汽车发动机原理与汽车理论基本课件-第三章.ppt

第一节 四冲程发动机的换气过程 第二节 四冲程发动机的充气效率 第三节 提高发动机充气效率的措施 第四节 二冲程发动机的换气过程 第五节 工程应用实例(文摘),第三章 发动机的换气过程,第一节 四冲程发动机的换气过程,一、换气过程 二、换气损失与泵气损失,下止点,上止点,第一节 四冲程发动机的换气过程,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整个时期。约占410 480曲轴转角。p25 换气过程可分作自由排气、强制排气、进气和燃烧室扫气四个阶段。,1、自由排气阶段,从排气门开启到气缸压力接近于排气管内压力的时期，称为自由排气阶段。,排气提前角：从排气门开启到活塞行至下止点所对应的曲轴转角称为，一般为3080曲轴转角。,2、强制排气阶段,自由排气阶段结束后，气缸内的废气将被上行活塞强制推出，这一过程就是强制排气阶段。,排气提前角：从上止点到排气门完全关闭终了所对应的曲轴转角，一般为1035曲轴转角。,3、进气过程,从进气门开启到关闭的全过程 准备进气：进气提前角一般为040(CA)。 正常进气 ：新鲜气体充入气缸。 惯性进气：进气迟闭角一般为4070(CA)。,4、气门重叠和燃烧室扫气过程,在排气行程上止点附近出现进、排气门同时开启的特殊现象，称为气门重叠，相应的角度是气门重叠角，它是排气迟闭角与 进气提前角之和。,气门重叠角的选择以新鲜充量不流入排气管为原则。 增压柴油机的气门重叠角一般为80160(CA)； 非增压柴油机的气门叠开角在2060(CA)范围内。,一）、排气损失,定义:从排气门提前开启，直到进气行程开始、缸内压力到达大气压力之前, 所损失的循环功。 构成: a.自由排气损失W：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：活塞上行强制推出废气所消耗的功。,二、换气损失与泵气损失,二）、进气损失X,进气损失主要是指进气过程中，因进气系统的阻力面引起的功的损失，与排气损失相比进气损失较小。,合理调整配气定时，加大进气门的流通截面、正确设计进气管及进气道的流动路径以及降低活塞平均速度等，都会使进气损失减少。,排气损失与进气损失之和称为换气损失 (W十Y十X) 。 泵气损失（X+Y-u）：在实际循环示功图中把面积(x+y- u)相当的负功称为泵气损失。这部分损失放在机械损失中加以考虑。,第二节 四冲程发动机的充气效率,一、充气效率 二、影响充气效率的因素及其分析,一、充气效率,充气效率（）:指发动机每一工作循环的实际充气量m与理论充气量m0 （进气状态下充满汽缸工作容积的新鲜气体数量)的比值 。,充气效率不受汽缸工作容积的影响。当汽缸工作容积一定时，充气效率越高，说明进气越充分，每循环的实际充量越多，发动机的动力性好。,1进气终了时缸内压力Pa Pa对c有重要影响，Pa愈高，c值愈大 Pa=PsPa 式中，pa为气体流动时，克服进气系统阻力 而引起的压降(kPa)。,二、影响充气效率的因素及其分析,一般可写成 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（m/s）。,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。,管道阻力系数、转速和负荷对进气压力的影响,1）管道阻力系数 管道阻力大，管道阻力系数大， pa大，Pa降低。,2）管道内气体的流速 负荷减小，发动机转速高，气体流速增加， pa大，引起Pa下降。,2进气终了的温度Ta Ta高于进气状态温度， Ta越高，充入气缸的工质密度越小，c值愈低。,引起Ta升高的原因是: 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。,措施： 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， 降低Ta。,3.残余废气系数 1） 增加， c降低，燃烧恶化，油耗、排放增加， 2）压缩比提高，残余废气系数减小。 3）排气压力高，废气多，充气效率降低。 4）排气系统阻力大，排气压力高，废气多。,4进排气相位角 由于进气门迟闭而 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,合适的配气定时应考虑Pa具有最大值。 5压缩比 压缩比增加,压缩容积减小,残余废气量随之减小,因而c有所增加。,6. 进气状态 进气温度升高，进气压力下降均会使进入气缸充量的密度减小，绝对进气量减少，对充量系数影响不大。,结论,进气终了压力提高，充气效率提高。 进气终了温度提高，充气效率下降。 排气终了压力提高，充气效率下降。 排气终了温度变化对充气效率影响不大。 大气压力降低、大气温度升高，充气效率提高。 压缩比提高，充气效率提高。 配气相位：进、排气迟后角过大或过小，充气效率降低。,图-4 不同节气门开度、不同转速时的进气终了气体压力,图-5 三种国产发动机充气 效率随转速的变化关系 1495型柴油机 2CA-型越野 汽车汽油机 3CA-72型小客车汽油机,第三节 提高发动机充气效率的措施,一、减少进气系统的流动损失 二、减小对新鲜充量的加热 三、减小排气系统的阻力 四、合理地选择配气相位,提高充量系数措施,降低进气系统的阻力,降低排气系统流通阻力,减少对进气充量的加热,合理选择进、排气相位角,谐振进气与可变进气支管,提高发动机充量系数的措施,一、降低进气系统的流动阻力 1降低进气门处的流动损失,进气马赫数：进气门处气流平均速度 与该处声速 之比,进气马赫数反映气体流动对充量系数 的影响。,当M超过一定数值时，大约在0.5左右， 充量系数急剧下降。,减小气门 流动损失的具体措施,加大进 气门直径,增加 进气门 数目,改进 配气 凸轮 型线,改善 气门处 流体 动力性能,减少进气道的阻力： 气道通路断面应有足够的面积，各断面要避免突变。进气道内部过渡圆角半径应大一些，避免急剧转弯等。 减少进气管的阻力： 进气管必须保证足够的流通截面积，管道表面光洁，避免急转弯及流通截面突变，以减少阻力。为保证各气缸进气均匀，各缸进气管独立，长度尽可能一致。进气管的整体走势和内壁断面形状要满足使新鲜充量在气缸中形成涡流的要求。 减少空气滤清器的阻力： 加大通过断面，改进滤清性能，创制低阻高效滤清器等。在使用中要经常清洗滤清器，特别要避免纸芯的油污堵塞，及时更换滤芯等。,减少进气道、进气管和空气滤清器的阻力,图-6 充气效率与平均进气马赫数的关系 )发动机、缸() )发动机、1缸、.() L1，L2、及S1，S2为不同进气门角度、面积值,图-7 气门数对平均有效压力的影响,二、减小排气阻力,1.减小排气门处的阻力：采用加大排气门升程或多排气门结构。 2.减小排气管道的阻力：应采用渐扩型，保证排出的气体充分膨胀，降低汽缸与排气管内的压力差，使汽缸压力迅速下降。,三、降低进气温度,1.在结构布置上，减小进气管受热； 2.加强对冷却系统的维护，防止发动机过热； 3.热空气供给装置。,四、合理选择配气相位,1.对配气相位角度的要求 (1)进气迟后角一定，在某一转速下充气效率最高。,（2）发动机转速变化时，在较低的转速范围内，采用较小的进气门迟后关闭角，可获得较高的充气效率和有效功率。 （3）改变进气门迟后关闭角度，可改变v和Pe随转速的变化关系，从而改变发动机的速度特性 。,2可变配气相位控制系统 （1）本田公司VTEC。,a)低速小负荷时； b)高速大负荷时 1-主凸轮；2-次凸轮；3-次摇臂；4-复位弹簧；5-阻挡活塞；6-同步活塞B；7-同步活塞A；8-正时活塞；9-主摇臂；10-中间摇臂；11-油液,（2）大众公司可变进气相位控制系统。,1-正时电磁阀；2-液压缸；3-排气凸轮轴；4-进气凸轮轴；5-正时调节器,（3）宝马公司VCC系统。,1-凸轮；2-气门摇臂；3-挺杆；4-气门；5-气门弹簧；6-齿扇；7-偏心轴； 8-中置摇臂轴；9-中置摇臂,（4）丰田公司VVTL-i控制系统。,丰田公司VVTL-i控制机构,丰田公司进气门升程控制机构 1-进气门；2-摇臂；3-滚轮；4-低速凸轮；5-高速凸轮；6-油道；7-滑销；8-滑块,五、谐振进气与可变进气歧管,谐振进气和可变进气歧管，都是利用进气管的动态效应来提高充量系数。,具体措施： 、适当调整进气管长度、直径等进气系统 参数。 、可变长度进气歧管。 、双通道可变进气歧管。,可变长度进气管,双通道可变长度进气管,1空气滤清器 2节气门 3转换阀 4转换阀控制装置 5发动机电子控制单元,1短进气通道 2旋转阀 3长进气道 4喷油器 5进气道 6进气门,第四节 二冲程发动机的换气过程,一、换气过程和示功图 二、二冲程发动机换气系统的基本类型 三、换气质量的评价 四、二冲程发动机主要换气系数的选择,一、换气过程和示功图,(1)曲轴箱扫气 用曲轴箱扫气在活塞下行时，其反面压缩新鲜充量，起扫气泵的作用，扫气压力可达。 (2)采用单独的扫气泵 这种方法大多数采用转子泵或离心泵，由发动机驱动。 (3)利用废气涡轮增压 这种方式的扫气压力为，甚至更高些。,图-0 二冲程发动机示功图,二、二冲程发动机换气系统的基本类型,(1)横流扫气 如图-所示，这种类型的扫气口和排气口布置在气缸圆周的两对面。 (2)回流扫气 如图-所示，此类型的扫气口与排气口位于气缸同侧。 (3)直流扫气 如图-所示，这种气口气门的换气方式，其特点是扫气气流沿气缸轴线运动，换气品质最好。,图-2 回流扫气,图-3 直流扫气,三、换气质量的评价,扫气效率,换气后留在气缸内新鲜充量之质量换气后留在气缸内气体总质量 是衡量扫气效果优劣的主要指标。越大，扫气效果越好，极限情况是，此时，意味着完全扫气，没有残余废气。,图-4 各种扫气形成的扫气效率 1完全扫气 2直流扫气 3回流扫气 4横流扫气,四、二冲程发动机主要换气系数的选择,1.扫气空气压力,提高扫气压力，会提高压缩始点压力，平均指示压力也会增加。同时，可以降低扫气口的高度，减少行程损失。在直流扫气方案中存在一个最佳值。不同类型柴油机的大致范围如下：大功率低速船用机为.，高转速运输式或机车、船用中、高速机为.，特殊用途柴油机为2.54.0，陆用、船用高速柴油机为1.53.0，汽车、拖拉机柴油机为1.32.0。,2.过量扫气系数,为了不使下降太多且减轻活塞的热负荷，不能过小；因此，应在以下统计范围内选取为宜： 高速轻型运输式发动机.25.50； 大功率低速船用非增压发动机1.51.25； 机车、船用中、高速非增压柴油机1.251.30,3.扫气效率,扫气效率的取值范围如下： 直流扫气0.850.95； 回流扫气0.80.9； 曲轴箱扫气0.0.。 改善换气效果，最有效的方法是进行换气实验，从中找出最佳的结构方案。,第五节 工程应用实例(文摘),1.问题的提出 2.曲线 3.改变配气相位 4.改变配气凸轮型线 5.多缸机试验,1.问题的提出,图-5 单缸机性能改进前曲线,2.曲线,曲线是在一台，的单缸试验机上，采用圆柱喷嘴作为节流元件，单缸机通过弹性连轴器与的电力测功器连接，用冷拖法测定的。配气系统的结构和参数为：气缸盖上采用四气门结构，进气道为无涡流的并联直气道，进排气凸轮型线均由三圆弧组成，升程为。,3.改变配气相位,1)不改变排气凸轮相位，用电力测功器冷拖单缸试验机，测得三种不同进气相位时的曲线，如图-所示。 2)测定热车倒拖时曲线。 3)在单缸试验机上，保持柴油机的负荷和进气相位在上述试验数值的条件下，测定排气相位对之影响。 4)两种进气相位下的负荷特性对比试验。,图-6 排气相位不变时，冷拖法曲线,图-7 冷拖与热拖曲线,图-9 C型凸轮与圆弧凸轮 2000r负荷特性曲线,4.改变配气凸轮型线,前面的试验说明，进气门适当的早开和晚关可以提高，但是尚未满足改进的要求，为此还必须