.9，排气的流动处于超临 界状态。 在超临界排气阶段，废气流量与排气管压力无关， 只取决于气缸内的气体状态和气门最小开启截面。
由流体力学可知：
pa
v
2
2
式中
——管道阻力系数；
——进气状态下气体的密度；
v ——管道内气体的流速。
可见，△pa主要取决于各段管道的阻力系数和气体流
速。若
大、 v 高时，△pa增加，使pa下降，c 减小。
转速和负荷对 pa 的影响
1）转速
n增加，v增大，pa降低。
pa
换 气 损 失
回忆
二、换气损失
定义：更换工质而消耗的功。
泵气损失
组成： 提前排气损失
Wr
W
Wr W＋u
泵气损失：工质流动时需要克服的进、排气系统 阻力所消耗的功。 提前排气损失：因排气门在下止点前提前开启
u
而产生的损失 。（自由排气损失）
自由
排气 损失
W 排气损失
排开
换 气 损 失
所消耗的功越多。
排气迟闭角：ATDC10~35º CA。
ATDC10~35º CA
（3）进气过程
进气过程：从进气门打开到进气门关闭。 进气提前角一般为BTDC 0～40º CA 进气迟闭角一般为ABDC 40~70º CA
（3）进气过程
BTDC 0～40º CA
ABDC 40~70º CA
2)增加进气门数目
增加进气门数，可以增大进气门的有效流 通截面积。
3)改善气门处的流体动力性能
适当加大气门杆身与头部的过渡圆弧，减 小气门座密封面的宽度等。
4)改进配气凸轮型线，适当增加气门升程
在惯性力容许条件下，使气门开闭得尽可 能快，从而提高气门处的通过能力。
2．减少进气道、进气管和空气滤清器的阻力 1)进气道、进气管：保证足够的流通面积， 避免急转弯及截面突变，改善表面的光洁 程度。 2)空气滤清器：在保证滤清效果的前提下， 尽量减小空气滤清器的阻力。如：加大通 过截面，改善滤清性能，经常清洗等。
1）新鲜工质进入发动机与高温零件接触而
被加热。
2）新鲜工质与高温残余废气混合而被加热。
转速和负荷对Ta 的影响
1）转速 当负荷不变而转速增加时，由于新鲜工质与缸 壁等接触时间短，传热量少，所以Ta稍有下降。 2）负荷 当转速不变而增加发动机负荷时，缸壁等零件 温度升高，Ta有所上升。
3.残余废气系数r
c
进气终了状态压力pa 进气终了状态温度Ta 影响充量 系数的因素 残余废气系数r
配气相位
压缩比
c
进气状态 ps 、Ts
三、影响充量系数 c的因素
1．进气终了时的压力pa
p a对
c有重要影响，pa愈高， c值愈大
pa ps pa
△pa——气体流动时，克服进气系统阻力而引起 的压降。