第二章发动机的换气过程.ppt

第二章发动机的换气过程,换气过程,换气过程的任务,研究的内容,第一节四行程发动机的换气过程第二节四行程发动机的充量系数第三节提高充量系数的措施,第一节四行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。,1、自由排气阶段排气门开启到气缸压力接近排气管压力的这一时期，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，一般为3080曲轴转角。,（1）超临界状态排气门开启时，气缸内废气压力较高(0.2-0.5Mpa)，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。,在超临界排气时期，废气流量与排气管内压力pr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。,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）。自由排气阶段虽然历程很短，但因排气流速甚高，排出废气量达60%以上。,（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。,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。,2、强制排气阶段：活塞上行强制推出废气。缸内平均压力略高于排气管平均压力，一般高出10kpa左右：克服排气门、排气道处的阻力。气体的流速越高，此压差越大，消耗的功越多。惯性排气：排气迟闭角，一般为1035曲轴转角。,3、进气过程为了保证活塞下行时，进气门开启面积足够大，使新鲜充量顺利流入气缸，进气门在上止点前就打开。进气提前角：一般为在上止点前0-40曲轴转角正常进气：活塞下行残余废气膨胀，新鲜气体充入气缸。,惯性进气：为了充分利用高速气流的动能，进气门须在下止点后关闭，从而实现在下止点后继续充气，增加进气量。进气迟闭角：一般为在下止点后4070曲轴转角。,4、气门叠开和燃烧室扫气：进、排气门同时开启。,作用：由于进气管、气缸、排气管互相连通，可以利用气流的压差、惯性或进、排气管压力波的帮助，清除残余废气，增加进气量，降低高温零件的温度，但注意不应产生废气倒流现象。特别是增压发动机，其进气压力高，有一定数量的新鲜充量直接扫过燃烧室，帮助清除废气进入排气管，扫气效果更明显。因为汽油机新鲜充量是可燃混合气，扫气会造成燃料的损失，所以气门重叠角以新鲜充量不流入排气管为原则。柴油机没有燃料损失问题，但气门重叠角过大，会发生气门与活塞相碰的问题。,叠开角：进、排气门同时开启时对应的曲轴转角，一般为2060曲轴转角。在增压发动机可达80160的曲轴转角，因其进气压力高，扫气优点很多。,配气相位图,二、换气损失从排气门提前开启到进气门迟后关闭为止，活塞消耗在换气上的功。换气损失由排气损失和进气损失两部分组成。,1、排气损失排气损失是从排气门提前打开，直到进气行程开始，气缸内压力到达大气压力之前，循环功的损失。,（1）自由排气损失（图中面积W），是由于排气门提前打开而引起的膨胀功的减少。（2）强制排气损失（图中面积Y），是活塞上行强制推出废气所消耗的功。,在排气提前角相同情况下，排气损失随转速上升而增大，因此随转速上升排气提前角要增大。,随着排气提前角增大，自由排气损失面积增加，强制排气损失面积减小，如图中b曲线，如排气提前角减少则强制排气损失面积增加，如图中c曲线。所以最有利的排气提前角应使面积（W+Y）之和最小。,减少排气损失的措施有：1、减小排气系统阻力和排气门处的流动损失；2、合理设计排气消声系统结构和正确布置其形式，以降低排气管内排气背压；3、增大排气门直径，但受到一定结构限制；4、采用双排气门结构可取得积极效果；5、采用最佳排气提前角。其中1和5是主要措施。,2、进气损失进气损失：因进气系统的阻力而引起的功的损失。与排气损失相比，相对较小。,排气损失与进气损失之和称换气损失，即图中面积(W+X+Y)。在实际循环示功图中把面积(x+y-d)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。,减少进气损失的措施有：1、合理调整配气定时；2、加大进气门的流通截面；3、准确设计进气管流道；4、降低活塞平均速度。,第二节四行程发动机的充量系数,一、充量系数(又叫充量效率、容积效率）充量效率是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新鲜空气的质量的比值。它是衡量发动机动力性能和进气过程完善程度的重要指标。式中:ma、V1实际进入气缸的新鲜工质的质量、体积（进气状态）；ms、Vs进气状态下充满工作容积的新鲜工质的质量、气缸工作容积。,二、影响充量系数的因素（一）充量系数的表达式1）进气门关闭时缸内气体的总质量ma假定进气门关闭时气缸容积为（Vs+Vc），此时缸内气体压力、温度、密度为Pa、Ta、a，则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假定排气门关闭时缸内体积为Vr，残余废气的压力、温度、密度为Pr、Tr、r,则残余废气的质量为,3）充入气缸新鲜充量的质量为,经变换推导可知与成反比关系：,式中Pa、Ta进气状态的温度和压力；Ts、Ps进气终了时的气体温度和压力；压缩比,为了比较不同发动机残余废气量的多少，引入残余废气系数的概念，即进气过程结束时气缸内残余废气量与气缸内新鲜充量的比值：,（二）影响充气效率的因素1、进气终了时的缸内压力PaPa对有重要影响，Pa愈高，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)。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。,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，气体流速增加，pa成平方关系显著加大，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。,2、进气终了的缸内温度Ta进气终了的温度Ta高于进气状态温度Ts。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。3）在已基本淘汰的化油器式汽油机上，为了使液体燃料在进气管中蒸发，以便均匀地与空气混合而进入气缸，一般都采用废气或冷却水热量对进气管加热，故空气经过进气管时受热而温度升高。Ta愈高，充入气缸工质密度愈小，充量系数降低。补救措施：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。,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。3、残余废气系数增加，降低，燃烧恶化，油耗、排放增加，1）压缩比提高，残余废气系数减小，充气效率增大。2）进、排气门的叠开角大，残余废气系数减小，充气效率增大。3）排气系统阻力大，排气终了废气压力高，废气多，充气效率降低。,4、配气定时由的计算公式可见，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,因而有所增加。6、进气状态进气温度升高，进气压力下降均会使进入气缸充量的密度减少，绝对进气量减少，充量系数是在同一进气状态下的相对值。进气温度、进气压力变化一般对充量系数影响不大。,第三节提高充量系数的措施,一、降低进气系统的阻力二、减少对进气充量的加热三、降低排气系统流动阻力四、合理选择配气定时(进、排气相位角）五、谐振进气与可变进气支管,一、降低进气系统的阻力进气系统：空气滤清器或加进气消声器、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。1、减少进气门处的流动损失在整个进气系统中，进气门处的通过断面最小，而且截面变化大，因此流动损失大部分集中于此。,介绍两个概念：a）进气马赫数MM是进气门气流平均速度Vm与该处声速C之比，即M=Vm/C，是决定气流流动性质的重要参数。M值反映气体流动对充量系数的影响，对充气效率有重要的影响。根据一系列试验可知，在正常的配气定时条件下，当超过一定数值时，大约在0.5左右，充气效率急剧下降。因此在可能条件下应控制M在最高转速时不超过一定数值，以达到提高充气效率的目的。M受气门大小、形状、升程规律、进气相位等影响。,b）气门开启的时面值气门开启断面与对应开启时间的乘积称为气门开启的时面值。它表示气体流过气门的通过能力。气门开启时间长，开启断面大，则气门开启时面值大，气流通过能力越强，阻力越小。增大进气门头部直径、增加气门的数目；改进配气凸轮型线、增大气门升程，延长气门开启时间，均可扩大气门开启时面值。,减少进气门处流动损失的措施有：1）增大气门直径进气门直径增大,扩大气流通路截面积，充量系数提高。2）增加气门数目双气门（一进一排）：进气门直径可达活塞直径的45%-50%，气门与活塞面积之比为0.2-0.25，进气门比排气门大15%20%。受结构限制，进一步增大比例已很困难。增加气门的数目，可采用三气门结构（进2排1）、四气门结构（进2排2）、五气门结构（进3排2），是增大进气门流通面积，降低排气损失的有效措施。,多气门结构：缸径大于80mm时，采用二进二排结构；缸径小于80mm时，采用三进二排结构。,四气门机与二气门机相比，功率可提高70%，扭矩可提高30%，且响应性比增压机好，故是汽车发动机高功率化的有力措施。,3）改善气道、气门、气门座处的气体流动特性1、进气道的进口到气门座出口端的最小截面的过渡，应是圆滑的、逐步收缩的；,2、气门头部到杆身的过渡形状应从平面形顶改为凹面形顶，使过渡半径增大；3、气门盘侧面与气缸壁的距离不宜小于3mm。,上述原则都是为了气体流动时可能产生局部阻力，改善气门处的流体动力性能，降低流动阻力。,4）改进配气凸轮型线设计改进配气凸轮型线设计（包括配气相位选择、凸轮升程和气门开启规律的确定与设计），在惯性力允许条件下使气门开闭尽可能快，以增大时面值，提高气门处的气体通过能力。最大气门升程与阀盘直径之比L/d取0.26-0.28。,2、减少进气道、进气管和空气滤清器的阻力进气管、进气道要保证足够的流通面积，避免急剧转弯及截面突变，改善表面的光洁程度。汽油机：燃料的雾化、蒸发、分配、压力波的利用柴油机：满足形成进气涡流高转速、大功率时，进气管宜短粗；中、低速，进气管宜细长。空气滤清器阻力随结构不同而不同。必须在保证滤清效果的前提下，尽可能减少空气滤清器的阻力。例如：加大通过截面，改进滤清性能，设计、制造低阻、高效滤清器等。在使用中要经常清洗滤清器，特别要避免油污堵塞纸芯，及时更换滤芯等。,3、高速机上可采用较小S/D值采用较小S/D值，就降低了活塞平均速度Cm，使得摩擦力、惯性力相应减小，还由于缸经D增大，使得进气门可能增大，因而使进气能力增加。二、减少对进气充量的加热进气温度上升的大小与许多因素有关。从结构方面来看，进、排气管两侧分开布置，可以避免或减少高温排气管对进气的加热，有利于提高充量系数。柴油机、现代高速汽油机，为获得较高充量系数而采用进、排气管分两侧布置的方案。为了避免进气受热，有的发动机的进气支管采用工程塑料制成。,三、降低排气系统流动阻力排气系统流通阻力下降气缸内废气压力下降残余废气系数减少充量系数提高泵气功减少措施：A、将排气道的一部分做成扩压形，使通过气门座缝隙的气体动能一部分转化为压力能使压力明显回升。从而降低了气缸内与排气管内的压力差，降低了气缸废气压力，达到提高充量系数和降低泵气功的目的；B、选择良好的排气支管的流形，避免排气道内截面突变、急转弯和凸台，有助于降低整个流通阻力；C、在满足必要的消声效果要求下，应尽可能降低消声器的流通阻力。,四、合理选择配气定时(进、排气相位角）,在一定的配气定时条件下，充量系数在某一转速下达到最高值，此转速下能最好地利用气流的惯性充气。,在配气定时各参数中，进气门迟闭角的改变，对充量系数影响最大。传统发动机的配气定时是不能改变的，现代发动机利用气门可变正时技术则可在全部转速范围内提高充量系数。,转速增加：充量系数最大值对应的进气迟闭角增大。充量系数最大值对应的排气提前角增大。但在保证排气损失最小的前提下，尽量晚开排气门。气门叠开角：可以增加循环充量，提高充量系数，降低高温零件的热负荷，减少Nox。,五、谐振进气与可变进气支管汽车发动机工作转速范围宽广，转速不同，理想的进气管长度不同，一般高转速用较短进气管，低转速所需进气管较长。传统的进气管通常只能满足在某一