第4章_换气过程与循环充量

点燃式和压燃式内燃机工作过程、燃烧理论、性能分析及参数调控,Email:sjshuaiPhone14,汽车发动机原理,帅石金,清华大学汽车工程系,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(Gasexchange)过程,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,1)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：410CA480CA,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)换气过程与换气系统换气系统：(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）,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,2)换气过程分期排气过程(=240260)自由排气阶段(超、亚临界):1/3强制排气阶段:2/3进气过程(=230265)核心问题是充量系数c的问题气门重叠过程(=080),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,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),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,2)排气晚关角ec过小，惯性利用不够过大，废气倒流存在最佳ec3)进气早开角ao过小，进气不够过大，废气倒流进气管（回火）存在最佳ao4)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影响大存在最佳ac,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,5)气门重叠(overlap)自吸式汽油机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,进气压力波,V10非增压柴油机,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,V10非增压柴油机,排气压力波,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)管道中压力波传播的基本知识音速与压力波速压力波传播：当管道界面处产生一个压力或速度的变化（扰动）时，由于流体的可压缩性，该扰动将波及相邻区段，然后依次向前传播静止介质中，压力波的传播速度就是该介质状态下的音速,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)管道中压力波传播的基本知识音速与压力波速压力波传播：当管道界面处产生一个压力或速度的变化（扰动）时，由于流体的可压缩性，该扰动将波及相邻区段，然后依次向前传播静止介质中，压力波的传播速度就是该介质状态下的音速若介质具有速度v，则压力波传播速度：c=va,dpdv,c=va,a,v,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)管道中压力波传播的基本知识(2)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c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(+),dpdv,dpR=advR,dpL=-advL,c=va,v,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)管道中压力波传播的基本知识(3)边界条件与反射波封闭端：v=0dv=dvR+dvL=0dvL=-dvRdpL=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=0dpL=-dpRdvL=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是孔口不断加大的过程：全正反射部分正反射无反射部分负反射全负反射,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,2)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,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,3)单缸机进气管动态效应的利用本循环(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（b）tts时,反射波对进气无影响（c）tts时,反射波在进气后期到达气门口时，c提高,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,3)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,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,3)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，则会对c有利记气门口处压力波动频率为：f1=a/(4L)进气门开启频率为：f2=n/120则：频率比q=f1/f2=30a/(nL)由左图可知：q=1,2,3正整数时,残余负波到达,对c不利q=1.5,2.5,残余正波到达,对c有利,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,3)单缸机进气管动态效应的利用惯性效应波动效应增压问题：c随转速和进气管长变化，仅在某一狭窄区域得到改善方案：可变进气管长度技术,增加管长可以提高低速充量系数,可变进气管长度技术,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,4)多缸机的动态效应与各缸不均匀性多缸机的进、排气管不是独立的，而是相互连通的，因而存在“进气干涉”（“抢气”）和“排气干涉”，造成各缸不均匀,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,4)多缸机的动态效应与各缸不均匀性多缸机的进、排气管不是独立的，而是相互连通的，因而存在“进气干涉”（“抢气”）和“排气干涉”，造成各缸不均匀,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,4)多缸机的动态效应与各缸不均匀性多缸机的进、排气管不是独立的，而是相互连通的，