第2章-发动机的换气过程.ppt

第2章发动机的换气过程,学习目标,重点掌握影响充气效率的各种因素；熟悉发动机的换气过程和换气损失；熟悉充气效率对发动机性能的影响；了解提高充气效率的有效措施。,发动机的换气过程概念和任务,发动机的换气过程包含排气过程和进气过程。换气过程的任务是：将气缸内上一循环的废气排除干净，为下一循环充入尽可能多的新鲜工质，保证发动机动力周而复始地输出。,研究换气过程的目的,发动机动力源自燃料在气缸内燃烧所产生的热能。1L汽油完全燃烧约需10000L空气，1L柴油完全燃烧所需的空气则更多。由此可见燃料在混合气中所占容积很小，而且通过喷油器对燃料量进行精确控制已无困难。因此，要想提高发动机的功率和转矩，关键在于充入气缸空气量的多少。我们研究换气过程，目的在于了解换气过程的工作状态，分析影响充气量的各种因素，从中寻求减少换气损失和提高充气量的措施。,3.1四行程发动机的换气过程,3.1.1换气过程四行程发动机的换气过程始于排气门开启，止于进气门关闭，约占400500曲轴转角。根据气体流动特点，一般将此过程分成五个阶段。,换气过程示意图,换气过程示意图,图3.1四行程发动机的换气过程,1自由排气阶段,图中b-b段表示。从排气门开启至气缸内压力接近于排气管内压力的这一阶段是自由排气阶段。其气体流动特点是废气在压差作用下自由排出气缸。尽管自由排气阶段在整个排气过程中所占时间比例不大，但由于废气流速很高，排出废气量仍可高达60%70%。,自由排气的阶段划分,自由排气阶段初期，压差很大，气流呈超临界状态（气缸内压力p高于排气管内压力pp的2倍），气体流速最大值等于该处气体状态下的音速（可能达到500600m/s），并伴有刺耳的噪音，此时排气量与排气门前后压力差无关，只取决于气门开启面积和气体的状态。自由排气阶段后期，气流呈亚临界状态（气缸内压力低于排气管内压力2倍），此时气流平稳无噪音，排气量取决于排气门前后的压力差。,2强制排气阶段,图中b-2段表示。从自由排气结束到进气门开启这一阶段是强制排气阶段。活塞从下止点向上止点运动，将废气推出气缸。此时气缸内压力略高于排气管内压力，气流平缓，排气量取决于活塞运动速度及气门开启程度。,3扫气阶段,图中2-1段表示。从进气门开启到排气门关闭的这一阶段是扫气阶段。此时进排气门同时打开，废气在惯性作用下继续排出，新鲜工质开始进入气缸。有些发动机进气在螺旋管道作用下产生旋流，还能形成挤出废气的作用。,4充气阶段,图中1-a段表示。从排气门关闭到进气行程结束（活塞运动到下止点）的这一阶段是充气阶段。活塞从上止点运动到下止点的过程中，气缸内压力低于进气管内压力，新鲜工质在负压作用下被吸入气缸内。,5后充气阶段,图中a-a段表示。从下止点到进气门关闭的这一阶段是后充气阶段。此时是利用气流惯性和波动效应，使新鲜工质继续流入气缸，从而提高充气效率。,排气开启提前角,在排气过程中，由于排气门在开启初期气流通过截面太小，废气无法畅通排出。如果排气门在下止点开启，势必造成气缸内压力太高，活塞上行阻力很大，排气行程消耗的功率较多。因此，排气门在活塞运行到下止点前就提前打开，到达下止点时，排气门已具备了必要的开度。从排气门开启b点到下止点的曲轴转角被称为排气开启提前角，一般在2080之间。,排气关闭延迟角,活塞运行到上止点时，由于废气有一定的流速，可以利用气流的惯性进一步排除废气，从而降低排气终了气缸内的压力，为充入更多的新鲜工质打好基础。因此，排气门在上止点后才关闭，从上止点到排气门关闭1点的曲轴转角被称为排气关闭延迟角，一般在030之间（多气门发动机可能出现负值）。,进气开启提前角,在进气过程中，为保证新鲜工质能顺利地进入气缸，进气门也要提前打开。从进气门开启2点到上止点的曲轴转角被称为进气开启提前角，一般在030之间（多气门发动机可能出现负值）。,进气关闭延迟角,进气行程终了时，因为进气流速较高，可以利用惯性更多地充入新鲜工质，从而提高进气终了压力。因此进气门也需滞后关闭。从下止点到进气门关闭a点的曲轴转角被称为进气关闭延迟角，一般在2080之间。,气门重叠角,由于排气门的延迟关闭和进气门的提前开启，换气过程中存在着进、排气门同时打开的现象,称为气门重叠。气门重叠(2-1点)的曲轴转角被称为气门重叠角，一般在050之间。增压发动机的气门重叠角较小。适当的气门重叠角可以利用新鲜工质挤出部分残余废气，但气门重叠角太大，就可能发生废气倒流进入进气管道的现象。,3.1.2换气损失,换气损失由排气损失和进气损失两部分组成。如图所示。,配气定时与换气损失,1排气损失,从排气门开启到气缸内压力降到大气压力前，发动机循环功的损失称为排气损失。它可分为：自由排气损失（图中w部分），该损失是由于排气门提前开启造成膨胀功的减少部分。强制排气损失（图中y部分），该损失是废气被推出时活塞运动受阻所消耗的功。显然，如果加大排气开启提前角，自由排气损失就会增加，但强制排气损失将会减少；如果减小排气开启提前角，自由排气损失虽然减少，但强制排气损失却会增加。因此，最佳排气开启提前角的选取原则是：两项排气损失之和（w+y）应取最小值。,2进气损失,在进气过程中，由于负压作用活塞运动受阻所消耗的功称为进气损失（图中x部分）。相对于排气损失，进气损失较小。排气损失与进气损失之和(w+x+y)被称为换气损失。,3.2四行程发动机的充气效率,充气效率v：是实际进入气缸的新鲜工质质量m与进气状态下整个气缸容积充满了新鲜工质的质量m0之比值。所谓进气状态，对非增压发动机而言，p0是当地大气压力，T0是当时环境温度；对增压发动机来说，p0是压气机出口压力，T0是压气机出口温度。,根据理想气体状态方程可得：式中：pa、Va、Ta分别为进气终了的压力、体积、温度；R气态常数；Va气缸总容积。进进气终了压力pa低于p0；进气终了温度Ta远高于T0；Va比Va要小。,v的通常范围,随着对充气效率影响因素的不断改善，特别是汽油发动机取消了化油器之后，v有了较大提高。通常v0.9。采用化油器的发动机v一般在0.8左右。充气效率高，说明发动机每循环进入气缸的新鲜工质多，发动机输出的功率和转矩增大，动力性也就提高了。由于在换气过程中进气状态十分复杂，发动机每循环的实际进气量无法进行理论计算，因此发动机的充气效率通常用实验方法测定。,3.3影响充气效率的因素,要提高发动机的动力性，必须改善换气过程的工作质量，提高充气效率。影响充气效率的因素很多，主要因素有：（1）进排气系统的流动阻力（2）气缸内的残余废气量（3）进气系统和机件对新鲜工质的加热状况（4）配气相位（5）进排气系统的动态效应,3.3.1进排气系统的流动阻力,进气终了的压力等于p0减去进气系统的压降，排气终了的压力等于p0加上排气系统的压降，而进排气系统的压降与该系统的流动阻力成正比。流体力学研究结果表明：进排气系统截面变化越急剧、管道越细长、管壁越粗糙、气体流速越高、初始压力越低、则压降（率）越大。充气效率也就越低。,3.3.2残余废气量,气缸内残余的废气量越多，充气效率就越低。因为：（1）残余废气要占用部分容积，自然会减少新鲜工质的空间，吸入新鲜工质的量也同样会减少。（2）残余废气多，则排气终了压力相对就高，气缸内负压小，吸入新鲜工质的量也会减少。（3）残余废气多，则排气终了温度相对就高，之后在进气过程中会相对提高新鲜工质的温度，造成新鲜工质密度降低，充气效率也会降低。,3.3.3进气温度,新鲜工质经过进气系统时，对于节气门体有预热装置的发动机，进气将被加热。新鲜工质进入气缸后，缸壁、活塞、缸盖等高温机件也会使工质升温（部分增压发动机除外）。工质被加温后密度将降低，充气效率也会降低。,3.3.4配气相位,合理地选择配气相位能有效地提高充气效率。理论上，增加排气门开启持续角能降低排气终了压力，增加进气门开启持续角能提高进气终了压力，均能提高充气效率。但是，在发动机实际工作中，它们是相互制约的。,1排气开启提前角,排气开启提前角越大，则自由排气时间越长，排气越充分，排气终了压力越低，充气效率则越高。但排气门的提前开启将损失膨胀功，如果排气损失过大，充气效率提高获得的利益是不可能弥补的。因此，在选择排气开启提前角时，既要考虑充气效率，同时也应注重功率损失。,2排气关闭延迟角,适度的排气关闭延迟角可利用排气的惯性作用降低排气终了压力，从而提高充气效率。但是该角过大，则会导致部分新鲜工质排出，造成燃料的浪费，得不偿失。,3进气开启提前角,增加进气开启提前角使进气畅通，将使新鲜工质吸入量增加，提高充气效率。但是，如果该角太大，废气就会从进气门排入进气管道，在进气过程中，吸入的不仅是新鲜工质，废气也被吸入，反而会降低充气效率。,4进气关闭延迟角,适度的进气关闭延迟角可以利用进气的惯性提高进气终了压力，使充气效率提高，但是该角过大，由于活塞上行反而将部分新鲜工质挤出，充气效率反而会降低。,3.3.5进排气系统的动态效应,进气管惯性效应：当进气门打开，活塞下行，使气缸内产生负压（即真空度），进气管内也随之产生负压，新鲜工质在进气管内外压差作用下，向气缸内流动并在进气管内得到加速。随着进气行程接近终了，当进气门迎着已获得充分加速的气流关小时，在进气管道中引起短暂的压力升高，导致活塞上行进行压缩行程之初，进气流动惯性仍可继续得到利用。这种利用气流动能（惯性）进行后充气增加充气量的效应，称为惯性效应。惯性效应的收益与配气定时中的进气关闭延迟角有直接关系。一般，高转速发动机要求有较大的进气关闭延迟角，才能得到较好地惯性效应。,3.3.5进排气系统的动态效应,波动效应：发动机进气行程初始阶段，气缸内负压很大，使新鲜工质高速流入，其前锋抵达活塞顶部的瞬间，会产生一个与气流方向相反的膨胀波，其传播速度等于音速减气流速度。膨胀波返回到进气口（或谐振腔）时，又向气缸方向反射一个压缩波，其传播速度等于音速加气流速度。当压缩波进入气缸时，缸内压力会达到一个峰值，若此时关闭进气门，就可以获得较高的进气终了压力，从而提高充气效率。因此，设计长度合适的进气管道，使膨胀波发出到压缩波反射回到气缸内所经历的时间，正好与进气门开启到关闭所需的时间相互配合，当压缩波到达气缸时，进气门恰好关闭，将较高压力的新鲜工质关在气缸中，从而提高充气效率。这种效应称之为本循环波动效应。实验表明，进气管道长度越长，波动效应越明显。,波动效应示意,a)进气管道a)300mm进气歧管压力波b)气门开启时压力分布b)1140mm进气歧管压力波c)气门关闭时压力分布d)进气门处压力变化,3.4提高充气效率的措施,3.4.1减小进气系统的阻力进气系统的阻力直接影响充气效率。减少空气滤清器、节气门体、进气管道、进气门等部位的气流阻力是提高充气效率的主要措施。1进气门部分在整个进气系统中，进气门处的气体通过面积最小，而且截面变化急剧，因此，此处流动阻力最大，是重点研究对象，提高充气效率的有效措施也比较多。,（1）增大气门直径,早期的进排气门是平行布置，一进一排，受气缸直径等因素限制，要加大进气门直径，必然要减小排气门直径，而排气门太小，排气阻力增大，残余废气增加，充气效率也无法提高。进排气门倾斜布置让进排气门同时增大成为可能。但倾斜角度太大，又将导致火焰传播距离加长，散热面积变大，对燃烧不利。一般进排气门轴线夹角在2070之间，气体流通能力有明显提高。详见下表。,流通能力比较,*81mm气缸数据。其余为80mm气缸数据*气门直径/气门数量,（2）增加气门数量,增加气门数量能大幅度提高工质流通能力。但是结构复杂，生产成本加大。目前，新型发动机已采用了三进二排的五气门结构，其流通能力提高近二倍。详见上表。,（3）增加气门升程,增加气门升程可以提高气体的流通能力。在气阀惯性力、摇臂与凸轮之间摩擦力允许的前提下，改变凸轮曲线的函数，让气门快开快闭，增加气门大升程的夹角，从而提高充气效率。多气门结构使气门质量减轻，惯性力减小；摇臂与凸轮之间用滚动接触代替滑动接触能大大降低其摩擦力。,（4）改善气门处流动阻力,加大气门杆与气门盘的过渡圆弧半径能产生导流作用，降低流动阻力，如图中b）所示气门的流动阻力就小于图中a）所示气门的流动阻力。气门打开后，如果其边缘离气缸壁或燃烧室壁太近，将增加流动阻力。对于倾斜布置的气门，随着气门的逐渐开启，其位置向气缸中心运动，因此，其流动阻力相对减小。,2进气管道部分,降低进气管道的流动阻力能提高充气效率。要减小进气管道内气流阻力，措施有：（1）尽量增加管道的截面积；（2）降低管道内壁的粗糙度；（3）采用圆形管道；（4）避免急弯，拐弯处圆弧过渡；（5）避免截面积急剧变化，利用圆弧过渡；（6）利用气道形成扫气涡流。,3空气滤清器部分,(1)加大气流通过截面；(2)采用高效低阻的滤芯结构和材料；(3)及时清洁和更换滤芯。,4节气门体部分,该部分除了降低节气门体和节气门的气流阻力外，还要注意对空气流量计的选择。如热丝式、热膜式流量计的流动阻力相对就小些。,3.4.2合理选择配气定时,要提高充气效率，除了选择合理的配气相位外，还要根据发动机转速和负荷的变化情况，适时地对配气相位进行微调，实现配气相位的优化控制。1可变凸轮轴相位让整根凸轮轴相对于正时皮带轮旋转一个角度，从而改变开启提前角和关闭延迟角。但气门开启持续角不变，对充气效率影响较小。,3.4.2合理选择配气定时,2可变配气相位及气门升程由2个以上的凸轮控制一个气门，因此气门的开闭角度、开闭的快慢、气门升程均可调节，能明显提高充气效率。如本田的VTEC，发动机都具有该功能。丰田的VVT-i，现代的C