第4章 换气过程与循环充量.ppt

汽车发动机原理 第四章换气过程与进气充量 华源莱动 1 四冲程发动机换气过程2 配气相位对发动机性能的影响3 充量系数的定义及影响因素4 进排气动态效应 讲课内容 第一部分 动力输出与能量利用第1章性能指标与影响因素第2章燃料 工质与热化学第3章工作循环与能量利用第4章换气过程与进气充量第5章运行特性与整车匹配第二部分 燃烧与排放第6章燃烧的基础知识第7章柴油机混合气形成与燃烧第8章汽油机混合气形成与燃烧第9章有害排放物的生成与控制第10章新燃烧方式与替代燃料动力 换气 Gasexchange 过程 换气过程 充入新气和排出废气的全过程周期性 非稳态流动过程 准周期流quasi flow 非常复杂新鲜充量 charge 是决定发动机输出功率 量 的因素 换气过程的目的 最大限度地吸入新鲜充量 c是核心问题保证各缸进气均匀减小换气损失在缸内形成合理的流场 以控制混合气形成和燃烧 第二篇 主要内容 1 四冲程发动机换气过程2 配气相位对发动机性能的影响3 充量系数的定义及影响因素4 进排气动态效应 换气过程与换气系统换气过程 从膨胀冲程末期排气门开启时算起 直到进气门关闭时为止 大约为 410 CA 480 CA换气系统 进气 燃烧室 排气 系统 开式热力系统 增压机和有排气后处理装置时更复杂 换气过程分期 亚临界流量 超临界流量 雍塞流 chokingflow 注意 对超临界流 下游条件 压力 温度 不影响流量 排气过程 240 260 CA 自由排气阶段 超 亚临界 1 3强制排气阶段 2 3进气过程 230 265 CA 核心问题是充量系数 c的问题气门重叠过程 0 80 CA 四冲程机的换气过程 主要内容 1 四冲程发动机换气过程2 配气相位对发动机性能的影响3 充量系数的定义及影响因素4 进排气动态效应 1 排气早开角 eo影响自由排气损失和泵气损失 但对 c影响不大存在最佳 eo p自排 p排泵 min转速增加 eo适当增大 提前 自由排气阶段 受配气机构的结构限制 气门只能逐渐加大其流通截面 如排气门在膨胀行程下止点时开启 则排气门流通截面增加过缓 气缸压力下降慢 活塞向上止点回行时所消耗的功较大 内燃机的排气门往往都在活塞到达下止点前的某一位置提前开启 称为排气提前 该得未得 不想付而付 自由排气阶段 排气提前角为30 CA 80 CA 排气门刚打开时 缸内压力远高于排气管内压力 随着排气过程进行以及排气门流通截面的逐渐增大 排气管内的压力将逐渐升高 直至在某一时刻达到或接近缸内压力 由于正向压力差的存在 排气可以自发地进行 故把从排气门开启到气缸压力达到排气背压的时期 称自由排气阶段 超临界状态 排气门刚开启时 缸内压力较高 排气管压力与气缸压力之比往往小于临界压比 流动呈现超临界状态 在超临界状态 排气质量流量只取决于缸内气体状态和排气门有效开启截面的大小 与排气管内的气体状态无关 亚临界状态 随着排气的进行 排气门流通截面不断增大 排气管压力与气缸压力之比超过临界值之后 气体流动逐渐进入亚临界状态 直到气缸压力与排气管内的气体压力接近相等 自由排气阶段结束 自由排气阶段中流出的气体质量 自由排气阶段流出的气体质量 取决于排气门有效流通截面及缸内和排气管内的压差 自由排气阶段中排出的废气量与转速无关 转速增加 同样的排气时间对应的曲轴转角将增加 为使气缸压力及时下降 必须加大排气提前角 自由排气阶段排出的废气量可达60 以上 一般持续到下止点后10 CA 30 CA结束 强制排气阶段 自由排气阶段结束 废气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 强制排气阶段 气体在流动过程中要克服排气门 排气道以及消声器等处的流动阻力 缸内的气体压力要略高于排气管内的平均压力 排气管内的压力波动 有可能形成压力逆差 即气缸压力低于排气管内的压力 这种情况往往出现在排气管较长时强制排气开始的初期 缸内气体的状态由活塞运动速度 位置 气门有效流通截面以及排气管内气体状态决定 排气迟闭 活塞上行 排气门流通截面逐渐减小 气门的节流作用加强 在上止点附近 气缸压力再次升高 排气消耗的功与残余废气量都增加 排气门应在上止点后某角度关闭 此即排气迟闭 排气迟闭 可利用气流惯性从缸内抽吸部分废气 实现过后排气 过大的排气迟闭会导致废气倒流 当废气从气缸流出的流动过程刚停止时 是理想的排气门关闭时刻 排气门迟闭角为10 70 CA 进气过程 进气门开启到关闭的全过程称进气过程 为了使进气过程开始时 进气门有一定的流通截面 以减少进气过程的阻力 进气门一般也在上止点前提前开启 称为进气提前 进气提前角为10 CA 40 CA 进气过程 随进气门流通截面积的加大 进入气缸的新鲜充量不断增加 加上已进入气缸的新鲜充量被温度较高的燃烧室表面和残余废气所加热 气缸压力逐渐升高 气缸内残余废气膨胀至低于进气管内压力时 新鲜充量的真正吸入才开始 刚开始时 由于活塞的下行运动造成缸内体积的膨胀 加上进气门开启还不充分 缸内的压力迅速降低 这为新鲜无量的顺利流人创造了条件 进气迟闭角 到进气终了 部分充量的动能转变为压力能 部分动能由于涡流和湍流而转变为热能 从而加热进气 充量的温度与压力都有所提高 为利用在吸气过程中形成的进气气流的流动惯性 实现气缸的过后充气 进气门不在下止点关闭 而是在下止点过后某一角度时关闭 即进气迟闭 这样 有可能使得进气过程终了时 缸内压力等于或略高于进气管压力 进气迟闭角一般为 20 CA 60 CA 高速时气流流动的惯性大 进气迟闭角应相应大一些 合理的进气定时 进气迟闭角过大低速时缸内气流可能会倒流进入进气管 影响有效压缩比 从而影响压缩终了温度 使发动机冷起动困难 气门叠开和燃烧室扫气过程 进气门的提前开启与排气门的延迟关闭都发生在排气上止点前后 这样就会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 称为气门叠开 相应的角度是气门叠开角 它是排气迟闭角与进气提前角之和 扫气 在气门叠开期间 进气管 气缸 排气管三者直接相通 如果进气管压力大于排气管压力 新鲜充量与缸内残余废气混合后 部分可以直接排人排气管中 扫气 扫气 扫除缸内的残余废气 增加气缸充量 又可以降低燃烧室内气缸盖 排气门 活塞顶 缸套的温度 对于这些受热严重且冷却困难的关键零件 效果是显著的 气门叠开角 点燃式内燃机用节气门调节功率 进气管内压力总是低于大气压 叠开角过大时高温废气有可能倒流进入进气管 引起回火 同时 由于新鲜充量中含有燃料 利用新鲜充量进行扫气将导致燃料的损失以及未燃碳氢排放物的增加 因此气门叠开角一般都比较小 非增压柴油机进气管内压力始终接近大气压力 可采用较大的气门叠开角 增强扫气效果 非增压柴油机的气门叠开角20 CA 50 CA 配气相位影响小结 1 四冲程发动机换气过程2 配气相位对发动机性能的影响3 充量系数的定义及影响因素4 进排气动态效应 1 排气早开角 eo影响自由排气损失和泵气损失 但对 c影响不大存在最佳 eo p自排 p排泵 min转速增加 eo适当增大 提前 2 排气晚关角 ec过小 惯性利用不够过大 废气倒流 3 进气早开角 ao过小 进气不够过大 废气倒流进气管 回火 4 进气晚关角 ac过小 惯性利用不够过大 新气推回进气管对进气充量 c影响大5 气门重叠 overlap 自吸式汽油机 40 太大易回火自吸式柴油机 60 增压柴油机 80 160 扫气可以降低缸内残余废气 冷却降低热负荷 配气相位影响小结 1 四冲程发动机换气过程2 配气相位对发动机性能的影响3 充量系数的定义及影响因素4 进排气动态效应 结论 随转速升高 最佳相位角应增大四个相位角中 进气晚关角对充量系数影响最大 排气早开角对换气损失影响最大最佳相位角 增压机与非增压机不同气门重叠角 汽油机 柴油机 增压机 换气损失组成 换气损失由进气损失和排气损失两部分组成 采用可变进气系统技术 理想的配气系统应当要满足以下要求 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倒流 以增加转矩 提高燃油经济性 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 配合以上变化 对进气门从开启到关闭的持续期也应进行调整 以实现最佳的进气定时 可变配气正时 VariableValveTiming 分类 ClassificationofVVT 凸轮可变VariableCamProfileCam PhaseChanging可变相位Cam LiftChanging可变升程Cam Phase Cam LiftChanging可变相位和升程无凸轮CamlessElectromechanical电机控制Electrohydraulic电液控制Electromagnetic电磁控制 可变凸轮机构CVS 可变凸轮机构技术一般通过两套凸轮或摇臂来实现的 在高速时采用高速凸轮 其升程与作用角都较大 低速时切换到低速凸轮 升程与作用角均较小 可变气门定时 Toyota sVVTL iisthemostsophisticatedVVTdesign Itspowerfulfunctionsinclude Continuouscam phasingvariablevalvetiming2 stagevariablevalveliftAppliedtobothintakeandexhaustvalves ToyotaVVTL i 相位和升程都可变 但不是连续可变 可变配气正时技术 VVT 怠速 加速加浓 Miller循环 VTC VariableTimingControl 可变正时控制 i VTEC比VTEC的进步之处在于 连续可变相位与重叠角和两阶段的可变升程 1 8Li VTEC Cam phasechanging Cam liftchangingVVT Honda si VTEC 缸内直喷技术 化学计量比 Perfect 可变配气正时技术 VVT 宝马 Valvetronic VANOS 可变气门正时 连续可变气门相位 重叠角和升程 Benefitsfromcam variabletocamless 1 BetterfuelefficiencyLesspumpinglossCylinderdeactivationImprovementisupto10 15 2 IncreasedtorqueoutputRammingeffectduringhighenginespeedImprovementisupto20 3 EliminationofexternalEGR4 ReducedemissionsReductionofNOxisupto40 ReductionofHCisupto15 ReductionofCOisupto5 主要内容 标准状态大气密度 自吸式 压气机后增压空气密度 增压式 新鲜空气量而非混合气量 1 四冲程发动机换气过程2 配气相位对发动机性能的影响3 充量系数的定义及影响因素4 进排气动态效应 1 充量系数 c的定义 c 实际进气质量 理论进气质量 c的测量方法 实测ma 热线 孔板 层流 涡列流量计 质量流量法 测进气管内气体状态参数 如温度 压力 求出ma 速度密度法 充量系数分析式 充量系数是衡量内燃机充气性能的一个重要指标 其定义为 内燃机每循环实际进入气缸的新鲜充量与以进气管内状态充满气缸的工作容积的理论充量之比 记残余废气系数为 r 进气终了缸内残余废气质量为 rma 进气门关闭时缸内气体总质量为 m1 ma mr 1 r ma据充量系数定义 引入气体状态方程和压缩比的定义 下标s表示进气管状态 1表示进气门关闭时缸内状态 涡流稳流试验台的示意图 EQ491汽油机怠速工况示功图 降低进气系统的流动阻力 进气系统的流动阻力 按其性质可分为两类 沿程阻力 管道摩擦阻力 与管长和管道表面质量有关 局部阻力 由于流通截面大小 形状及流通方向变化 在局部产生涡流损失引起的阻力 在内燃机进气流动中 由于管道较短 壁面比较光滑 其沿程阻力并不大 而局部阻力则是流动中的主要损失 它由一系列的局部阻力叠加而成 尤其在进气门座处 空气滤清器和流道转弯处 流动损失更为明显 降低进气门处的流动损失 进气门座处的流通截面 是进气流道中截面最小 流速最高的地方 因而该处的局部阻力最大 该阻力除了与阻力系数 有关外 还与该处的流动速度v的平方成正比 即 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 进气马赫数 过高的气体流速 还会发生气体阻塞现象 定义平均进气马赫数Ma 马赫数与充量系数的关系 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 其大小与发动机的转速成正比 小型四冲程发动机 当Ma超过0 5后 充量系数急剧下降 气门布置 流通系数Flowcoefficient 实际流率 理论流率 无气门阻隔 无摩擦 注意平衡流动损失与缸内涡流比的矛盾 柴油机和GDI汽油机 涡流比 进气切向涡流转速 发动机转速 Flowpatternsincombustionengines 一般高速内燃机均利用气道组织缸内气流运动 以利于燃烧 但这势必影响气门的流量系数 增大流动损失 在设计及制造中 尽可能保证气道内壁过渡圆滑 平稳 避免气流急转弯现象 降低流动阻力 pa 的措施 降低马赫数 气门流通面积 2气门 ds D 2 20 25 4气门则30 以上气门数 转矩 允许最高转速 则最大功率 4气门技术还有什么好处 火花塞 喷油器中心布置 有利于提高压缩比 汽 或混合气形成质量 柴 灵活控制进气涡流 有利于合理组织混合气形成 优化燃烧 在2气门结构中 进气门直径与缸径的比值可达45 50 面积比为0 2 0 25 这样排气门得缩小 排气门过小又会增大排气阻力 降低流动阻力 pa 的措施 增加进气门数目 可以取得与加大进气门直径同样的效果 过去高速柴油机在缸径大于120mm时才考虑采用两进 两排的可能性 现在对于80 90mm的柴油机 也认为采用4气门利大于弊 采用两进 两排的气门结构后 进气门面积之和可达到气缸面积的30 几乎比2气门提高30 一50 多气门 减小进气门流通截面处流动损失的具体措施 进气门流通截面积与气缸截面的比值 DOHC4气门发动机优缺点的比较 不同气门发动机性能比较 进气升温 Ta 对 c的影响 配气相位对 c的影响 稳态进气速度特性 工况 定义 充量系数 c随发动机转速或活塞速度的变化规律 c决定了发动机的最大动力性 转矩和功率 汽油机 n c 部分负荷时 随n c 斜率更大 柴油机 n c 但斜率小于汽油机 部分负荷时 c略升 稳态进气速度特性 工况 A 燃料气化占体积 c减小 且不随转速变化 B 进气温升 低速传热时间加长 Ta 偏高 高速则低一些 D 流动阻力 某一进气晚关角的进气速度特性曲线 C 具有最佳进气晚关角的进气速度特性曲线 分析充量系数 c随发动机转速和负荷变化规律的原因 进气晚关角对充量系数 c的影响 D2曲线晚关角 D1曲线晚关角 进气晚关角加大 低速充量系数 c降低 而高速充气性能改善 C曲线是不同进气晚关角D曲线的包络线 可变配气正时 VVT 技术既可以用来提高热效率 也可以用来优化动力性 主要内容 1 四冲程发动机换气过程2 配气相位对发动机性能的影响3 充量系数的定义及影响因素4 进排气动态效应 管道中压力波传播的基本知识 压力单波及其分类 压力单波 管中某一点向左右两方向以波速a传播的扰动沿管道正方向传播的叫右行波 向另一方向传播的叫左行波压力单波传到之处 其效果是使该处压力 速度上升者叫密波 压缩波 反之 使该处压力 速度下降者叫疏波 膨胀波 右行压缩波 dpR dvR 右行膨胀波 dpR dvR 左行压缩波 dpL dvL 左行膨胀波 dpL dvL 边界条件与反射波 封闭端 v 0dv dvR dvL 0 dvL dvR dpL dpR全正反射 反射波性质及幅值均与来波完全相同开口端 p pz 管外背压 dp dpR dpL 0 dpL dpR dvL dvR全负反射 反射波性质与来波相反 幅值相同由封闭到全开口 孔口不断加大全正反射 部分正反射 无反射 部分负反射 全负反射 图中u即文字中v 速度 压力波在管路中的传播和反射 假设压力波经反射后 声速变化不大 都以a表示 速度假设由零瞬间增加到 Wp 并保持 Wp运动 t 4L a的瞬时 反射压缩波到达活塞端 整个管路恢复了活塞开始运动前的状态 压力变化和速度变化完成一个循环 由于活塞继续运动 气体状态又重复这一过程 图中u即文字中v 速度 什么是进 排气动态效应 定义 压力波动对进 排气过程 充量系数 排气流率以及各缸进 排气不均匀性 的影响称为动态效应 压力波进气后期到达 c会有较大增加 而前期和中期到达 没有什么影响 单缸机进气管动态效应 本循环 惯性效应 设进气门开启时间为 ts 压力波传播周期为 t 2L a t ts时 反射波对进气无影响 t ts时 反射波在进气后期到达气门口时 c提高 单缸机进气管动态效应的利用 本循环 惯性效应 管长L与转速n要合理匹配 L太长 对 c没有影响 太小 多次返回的密波和疏波相互抵消 随着L c曲线的峰值 并且 峰值位置向高频率比 即进气管长度L 的一方移动 同时曲线中出现较低的 c值 机型和管长对 c的影响 当Ma 0 5时 进气门处流速过高 会产生流动阻塞 c迅速下降 在这种情况下 进气管内的压力波动效应对增加气缸的 c失去作用 所以 柴油机进气门处的Ma越低 越能利用进气系统内的压力波动效应以增加 c值 进气管长 易于产生谐振效应 单缸机进气管动态效应的利用 上循环 波动效应 上循环残余压力波动的正压波如能处于本循环进气时期 c 记气门口处压力波动