发动机的换气过程PPT课件.ppt

第二章发动机的换气过程,EngineGasExchangeProcess,1,下止点,上止点,2,研究的内容,3,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作业及复习题,4,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410480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。,5,四冲程发动机换气过程的典型曲线,6,1、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。,7,（1）超临界状态排气门开启时，气缸内废气压力较高（0.20.5Mpa），缸内压力与排气管压力之比1.9，排气流动处于超临界状态，可利用废气自身的压力自行排出。,8,通过排气门口废气的流速等于该状态下的音速（m/s）式中K绝热指数；T气体的绝对温度；R气体常数Nm/（kgK）。,在超临界排气时期，废气流量与排气管内压力pr、发动机转速无关，只与气缸内的气体状态及气门开启截面积有关。并且因排气流速甚高，在排气过程中伴有刺耳的噪声，所以排气系统必须装有消声器。,9,（2）亚临界状态缸内压力与排气管内压力之比下降到1.9以下时，排气流动转入亚临界状态，废气流速降低，产生的噪音较小。,排出的废气量决定于气缸内及排气管内的压力差。压力差越大排出废气越多。当到某一时刻气缸内与排气管内压力相等，自由排气阶段结束（一般下止点后1030曲轴转角）。此阶段虽然历程很短，但因排气流速甚高，排出废气量达60%以上。,10,高速发动机其排气提前角要大一些：在自由排气阶段中，排出的废气量与发动机转速无关。发动机转速高时，在同样的排气时间（以秒计）所相当的曲轴转角增大，因此，高速发动机排气提前角要大。但不宜过大，否则会使排气损失加大。,11,一般排气提前角为3080曲轴转角。随发动机转速的增加应相应增大排气提前角。一般持续到下止点后1030(CA)结束。自由排气阶段排出的废气量可达60%以上。,12,2、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，直到排气门关闭这一过程就是强制排气阶段。,13,缸内平均压力要略高于排气管内的平均压力。克服排气门、排气道处的阻力，一般高出10kpa左右。气体的流速越高，此压差越大，消耗的功越多。一般排气门迟闭角为1035(CA)。惯性排气,14,3、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)。,15,尽管利用过后充气可以有效地增加进入气缸的空气量，但过大的进气迟闭角，会使得低速时发生缸内气流倒流进入进气管的现象，也会影响有效压缩比，从而影响压缩终了温度，使发动机的冷起动困难。因此，合理的进气定时是十分重要的。,16,4、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。,一方面，有利于扫除缸内残余废气，增加进气量，特别是增压发动机，扫气更明显；另一方面，又可以降低燃烧室内气缸盖、排气门、活塞顶、缸套的温度。,作用：,17,气门重叠角的选择以新鲜充量不流入排气管为原则。增压柴油机都采用比非增压柴油机大的气门重叠角，一般为80160(CA)；气门重叠角过大，会使气门与活塞发生相撞，一般非增压柴油机的气门叠开角在2060(CA)范围内。,18,换气损失,19,二、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。,20,影响因素:(1)随着排气提前角的增大，膨胀损失增加，而推出损失功减小，因此，最有利的排气提前角，应当是使两者损大之和(W+Y)为最小。(2)发动机的转速增高时两者之和在总体上呈现增加的趋势。,降低排气损失的主要方法:减小排气系统的阻力和排气门处的流动损失。,21,三、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。,22,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。,23,一般而言，所有减少换气损失的措施以及以后将要讨论到的提高充量系数的途径，对降低泵气损失都是有利的。另外，由于二冲程内燃机没有单独的进、排气活塞行程，所以泵气功为零。,24,第二节四冲程发动机的充量系数,换气的目的是尽量排净废气，最大限度充入新气，以完善燃烧，提高效率。评价发动机的换气质量，可用充量系数(充量效率、容积效率)、残余废气系数来衡量。,25,一、充量系数c,定义：内燃机每缸每循环实际进入气缸的新鲜空气质量与进气状态下理论计算充满气缸工作容积的空气质量比值。,进气状态：指空气滤清器后进气管内的气体状态，即进人气缸前气体的热力学状态，如温度与压力等。非增压：通常取为当地的大气状态。增压：增压器出口状态。,26,1,27,一般非增压发动机在全负荷时的c,28,二、影响充量系数的因素,1）进气门关闭时，缸内工质的总质量ma：进气门关闭时气缸容积：（Vs+Vc），则,29,2）排气门关闭时缸内工质的质量mr排气门关闭时缸内体积为Vr，则,3）每循环充入气缸新鲜充量的质量m1为,残余废气,30,4)进入气缸的混合气量：,又，,则：,31,令,式中：p、T的下标s、a、r分别代表大气和进、排气门管比时缸内压力和温度的状态。,32,残余废气系数：进气过程结束时气缸内残余废气量与进入气缸内的新鲜空气的比值。,影响充量系数的因素有进气的状态、进气终了的汽缸压力和温度、残余废气系数、压缩比及进排气相位角等。,33,（二）影响充气效率的因素,1进气终了时的压力PaPa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)。,34,一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。,35,转速和负荷对进气压力的影响,1）转速当节气门位置一定时，n增加，Pa降低。,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。,36,2进气终了的温度TaTa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。,37,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，均有利于降低Ta。,38,3.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。,39,4配气定时由于进气门迟闭而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,40,第三节提高发动机充量系数的措施,进气系统：空气滤清器或加进气消声器、化油器或喷油器、节气门、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，是提高充气效率，改善发动机性能的主要途径。,41,提高充量系数措施,降低进气系统的阻力损失，提高气缸内进气终了时的压力pa,降低排气系统的阻力损失，以减小缸内的残余废气系数r,减少高温零件在进气系统中对新鲜充量的加热，以降低进气终了时的充量温度Ta,重要,合理选择相位角,谐振进气与可变进气支管,42,(一)降低进气系统的流动阻力,43,进气系统的构成,44,沿程阻力,局部阻力,沿程阻力并不大,管道较短，壁面比较光滑,流道中的主要损失,它由一系列的局部阻力叠加而成,进气门座处,空气滤清器,流道转弯处,45,降低进气系统的流动阻力的措施,1、降低进气门处的流动损失,2、减少进气道、进气管、空气滤清器的阻力,46,1降低进气门处的流动损失,47,进气门座处局部阻力最大,阻力系数有关,与该处的流动速度vs的平方成正比,降低进气门处的流动损失，可以从降低气门座处的流速和改善气门座处的流动情况以提高流量系数入手解决,forward,48,return,补充,49,过高的气体流速，还会发生气体阻塞现象。考察气门座处的流动情况，并定义平均进气马赫数M。p30,进气平均马赫数Ma综合了进气门大小、形状、升程规律以及活塞速度等因素，并且其大小与发动机的转速成正比。研究发现，对于小型四冲程发动机，当M超过0.5后，充量系数急剧下降(参见图)。,50,51,减小进气门流通截面处流动损失的具体措施,加大进气门直径,增加进气门数目,合理设计进气道及气门的结构,52,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，从而降低局部流动阻力。在现代高速内燃机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0.20.25，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。因此，通过加大进气门直径的方式来提高充量系数，是受到限制的。,(1)加大进气门直径,53,增加进气门数，可以取得与加大进气门直径同样的效果，即增大了进气门的有效流通截面积。高速柴油机以往仅在缸径大于120mm时才考虑采用两进（进气门)、两排(排气门)即4气门的可能性；现在对于D=8090mm的柴油机，也认为采用4气门利大于弊。除了换气损失小、充量系数高以外，喷油器的垂直中置对混合气形成极为有利。4气门柴油机对具有进气中冷的高增压系统也非常合适对于汽油机来说其效果也是相当好的(表41)。,(2)增加进气门数目,54,采用两进、两排的气门结构后，进气门面积之和可以达到气缸面积的30%，几乎比2气门提高30%50%。表4l列出了采用双顶置凸轮轴(DOHC，DoubleOverheadCamshaft)4气门发动机的优、缺点，总的结论是优点大于缺点。近年来，几乎所有强化程度高的车用发动机均采用了这一技术，发动机转速可达6000rmin或更高，平均有效压力达1.0MPa以上。最小的4气门发动机，其缸径仅为80mm。,55,56,图46是一个2L排量的4气门发动机与同排量2气门发动机的性能比较，显然，采用顶置凸轮轴4气门技术,可以便发动机的功率提高约15%30%，转矩增大约5%10%。经济性能也得到改善。,57,单顶置凸轮轴四气门结构,58,双顶置凸轮轴四气门,59,对于D80mm的点燃式内燃机，若采用两进、两排的4气门结构在气缸盖缸中间部位往往难以布置即便是最小尺寸的火花塞，这时只好适当缩小进气门直径。若采用三进二排的气门结构，既能充分利用气缸外围尺寸，又能利用气缸中心布置火花塞。图47是采用5气门(三个进气门，两个排气门)的发动机与4气门发动机的比较情况，可见其高速性能进一步改善。对于排量较小(1.5L以下)的4缸小型轿车用汽油机来说，也有采用2进、1排的3气门结构，这样既能发挥多气门的优越性，结构又相对简单。,60,61,五气门布置,62,单顶置凸轮轴三气门,63,进气道以及气门头部的结构，也有助于降低局部阻力，提高气门流通截面的流量系数。一般在高速内燃机中，均利用气道使进气在其中发生弯曲和旋转，以便在气缸中形成定向的空气运动，以利于燃烧的进行。但这势必影响气门的流量系数，增大流动损失，因此，在设计及制造中，应尽可能保证气道内壁面的过渡圆滑、平稳，避免气流急转弯现象。在进气门头部以及气门座面处设计合理的形状，对改善气流的流动阻力也有十分显著的效果。,(3)合理设计进气道及气门的结构,64,改善配气机构的新措施,（补充）,65,66,理想的配气系统应当要满足以下要求：1)低速时，采用较小的气门叠开角以及较小的气门升程，防止出现缸内新鲜充量向进气系统的倒流，以便增加转矩，提高燃油经济性。2)高速时应具有最大的气门升程和进气门迟闭角，以最大限度地减小流动阻力，充分利用过后充气，提高充量系数，以满足动力性要求。,2采用可变进气系统技术,67,3)配合以上变化，对进气门从开启到关闭的持续期(又称作用角)也应进行调整，以实现最佳的进气定时。理想的气门定时应当是根据发动机的工作情况及时作出调整，应具有一定程度的灵活性。显然，对于传统的凸轮挺杆气门机构，由于在工作中无法作出相应的调控，也就难于达到上述要求，因而限制了发动机性能的进一步提高,68,实际上，完全满足上述各项要求的机构是相当复杂的，目前还仅仅处于研究阶段如(GM汽车公司推出的无凸轮的电磁气门驱动机构以及Ford汽车公司的液压气门驱动机构。由于制造成本和可靠性等原因，若将这种全电控的技术应用于实际发动机中气门要时间。目前较为常见的商品化系统可以分成两大类，即可变凸轮机构(VCS，VariableCamshaftSystem)和可变气门定时(VVT，VariableValveTiming)。除此之外，也有可变气门升程、可变气门作用角等其他形式，其原理基本相近，只是实现方式不同而已。,69,(1)可变凸轮机构可变凸轮机构技术一般都是通过两套凸轮或摇臂来实现的，即在高速时采用高速凸轮，其升程与作用角都较大；而在低速时切换到低速凸轮，升程与作用角均较小，如图48a所示。图48b是采用可变凸轮机构后，发动机的性能与传统配气机构的性能比较，显然低速转矩和高速动力性能都得到了改善。,70,可凸轮机构（补充）,71,(2)可变气门定时相对于可变凸轮机构，可变气门定时技术的应用较多一些：对于DOHC系统而言，由于进、排气门是分别通过两根凸轮轴单独驱动的，可以通过一套特殊的机构将进气凸轮轴按要求转过一定的角度，从而达到改变进气相位的目的。根据实现机构的不向，这种改变又可以分成分级可变与连续可变两类，调节范围最高可达60(CA)。由于技术上相对成熟，很多高性能的汽油发动机均采用了这一技术。从图49可以看出采用VVT技术可以使得发功机的低速转矩性能得到大幅度的改善。某3L排量的6缸车用发动机上运用这一技术，油耗最大降低了4.5%，HC及NO2排放下降幅度分别达到10%和4%。,72,73,可变定时机构（补充）,74,进气管的截面和通道流线，对进气过程影响也很大。其设计原则是：空气滤清器的阻力低；各气缸间的新鲜充量分配均匀；对于汽油机而言，还要求适当加热进气以提高燃油的雾化质量；对于采用EGR以及进气道燃油喷射式发动机而言，还要满足专门机构的持殊要求。合理利用进气调谐图410a和图410b分别是进气管的长度与管径的大小对充量系数的影响。出图可见，随着进气管长度的增大以及管径的减小，充量系数的峰值向低速一侧移动。这就是调谐