《内燃机的充量更换》PPT课件.ppt

内燃机的充量更换,第一节 四冲程内燃机的换气过程 第二节 四冲程内燃机的换气损失 第三节 提高内燃机充量系数的措施 第四节 二冲程内燃机的换气 第五节 进、排气管内动力效应的应用,第二章 内燃机的充量更换,换气过程是指排气门开到进气门关的整个过程，约占410480度曲轴转角。 作用：将作过功的废气排出排气过程 吸入新鲜充量进气过程 要求：排气彻底，进气充分。 评价指标：c越大越好。 研究目的：分析影响的各种因素，找出提高c ，降低换气损失的途径； 寻找调整发动机扭矩特性的方法，以适应各种使用要求。,第二章 内燃机的充量更换,第二章 内燃机的充量更换,第一节 四冲程内燃机的换气过程,一、排气阶段 （一）自由排气阶段：废气靠自身压力自行排出气缸。 排气门开到排气下止点缸内气体压力高于排气管内的排气背压，缸内气体可以自由地排出缸外（另一种划分方法：排气门开到缸内压力接近排气管内压力）。 为降低排气消耗功，排气门提前开，排气门提前角3080,第一节 四冲程内燃机的换气过程,（二）强制排气阶段 下止点到上止点，活塞推出缸内气体，强制排出缸外。 特点：流速高，压差大，排气损失增大。 为降低排气功和降低r，排气门迟关，惯性排气，1070,第一节 四冲程内燃机的换气过程,1、超临界排气 排气门打开初期： 缸内压力在0.20.5MPa之间，处于超临界流动，废气以当地音速流出。,第一节 四冲程内燃机的换气过程,时， 特点： 废气流出气缸的流量与压差无关，只决定于排气门的开启断面和气体的状态。,第一节 四冲程内燃机的换气过程,2、亚临界排气： 特点：废气大量流出，缸内压力迅速下降，排气流动转入亚临界状态，废气流量由压差决定。,第一节 四冲程内燃机的换气过程,二、进气过程 1、进气提前角 为准备进气断面进气提前开进气提前角1040 排气冲程结束，PrP0，活塞下行，残余废气膨胀，缸内压力下降，低于P0，新气进入。 2、进气迟关角 为利用进气流的动能，进气门晚关，过后充气进气迟关角2060，一般发动机转速增加，进气迟关角增加。,第一节 四冲程内燃机的换气过程,三、气门叠开和燃烧室扫气过程 排气门晚关，进气门早开，存在同时开启现象，称为气门叠开。气门叠开把进气系统、排气系统和燃烧室三者沟通起来。 汽油机：进气是可燃混合气，且进气管内压力低于P0 ，高温废气易窜入进气管，引起回火，叠开角小，2030。 非增压柴油机：进气管压力接近P0 ，允许适当采用较大气门重叠角，以提高常用转速内的充量，一般在2080。 增压柴油机：进气压力大于排气压力，一部分新气通过燃烧室进入排气管，扫除燃烧室内的残余废气，称扫气，使高温零件温度降低，发动机缸内新鲜充量增加，故采用较大的重叠角，一般80140。,第一节 四冲程内燃机的换气过程,换气损失：理论换气功与实际换气功之差，由排气损失和进气损失两部分组成。 一、排气损失 1）自由排气损失W膨胀功减少 2）强制排气损失X推出损失功 排气提前角增大W增大X小，最佳排气提前角，W+X最小 二、进气损失 进气过程消耗功，克服进气阻力，加速气体，Y 换气损失：W+X+Y,第一节 四冲程内燃机的换气过程,三、泵气功与泵气损失 1、泵气损失 X+Y-u，在机械损失中考虑。 2、影响因素 （1）负荷下降 汽油机：节流，进气管压力下降 泵气功增加 自由排气量下降，推出功增加 柴油机：基本不变或略有增加。 （2）发动机转速n增加，Pr增加，Pa下降，泵损失增加,第二节 四行程内燃机的充气效率及影响因素,一、充量系数及其影响因素 （一）充气量 进入发动机中的空气或混合气量称为充气量，简称充量。 两种表示法：循环充气量m1 kg/循环 单位时间充气量m kg/h kg/h m1决定每个循环可能燃烧的燃料量，由此决定扭矩和平均有效压力 m决定单位时间燃烧的燃料量，因而决定Pe,第二节 四行程内燃机的充气效率及影响因素,（二）充气系数 Vs大，m1大，Vs小，m1小，评价换气过程的完善程度，所用指标应不受Vs大小的影响，为此引入充量系数。,第二节 四行程内燃机的充气效率及影响因素,（三）充量系数的影响因素 残余废气系数为r，进气终了时缸内残余废气质量为r m1，进气门关闭时缸内气体的总质量为： 由充量系数的定义，并引入气体状态方程及压缩比的定义式，得： 式中：下标s表示进气管内的状态。该式可用于分析充量系数的影响因素。,第二节 四行程内燃机的充气效率及影响因素,1、进气终了压力Pa Pa增加c增加，Pa=Ps-Pa 转速的影响：n增加Pa增加Pa下降c下降 负荷的影响（n一定） ： 汽油机，量调节，负荷下降，节气门关小，阻力增加， Pa增加Pa下降c下降。 柴油机，质调节，负荷增加， Pa不变，Ta增加c基本不变（或稍下降）,第二节 四行程内燃机的充气效率及影响因素,2、进气终了温度Ta Ta T0 Ta = Ta Ts: （1）进气予热（汽油机），分配均匀 （2）接触高温机件 （3）残余废气加热 （4）液体燃料蒸发吸热（汽油机） Ta增加，则a下降， c下降，柴油机进排气管分在两侧。 影响因素 n 增加 Ta下降（接触时间短） 负荷增加 Ta增加（残余气体温度增加，零件温度增加）,第二节 四行程内燃机的充气效率及影响因素,3、 r的影响 r增加c下降 排气阻力Pr=Pr-Ps Pr增加r增加r增加c下降 n增加Pr增加Pr增加r增加c下降 4、的影响 增加V c下降r增加c下降,第二节 四行程内燃机的充气效率及影响因素,5、大气状态 （1） Ts Ts下降: Ta下降a增加m1增加 新气与缸壁温差增加进气受热相对增加， c下降 （2） Ps Ps增加Pa增加a增加，c变化不大，m1增大,第三节 提高充量系数的措施,（一）降低进气系统的阻力 进气系统包括空滤器、节气门、进气管、进气道、进气阀，降低各段阻力，均可使c增加 减小进气阀处损失： 进气阀处流通面积最小，且截面变化较大，进气阻力大部分发生在此处。 增大进气门直径 增加气门个数 合理设计进气道及气门的结构 采用可变技术 可变凸轮机构 可变气门定时 减小进气管与空滤器的阻力 进气管 空滤器,第三节 提高充量系数的措施,（二）降低排气系统的阻力 排气系统包括：排气门、排气道、排气管和消声器。 排气道作成扩压形，使通过的气体的部分动能转化为压能，使气缸内的残气压力下降，残余废气量下降，充量系数增加。 降低消声器的阻力损失。,第三节 提高充量系数的措施,（三）减少对进气充量的加热。 柴油机进排气管两侧分开布置 汽油机，为利用废气加热进气，进排气管同侧布置，但予热量在保证蒸发条件下，控制在最小。有些汽油机中，为提高充量系数，进排气管两侧分开布置。,第三节 提高充量系数的措施,（四）合理选择配气定时 配气正时对充量系数有重要影响，合理的配气正时，可以达到最佳充气效果得到符合使用要求的扭矩曲线。 配气相位中进气迟关角对充量系数影响最大，因为进气迟关期间是利用气流惯性进行过后充气的时间。,第三节 提高充量系数的措施,转速一定时，进气迟关角对充量系数的影响 在某一进气迟关角，充量系数有最大值，称此迟关角为该转速下的 最佳迟关角。发动机n一定，气流惯性一定，最佳迟关角一定，动能完全利用。进气压力+惯性压力=缸压。 当 进气迟关角小于最佳迟关角时，进气压力+惯性压力缸压力，气体的动能还很大，可以进行惯性充气，但进气门关了，没有充分利用，充量系数下降。 当时进气迟关角大于最佳迟关角时， 缸压力进气压力+惯性压力，进入气缸的气体被推出气缸（进气倒流），充量系数下降。 高速发动机气流惯性大，最佳迟关角大，低速发动机气流惯性小，最佳迟关角小。,第三节 提高充量系数的措施,当进气迟关角一定时，n对充量系数的影响 某n下，充量系数最大，气流惯性利用最好，进气压力+惯性压力=缸压 当n增加时，气流惯性大，但气门关闭了，没有充分利用，同时，进气压力降增大，缸内压力下降。进气压力+惯性压力缸压力 当n下降时，气流惯性下降，缸压力进气压力+惯性压力，进气倒流，充量系数下降。,第三节 提高充量系数的措施,进气迟关角不同时，充量系数变化规律 进气迟关角大，充量系数最大值出现的转速高； 进气迟关角大，充量系数最大值较小。发动机转速高，进气压力降增加，充量系数降低； 进气迟关角大的，高转速时，充量系数增加，高速性能好，但低速不好； 进气迟关角小的，低速性好，但高速性差； 好果每个转速都用最佳进气迟关角，那么就可以得到最佳迟关角时的cn曲线，是一条包络线。,第三节 提高充量系数的措施,4、选择气门定时考虑的因素 （1）提高充量系数 （2）必要的扫气 （3）合适的排温 （4）合适的cn曲线 （5）减小换气损失,第三节 提高充量系数的措施,（五）合理利用进气谐振,第四节 二冲程内燃机的换气,一、二冲程内燃机的换气过程及示功图 （1）自由排气（先期排气） 自由排气，废气以音速流出，超临界流动，排气口开到扫气口开。 排气量与排气管内的气体状态无关，只取决于缸内的状态和排气口流通截面的大小。排出气体约为7080%。 （2）扫气与强制排气阶段 用新气强制排出废气，扫气口开到扫气口关。流出部分新气。 （3）过后排气或过后充气阶段 扫气口关到排气口关。,第四节 二冲程内燃机的换气,有效工作容积： Vs=Vs -Ve=Vs （1- ） 式中： Vs活塞行程容积 Ve损失容积 Vs有效工作容积 行程损失百分比， =Ve/ Vs 实际压缩比： =(Vc + Vs)/ Vc 几何压缩比： =(Vc + Vs)/ Vc =(- )/（1- ）,第四节 二冲程内燃机的换气,二、二冲程内燃机换气过程的特点 新鲜充量均需要由专门的泵（扫气泵），提高其压力，再充入气缸，称扫气，扫气是二冲程内燃机的换气特点。 扫气机构有三种，曲轴箱扫气，单独扫气泵与废气涡轮增压。 （1）换气时间短 （2）进排气过程同时进行 （3）扫气消耗功大 （4）HC排放高,第四节 二冲程内燃机的换气,三、换气品质的评价 扫气系数：换气过程结束后，留在气缸内的新鲜充量m1与缸内气体总质量m0的比值。 s = m1 / m0 = m1 /(m1 + mr ) 式中： mr残余废气质量。 评价扫气效果优劣的重要参数，越大，扫敢效果越好，极限情况是1，则mr为0，意味着完全扫气，残余废气系数是0。,第四节 二冲程内燃机的换气,过量扫气系数（给气比）：每循环流过扫气口的充量质量mk与扫气状态Ps、Ts下气缸冲程容积的充量质量ms之比。 k= mk / ms 扫气总量占进气量的比值，扫气系统越完善，能达到同样换气效果的 k越小，消耗于驱动扫气泵的功率也越小。 理想换气系统，在尽可能小的过量扫气系数前提下，获得尽可能高的扫气系数，降低残余废气系数。,第四节 二冲程内燃机的换气,四、各种换气方案比较 1、横流扫气(Cross scavenge)： 特点：扫气口与排气口布置在对面，扫气口，纵、横方向有倾角，控制方向，扫气定时对称，有额外排气。 缺点：A区易残留废气，B区易短路换气效果差；活塞气缸受热不均匀，排气口侧受热严重，扫气口侧温度较低；由于扫气压力作用，活塞组单边摩损。,第四节 二冲程内燃机的换气,第四节 二冲程内燃机的换气,2、回流扫气(Loop scavenge)： 扫气口与排气口位于气缸同侧，扫气口在纵横向上有倾角，使气流沿活塞顶气缸壁向上形成回流克服横流扫气易路缺点，扫气效果好，结构简单，制造方便，应用广泛。,第四节 二冲程内燃机的换气,3、直流扫气(Uniflow scanvenge)： 扫气流沿气缸轴线运动，换气品质最好，扫气口沿切线方向排列，使扫气流旋转形成气垫，避免与废气相混，并将废气推出气缸。由于是气阀气口式，可以实现不对称换气，使排气阀关闭早，实现过后充气。活塞受扫气空气冷却作用，工作条件较好。冲程损失系数小，扫气口沿整个圆周布置，孔高可以缩短。,第四节 二冲程内燃机的换气,第五节 进、排气管内动力效应的应用,由间断进气引起的进气压力波对内燃机进气量影响很大，进气管长度、直径等进气系统参数会改变进气压力波，因而适当调整这些参数可以利用进气管的压力波以增加充气效率，改善扭矩。 进气管的惯性效应（本循环波动效应） 进气管波动效应（前一循环的波动效应） 压力波的固有频率： f1=C/（4L*） 式中：L*进气管当量长度 C音速 进气频率： f2=n/120 波动次数： q2=f1/f2=30C/（n L* ）,第五节 进、排气管内动力效应的应用,q2=f1/f2=30C/（n L* ） 即在进气周期内压力波的波动次数，表示压力波频率与内燃机进气频率之间的配合关系。 当q2=1.5、2.5时，下一次气门开启，正好与正的压力波相重合，充量系数增加； 而当：q2=1、2