第二章 换气过程

第二章发动机的换气过程 燃烧是做功之本 燃烧需要空气与燃料 燃料容易控制 喷射式 气缸工作容积限制进气量 应该好好研究换气过程的特点 换气过程 排气过程进气过程任务 排除缸内废气并充入尽可能多的新鲜工质 本章学习线索 本章内容 四行程发动机的换气影响换气过程因素改善换气过程措施二行程发动机的换气 第一节四行程发动机换气过程 一 换气过程 排气门开启直到进气门关闭的过程 四阶段 1 自由排气2 强制排气3 气门叠开4 进气 1 自由排气阶段 p p p p 靠缸内压力将气体挤出气缸 其中p 缸内压力 p 排气管内压力 注意 气体流速很高 产生排气噪声 排气门提前开启 2 强制排气阶段 p p p p 靠活塞上行将废气挤出气缸 排气门迟闭 3 进气过程 进气提前 进气迟闭 进气迟闭角与转速有关 4 气门叠开 排气门迟闭 进气门早开 气门叠开角 非增压 20 60 CA 太大 废气回流进气道 太小 扫气作用不明显 增压 110 140 CA 对比 6135型高柴 非增压 40 增压 124 二 换气损失 理论循环换气功与实际循环换气功之差 包括 排气损失 进气损失 一 排气损失 自由排气损失W 因排气门提前开启而损失的膨胀功 强制排气损失Y 活塞作用在废气上的推出功 最佳情况 W Y 最小 二 进气损失 克服进气系统阻力 较小 所以 换气损失 进气损失 排气损失 三 泵气损失与泵气功 泵损失 X Y d 泵气功 X Y d 用功表示 第二节四行程发动机充量系数 一充量系数 一 定义实际进入气缸中的新鲜充量与理论上进气状态下充满工作容积的新鲜充量之比称为充量系数 即 进气状态 非增压 空气滤清器后进气管内的气体状态 通常取为当地的大气状态 增压 增压器出口状态 二 实际测量 其中 实际测量的进气量 L h 充量系数是衡量换气过程进行的完善程度的重要指标 柴油机0 75 0 90汽油机0 70 0 85 二 充量系数分析式 1 进气门关闭时 以下标a表示 缸内气体的总质量为 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 残余废气系数 三 影响充量系数的因素 进气状态进气终了状态残余废气系数压缩比气门正时 1 进气终了压力 进气终了压力上升 充量系数上升 1 结构因素 沿程阻力 局部阻力 2 使用因素 转速 负荷 转速 增加 进气终了压力下降 负荷 转速不变 汽油机 负荷下降 进气终了压力下降 柴油机 变化较小 2 进气终了温度 进气终了温度高于进气管状态温度 1 被高温零件加热 2 与残余废气混合被加热 3 进气利用废气或冷却水加热 化油器式汽油机 该温度上升 充量系数下降 负荷不变 转速上升 温度稍降 转速不变 负荷上升 温度上升 3 残余废气系数 4 配气定时 5 压缩比 6 进气状态 总结 从动力性角度考虑 应尽量提高充量系数 为燃烧做准备 提高措施 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 结构一定 即 c一定 第三节提高充量系数的措施 一 减少进气系统的阻力 沿程阻力 管道短 壁面光滑 一般不大 局部阻力 进气门座处 空气滤清器 流道转弯处比较明显 一 降低进气门处的流动损失 1 时面值整个气门开启时间内的气体流量 时面值 2 气门直径一般 0 20 0 25一般 进气门直径 排气门直径 3 气门数 3 气门数 一般 D 80mm 二进二排 D 80mm 三进二排 四气门 二气门 功率提高70 扭矩提高30 4 气门升程 适当增加 可提高气门通过能力 5 减少气门处流动损失 1 阀顶圆角过渡圆滑 2 减少气门 阀座锐边设计 二 减小进气管阻力 1表面光洁度和流通面积表面光洁度 流通面积 沿程阻力 2转弯和节流阻力转弯半径R 截面突变 3截面形状截面形状圆形矩形D形流动阻力小大中 三 减小进气道阻力 转弯半径R 表面光洁度 各管口与垫片孔口对中 流动阻力 四 空气滤清器 通道面积 除尘效果 流动阻力 经常清洗 更换纸芯 五 化油器 喉口截面积 流动阻力 但雾化效果 解决这对矛盾 采用双喉口 小喉口 雾化 大喉口 进气 二 降低排气系统的阻力 1 合理选择排气道结构型式 2 避免突变截面 急转弯 凸台 3 良好的排气歧管造型 4 尽量减少消声器阻力 三 降低进气温度 减少对进气加热 负荷 转速 冷却水温等都有影响 措施 进排气管分开布置 四 合理选择配气定时 配气定时对充量系数的影响 1 转速一定 有一最佳进气迟闭角 可得最大充量系数 2 不同进气迟闭角 最大充量系数对应的转速不同 3 气门重叠角过大 废气易倒流回气缸 过小 扫气不干净 充量系数下降 配气定时的评定 良好的充量系数以保证发动机的动力性能 合适的充量系数曲线以保证发动机的扭矩特性 较小的换气损失以保证发动机的经济性能 保证高温零件可靠性和减少排污 保证必要的起动性 五 进气管的动态效应 现象 195柴油机 进气管长度L 300mmL 1140mm 五 进气管的动态效应 利用进排气间歇产生压力波来提高进气门关闭前的进气压力 提高充量系数 优点 结构简单 惯性小 响应快 分类 惯性效应 波动效应 进气管的动态效应 闭口端 进 压缩波 反射 压缩波 同型波进 膨胀波 反射 膨胀波 同型波开口端 进 压缩波 反射 膨胀波 异型波进 膨胀波 反射 压缩波 异型波 进气管的动态效应 1 惯性效应 膨胀波 压缩波 阶段 进气门开 进气门闭 膨胀波 压缩波 进气门闭 2 波动效应阶段 进气门闭 下一循环进气门开 压缩波 膨胀波 膨胀波 压缩波 进气门开 压力波动是周期性的 六 可变进气系统技术 1 可变进气管稳压室下游 转换阀 长短进气管 中低速 关阀 长管 高速 开阀 同时用长短管 2 可变气门定时 1 凸轮相位可变 2 进气持续期可变 第四节二行程发动机的换气过程 一 换气过程 1 自由排气2 扫气和强制排气3 额外排气 1 自由排气 从排气口开启直到新鲜充量进入气缸为止 称为自由排气阶段 排气口开启 一般在下止点前60 75 CA 排气流量与排气管内的气体状态无关 只取决于缸内气体的状态和排气口流通截面的大小 在自由排气阶段 缸内燃气可以流出大约70 80 2 扫气和强制排气阶段 扫气与强制排气阶段 扫气口开启 新鲜充量进入气缸 直到活塞下行到下止点后再上行将扫气口关闭为止 小 扫气口开度很小 而排气口已开大 主要的流动阻力在扫气口 中 随着活塞的下行及废气的迅速外流 由于扫气口开度也已经加大 可以使新鲜充量急速流入气缸中 大 扫气口与排气口开度均较大 扫气气流经过扫气口进入气缸 将缸内废气从排气口压向排气管 实现气缸扫气 3 过后排气或过后充气阶段 过后排气阶段 额外排气 从扫气口关闭到排气口关闭期间 过后充气阶段 对于扫气口关闭时刻晚于排气口的发动机而言 可以获得新鲜充量的额外加入 该阶段所持续的时间较短 二 二冲程内燃机的换气过程的特点 1 换气时间短 2 进 排气过程同时进行二冲程内燃机的换气质量比四冲程内燃机的差 3 扫气消耗功大 4 二冲程汽油机的HC排放高 二冲程发动机适用范围 二冲程内燃机适合于工况稳定的大型低速船用或固定式 如发电机组 以及对比功率 比质量指标要求较高的摩托车发动机以及小型汽油机 三 扫气 1 曲轴箱扫气 曲轴箱压缩比 最大容积与最小容积之比 特点 结构简单 紧凑 用于小型汽油机及单缸柴油机 2 单独的扫气泵 转子泵或离心泵 由发动机曲轴驱动 3 废气涡轮增压 四 扫气系统的基本形式 根据新鲜充量在气缸中流动的性质 分为横流 回流和直流 1 横流扫气 结构 扫气口与排气口布置在气缸圆周相对的两个壁面上 扫气口在纵横方向均有倾斜角 优点 结构简单 制造方便 且可以降低内燃机的高度尺寸 2 回流扫气 结构 扫气口与排气口位于气缸同侧 扫气门在纵横方向有倾斜角 优点 其结构简单 制造方便 在小型高速汽油机上获得广泛应用 3 直流扫气 特点 扫气气流沿气缸轴线运动 气门 气孔换气方案 1 排气门由凸轮机构驱动 可实现不对称换气 将排气门较早关闭 以达到过后充气的目的 2 扫气口沿切线方向排列 较好地避免新鲜充量与废气的互相混合 并排出废气 缺点 结构较为复杂 排气门的尺寸也比四冲程内燃机大 五 换气质量的评价 1 扫气系数 换气过程结束后 留在气缸内的新鲜充量的质量m0与缸内气体总质量mg的比值 即式中 mr是残余废气质量 衡量扫气效果优劣的重要标志 值越大 扫气效果越好 2 过量扫气系数 每循环流过扫气口的充量质量mk与扫气状态 ps Ts 下气缸工作容积的充量质量ms之比 一般为1 2 1 5 换气系统越完善 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