第3章发动机的换气过程

1、第三章第三章 发动机的换气过程发动机的换气过程 第一节第一节 四行程发动机的换气过程四行程发动机的换气过程 第二节第二节 四行程发动机的充气系数四行程发动机的充气系数 第三节第三节 提高充气系数的措施提高充气系数的措施 第四节第四节 可变技术可变技术 本章主要内容本章主要内容 四行程发动机的换气过程四行程发动机的换气过程 发动机换气过程评价指标充气效发动机换气过程评价指标充气效 率率V V 改进四行程发动机换气过程的措施改进四行程发动机换气过程的措施 可变技术（可变技术（简简） 第一节第一节 四冲程发动机的换气过程四冲程发动机的换气过程 所谓所谓换气换气（即排旧充新），就是把前一循环（即排旧充

2、新），就是把前一循环 中燃烧的废气从气缸中清除出去，并使新鲜中燃烧的废气从气缸中清除出去，并使新鲜 充量（空气或可燃混合气）充入气缸。充量（空气或可燃混合气）充入气缸。 目的：目的：希望排净废气，多进新气。希望排净废气，多进新气。 换气过程的好坏：换气过程的好坏：直接影响发动机的动力性，直接影响发动机的动力性， 经济性指标及气缸的热负荷。经济性指标及气缸的热负荷。 一、换气过程一、换气过程 从排气门开启从排气门开启 进气门关闭。实际曲进气门关闭。实际曲 轴转角轴转角4104100 0-480-4800 0。 。 1.1.自由排气阶段自由排气阶段 靠缸内压力将气体挤出气缸，气体以超靠缸内压力将气

3、体挤出气缸，气体以超 临界状态（超音速）流出。临界状态（超音速）流出。 特点：特点：流出速度高，排量达（流出速度高，排量达（60-70）%，伴随，伴随 有特殊刺耳的噪声有特殊刺耳的噪声 排气门开启时刻与排气提前角相关排气门开启时刻与排气提前角相关 排气提前角排气提前角 ，膨胀功损失，膨胀功损失W W ，但膨胀行程，但膨胀行程 所消耗的功所消耗的功 ；否则，相反。；否则，相反。 排气提前角要适当，不宜太大或太小。一般排气提前角要适当，不宜太大或太小。一般 为为=30=300 0-80-800 0 。 。 2.强制排气阶段强制排气阶段 活塞从下活塞从下 向上，活塞上行将废气挤出气向上，活塞上行将废

4、气挤出气 缸。缸。 在此阶段，气缸压力高于排气管压力在此阶段，气缸压力高于排气管压力9.8kPa 左右。此差值主要为排气门节流所致，流速左右。此差值主要为排气门节流所致，流速 越高，差值越大。越高，差值越大。 在排气终了，因排气门将要关闭，气门开度在排气终了，因排气门将要关闭，气门开度 很小，节流作用增强，为此，常使排气迟后很小，节流作用增强，为此，常使排气迟后 关闭，一般迟闭角关闭，一般迟闭角=10=100 0-35-350 0 。 过大，会使废气倒流。过大，会使废气倒流。 3.进气阶段 由于节流作用由于节流作用, , 缸内产生负压；使新鲜介质进缸内产生负压；使新鲜介质进 入缸内。入缸内。

5、进气门：进气门：提前开：进气初期增大气流通道提前开：进气初期增大气流通道=0-40=0-400 0 迟后关：利用惯性进气迟后关：利用惯性进气=40-80=40-800 0 。 。 目的：目的：延长进气时间，增加新鲜充量。延长进气时间，增加新鲜充量。 进气损失进气损失X X：克服因进气过程气缸内压力低于大气克服因进气过程气缸内压力低于大气 压力而形成的阻止活塞下行的一种阻力消耗的功。压力而形成的阻止活塞下行的一种阻力消耗的功。 4.气阀叠开和燃烧室扫气气阀叠开和燃烧室扫气 在排气、进气两过程之间，存在两气门同时开在排气、进气两过程之间，存在两气门同时开 启的现象。非增压发动机的气门启的现象。非增

6、压发动机的气门叠开角叠开角一般为一般为 20-6020-600 0 。 适当的适当的气门气门叠开角：可以减叠开角：可以减 少残余废气，增大进气量。少残余废气，增大进气量。 增压发动机气门叠开角可以增压发动机气门叠开角可以 增大很多，进行燃烧室扫气增大很多，进行燃烧室扫气。 二、二、换气损失和泵气损失换气损失和泵气损失 换气损失由排气损失和进气损失组成。换气损失由排气损失和进气损失组成。 1.1.排气损失：排气损失： 排气损失排气损失= =自由排气损失自由排气损失W +强制排气损失强制排气损失Y 自由排气损失自由排气损失W 相当于膨胀功的减少相当于膨胀功的减少； 强制排气损失强制排气损失Y 是把

7、废气推出气缸所消耗的功是把废气推出气缸所消耗的功 。 2. 进气损失功进气损失功X 为进气系统内气体克服气缸进气吸为进气系统内气体克服气缸进气吸 力所消耗的功。力所消耗的功。 换气损失形成的原因：换气损失形成的原因： 排气门早开；排气门早开； 活塞上行推出废气；活塞上行推出废气； 气体流动损失；气体流动损失； 克服进气过程的真空吸力。克服进气过程的真空吸力。 3. 3. 泵气损失功泵气损失功 其大小为：其大小为：X+Y-uX+Y-u。 在实际示功图中，把（在实际示功图中，把（W+uW+u） 归到指示归到指示 功中考虑，而把泵气损失功功中考虑，而把泵气损失功 （X+Y-uX+Y-u） 归到机械损

8、失中考虑。归到机械损失中考虑。 最有利的排气提前角最有利的排气提前角 最有利的排气提前角最有利的排气提前角 应使（应使（W WY Y）之和为之和为 最小。最小。 过早过早 过晚过晚 排气门面积过小排气门面积过小 转速提高转速提高 第二节第二节 四冲程发动机的充气效率四冲程发动机的充气效率 一、一、充气效率（充气系数）充气效率（充气系数） 1.1.定义定义 实际进入气缸的新鲜充量与进气状态下充满气缸实际进入气缸的新鲜充量与进气状态下充满气缸 工作容积的比值。工作容积的比值。 式中：式中： 为实际充量的重量、质量和体积；为实际充量的重量、质量和体积； 为理论充量的重量、质量和体积。为理论充量的重量

9、、质量和体积。 缸工作容积的新鲜充量以标准大气状态充满汽 量实际进入汽缸的新鲜充 v v h G G m m V V 00 1 Gm V, 1 Gm V 001 , 进气状态进气状态 非增压：空气滤清器后进气管内的气体状态，通非增压：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。常取为当地的大气状态。 增增 压：增压器出口状态。压：增压器出口状态。 的意义：的意义： 表明了每循环新鲜充量充满气缸的程度。表明了每循环新鲜充量充满气缸的程度。 充气效率是衡量换气过程进行得完善程度的重要充气效率是衡量换气过程进行得完善程度的重要 指标。指标。 由于有进气阻力等因素的影响，实际进入气缸中由

10、于有进气阻力等因素的影响，实际进入气缸中 的新鲜充量必然小于理论上进气状态下充满工作的新鲜充量必然小于理论上进气状态下充满工作 容积的新鲜充量。容积的新鲜充量。 v 2. 的实际测量的实际测量 实际中，实际中， 始终小于始终小于1 1，理想情况等于，理想情况等于1 1。 柴油机：柴油机：0.750.750.900.90； 汽油机：汽油机：0.700.700.850.85。 v 1 h v V V 理论流量 实际流量 v 二、二、充量效率的解析式充量效率的解析式 充入气缸的新鲜充量充入气缸的新鲜充量 = = 缸内气体的总质量缸内残余废气质量缸内气体的总质量缸内残余废气质量 充气效率的解析式 0

11、m m v 0 c h r c r a c hc V V V V V VV 三、影响充气效率的因素分析三、影响充气效率的因素分析 充气效率的数学表达式充气效率的数学表达式 式中：式中：残余废气系数；残余废气系数；ppa a 配气定时配气定时; ; 压缩比压缩比; ; p ps s 、T Ts s （ （p pa a 、T Ta a ） ）进气（进气终了）时的压力和温度。进气（进气终了）时的压力和温度。 由上式可以看出，影响充气效率的因素有：由上式可以看出，影响充气效率的因素有： 1 1、进气终了压力进气终了压力 2 2、进气终了温度进气终了温度 3、压缩比压缩比 4、残余废气系数残余废气系数

12、5、进气压力和温度进气压力和温度p ps s 、T Ts s a p a T 1 1 1 a a s s v T p p T 1 1、进气终了压力进气终了压力 决定于：发动机进气系统的结构决定于：发动机进气系统的结构； 发动机的使用情况发动机的使用情况n n。 对于进气系统：对于进气系统： 当大气压力当大气压力P P0 0一定时，一定时，P P ，P Pa a ； ； P P气体流过进气系统引起的压力降气体流过进气系统引起的压力降; ; 由流体力学知：由流体力学知： 而而v v正比于正比于n n，即，即 则则 管道阻力系数；管道阻力系数； v v 气体在管道内的流速；气体在管道内的流速； r0

13、 大气比重大气比重; ; a p P0= Pa-P a p g v p 2 2 0 2 2 0 2 nk g v p nkv P P、PaPa随随n n变化关系变化关系: : P P随随n n变化关系（变化关系（一定时一定时 ） P 0 0 n Pa Pa随随n n变化关系（变化关系（一定时一定时 ） Pa 0 0 n 1 1） 随随n n的变化关系的变化关系（配气正时一定）（配气正时一定） n1 n 当当nnnnnn1 1时，进气迟闭角显的过小，时，进气迟闭角显的过小， P P ， 。 提问：提问：既然在配气正时一定的条件下只有一种转速既然在配气正时一定的条件下只有一种转速 最佳，实际情况是

14、需要多种转速下最佳，实际情况是需要多种转速下 最佳，如何解决最佳，如何解决 这一矛盾？（采取可变气门正时技术）这一矛盾？（采取可变气门正时技术） v v v v v v 2 2） 随的随的PePe变化关系变化关系 柴油机：柴油机： 汽油机：汽油机： Pe Pe PePe v v v 柴油机、汽油机的柴油机、汽油机的 随随PePe变化不同原因变化不同原因 柴油机负荷调节柴油机负荷调节质调节：质调节： 改变供应量、进气量不变，使得改变供应量、进气量不变，使得改变；改变； 汽油机负荷调节汽油机负荷调节量调节：量调节： 进气量改变、进气量改变、基本不变。基本不变。 当负荷当负荷 ，节气门开度，节气门开

15、度 ，进气阻力，进气阻力 ， 。 v v 2 2、进气终了温度、进气终了温度 TaTa T T0 0, Ta, Ta= =T T0 0+ +T.T. T T的产生：的产生：新气与高温零件接触被加热；新气与高温零件接触被加热； 新气与残余废气混合；新气与残余废气混合； 气体流动损失功转化为热量；气体流动损失功转化为热量； 废气加热进气管（汽油机）废气加热进气管（汽油机） 降低降低TaTa的主要途径：的主要途径： 尽量排净废气；尽量排净废气； 抑制进气过程中新气的温度升高值。抑制进气过程中新气的温度升高值。 a T T aav 3 3、压缩比、压缩比 压缩比压缩比 ，压缩容积，压缩容积 ，残余废气

16、量，残余废气量 ， 。 4、残余废气系数残余废气系数 排气终了压力排气终了压力Pr的高低直接影响残余废气量的多少，的高低直接影响残余废气量的多少， Pr ，缸内残余废气量，缸内残余废气量 ，使，使 ；TrTr , ,T T , , 。 进排气门的叠开角大，压缩比高，进排气门的叠开角大，压缩比高， 。 v v v 5 5、进气压力和温度、进气压力和温度p ps s 、T Ts s 进气温度进气温度T Ts s升高，进气压力升高，进气压力p ps s下降均会使进入下降均会使进入 气缸充量的密度减小，绝对进气量减少，但影气缸充量的密度减小，绝对进气量减少，但影 响较小。响较小。 第三节第三节 提高充

17、气效率的措施提高充气效率的措施 主要为两方面：主要为两方面： 减小进气系统的流动阻力减小进气系统的流动阻力: : 沿程阻力，局部阻力（节流阻力）沿程阻力，局部阻力（节流阻力）； 合理选择配气正时。合理选择配气正时。 一、减小进气系统的流动阻力一、减小进气系统的流动阻力 1.1.进气门处进气门处 是整个进气系统中气流是整个进气系统中气流 通道截面最小，也是气流阻通道截面最小，也是气流阻 力最大的地方。力最大的地方。 1 1）保证尽可能大的）保证尽可能大的 气门通过能力气门通过能力时面值时面值 时面值表示了气门的时面值表示了气门的 通过能力通过能力 fdtvm m 2 2）合理控制进气马赫数）合理

18、控制进气马赫数M M值值小于小于0.50.5 进气马赫数进气马赫数M Ma a是进气门处是进气门处 气体的平均速度气体的平均速度v vm m与该处与该处 声速声速c c的比值的比值。 当当M Ma a 超过一定数值 超过一定数值(0.5(0.5左左 右右) )时，时，v v 便急剧下降。 便急剧下降。 限制限制M Ma a值对于高速发动机值对于高速发动机 尤为重要。尤为重要。 3 3）气门直径和气门数）气门直径和气门数 加大进气门直加大进气门直 径径扩大气流通路扩大气流通路 截面积截面积。 实际中使进气门实际中使进气门 直径大于排气门直径直径大于排气门直径 20%20%； 增加气门数目：增加气

19、门数目： 采用二进二排或三进采用二进二排或三进 二排，但使气门控制复二排，但使气门控制复 杂化。杂化。 4 4）气门升程）气门升程 适当增大气门升程，通过改进凸轮型适当增大气门升程，通过改进凸轮型 线设计实现。线设计实现。 气门升程气门升程 最大气门升程与阀盘最大气门升程与阀盘 直径之比直径之比 L/dL/d取取0.260.260.280.28。 u减少气门处的流动损失减少气门处的流动损失改善气门处流改善气门处流 体动力性能，如气门头部到杆身的过渡形体动力性能，如气门头部到杆身的过渡形 状，气门和气门座的锐边等。状，气门和气门座的锐边等。 改善配气机构的措施改善配气机构的措施 2 2、进气管和

20、进气道、进气管和进气道 总要求：总要求：保证足够的流通截面，避免急转弯及截面突变，保证足够的流通截面，避免急转弯及截面突变， 改善管道表面的光洁度。改善管道表面的光洁度。 表面光洁度表面光洁度 ，流通面积，流通面积 沿程阻力沿程阻力 。 管道截面形状：管道截面形状： 在管道截面积相等时，在管道截面积相等时， 矩形阻力矩形阻力D形阻力形阻力圆形阻力；圆形阻力； 汽油机考虑雾化，蒸发汽油机考虑雾化，蒸发 , ,常选用常选用D D形或矩形截面形或矩形截面进气管进气管； 柴油机不存在蒸发问题，多采用流动阻力小的圆形柴油机不存在蒸发问题，多采用流动阻力小的圆形截面截面 进气管。进气管。 v 进气道进气道

21、 转弯半径转弯半径R R ，表面光洁度，表面光洁度 ，各管口与垫片，各管口与垫片 孔口对中孔口对中流动阻力流动阻力 。 进气道设计时还要考虑组织进气涡流。进气道设计时还要考虑组织进气涡流。 在发动机维修装配过程中，必须保证进气管在发动机维修装配过程中，必须保证进气管 口、道口及其之间所加的密封垫孔口三者对口、道口及其之间所加的密封垫孔口三者对 齐。齐。 v 几种不同形式的滤芯：几种不同形式的滤芯： 3 3、空气滤清器、空气滤清器 在保证空气滤清效果的前提下，尽可能减小阻力。在保证空气滤清效果的前提下，尽可能减小阻力。 空气滤清器阻力随滤芯结构（微孔纸质滤芯、锯空气滤清器阻力随滤芯结构（微孔纸质

22、滤芯、锯 末滤芯）不同而不同。末滤芯）不同而不同。 空气滤清器的作用：空气滤清器的作用： 阻止灰尘、杂质进入气缸，减少磨损，延长使用阻止灰尘、杂质进入气缸，减少磨损，延长使用 寿命；寿命； 完成进气消声；完成进气消声； 对于滤芯：对于滤芯： 使用中要定期清洗保养，避免积垢，使阻力增加；使用中要定期清洗保养，避免积垢，使阻力增加； 注意及时更换滤芯（滤芯属易损件）。注意及时更换滤芯（滤芯属易损件）。 二、合理选择配气正时二、合理选择配气正时 1.1.配气正时配气正时 进排气早开迟闭角进排气早开迟闭角 相对于上下止点的位置。相对于上下止点的位置。 在下止点前排气在下止点前排气 排气提前角排气提前角

23、3030 8080 ； 在上止点后关闭在上止点后关闭 排气迟闭角排气迟闭角1010 3535 ； 在上止点前吸气在上止点前吸气 进气提前角进气提前角 0 0 4040 ； 在下止点后关闭在下止点后关闭 进气迟闭角进气迟闭角4040 8080 ； 四个角度中，进气迟闭角最重要四个角度中，进气迟闭角最重要 由于惯性力的限制，进排气门不能开启由于惯性力的限制，进排气门不能开启 太快，因而必须有太快，因而必须有早开迟闭早开迟闭角度。角度。 对于排气损失而言，排气提前角大小是关键；对于排气损失而言，排气提前角大小是关键； 对于进气而言，进气迟闭角是关键。对于进气而言，进气迟闭角是关键。 总体而言，总体而

24、言，进气迟闭角进气迟闭角最重要。最重要。 故认为：一台发动机的进气迟闭角改变，则其故认为：一台发动机的进气迟闭角改变，则其 配气正时改变。配气正时改变。 2. 配气正时一定，配气正时一定， 随随n n的变化关系的变化关系 图图1表明：在表明：在一定时一定时，转速不同，因气流惯性不转速不同，因气流惯性不 同，最佳的充气量不同。同，最佳的充气量不同。 1 1 2 2 n1 n n1 n2 n 图图1 1（一定一定 ） 图图2 2 （221 1 ） 图图2表明：表明：配气正时配气正时改变改变时时，最佳的充气量对应的，最佳的充气量对应的 转速亦不同。转速亦不同。 v v v v 3. 配气正时改变，配

25、气正时改变， 随随n n的变化关系的变化关系 发动机转速不同，发动机转速不同，气流惯性不同，从有利于进气气流惯性不同，从有利于进气 而言，气门开闭的延长时间亦不同，而言，气门开闭的延长时间亦不同，即最有利即最有利 （配气正时）应不同。（配气正时）应不同。 随随进气迟闭角进气迟闭角的变化关系。的变化关系。 v maxv maxv 提问：在不同配气正时时，随提问：在不同配气正时时，随n n ， 最大充气值对应的转速将如何变化？最大充气值对应的转速将如何变化？ 随随进气迟闭角进气迟闭角 ，最大充气值对应的转，最大充气值对应的转 速呈增加趋势，而最大充气值呈下降趋速呈增加趋势，而最大充气值呈下降趋 势

26、。势。 不同进气迟闭角对充气效率影响不同进气迟闭角对充气效率影响 右图为两种不同右图为两种不同 进气迟闭角（进气迟闭角（=40=40 和和=60=60 ）条件下）条件下 的的 和和 曲线。曲线。 v e P 4.4.确定有利配气正时的原则确定有利配气正时的原则 对于在固定转速下工作的发动机，应以其工对于在固定转速下工作的发动机，应以其工 作转速来选择最佳的配气正时。作转速来选择最佳的配气正时。 对于车用发动机：对于车用发动机： 轿车：轿车：主要考虑高速性，应按最大功率对主要考虑高速性，应按最大功率对 应的转速来选择最佳的配气正时，即按高转应的转速来选择最佳的配气正时，即按高转 速选择速选择 。

27、 原因：原因：高速发动机转速高，要获得好的充高速发动机转速高，要获得好的充 气效率和动力性，故进气迟闭角应大一些。气效率和动力性，故进气迟闭角应大一些。 载重汽车载重汽车： 主要考虑爬坡能力，应按最大扭矩对应的主要考虑爬坡能力，应按最大扭矩对应的 转速来选择最佳的配气正时，即按低转速转速来选择最佳的配气正时，即按低转速 选择选择。 原因：原因：载重汽车要求有较强的爬坡能力，载重汽车要求有较强的爬坡能力， 因强的爬坡能力与最大扭矩相关，而最大因强的爬坡能力与最大扭矩相关，而最大 扭矩对应的转速较低，要获得好的充气效扭矩对应的转速较低，要获得好的充气效 率和动力性，故进气迟闭角应小一些。率和动力性

28、，故进气迟闭角应小一些。 第四节第四节 可变技术可变技术 可变技术可变技术(VVT,Variable Valve Timing)(VVT,Variable Valve Timing) 是发动机可变气门正时技术的简称。是发动机可变气门正时技术的简称。 发动机可变气门正时技术是近些年来被逐渐应发动机可变气门正时技术是近些年来被逐渐应 用于现代轿车上的新技术中的一种，发动机采用于现代轿车上的新技术中的一种，发动机采 用可变气门正时技术可以用可变气门正时技术可以提高进气充量，使充提高进气充量，使充 量系数增加，发动机的扭矩和功率可以得到进量系数增加，发动机的扭矩和功率可以得到进 一步的提高一步的提高。

29、 一、可变技术一、可变技术 随使用工况（转速、负荷）变化，使发动机随使用工况（转速、负荷）变化，使发动机 某系统结构参数可变的技术。某系统结构参数可变的技术。 为了解决车用发动机既要满足高功率化的要为了解决车用发动机既要满足高功率化的要 求，又要保证中、低转速，中、小负荷的经求，又要保证中、低转速，中、小负荷的经 济性和稳定性。济性和稳定性。 主要有可变进气管长度、可变气门正时、可主要有可变进气管长度、可变气门正时、可 变气门升程、可变进气涡流等技术。变气门升程、可变进气涡流等技术。 1 1、可变进气管长度（直径）、可变进气管长度（直径） 对进气管的要求是：对进气管的要求是： 在高转速、大功率

30、时，应配装在高转速、大功率时，应配装粗、短粗、短 的进气管。的进气管。 而在中、低速，最大转矩时，应配装而在中、低速，最大转矩时，应配装 细、长细、长的进气管。的进气管。 2 2、可变进气管直径方案、可变进气管直径方案 转换阀谐振腔方案转换阀谐振腔方案 n可变进气管直径使所可变进气管直径使所 有转速的转矩均增加，有转速的转矩均增加， 平均可增加平均可增加 8% 8%，最大，最大 转矩可增大转矩可增大12%12%-14% -14% 。 里卡多公司旋转阀方案里卡多公司旋转阀方案 2 2、可变气门正时、可变气门正时 四行程发动机对气门正时的要求是：四行程发动机对气门正时的要求是： 进气迟闭角与排气提

31、前角应随转速的提进气迟闭角与排气提前角应随转速的提 高而加大。高而加大。 怠速时，气门叠开角要小，随着转速上怠速时，气门叠开角要小，随着转速上 升，气门叠开角应加大。升，气门叠开角应加大。 可变气门正时可变气门正时进气持续期可变进气持续期可变 二、可变进排气管长度技术二、可变进排气管长度技术 利用动态效应增加进气量利用动态效应增加进气量 由于进、排气是间歇进行的，这使得进、排气管由于进、排气是间歇进行的，这使得进、排气管 存在压力波，在特定的进气管条件下，可以利用存在压力波，在特定的进气管条件下，可以利用 此压力波来提高进气门关闭前的进气压力，增大此压力波来提高进气门关闭前的进气压力，增大 充气效率。充气效率。 压力波增压系统具有结构简单、惯性小、响应快压力波增压系统具有结构简单、惯性小、响应快 等优点，适于频繁变工况的车用。等优点，适于频繁变工况的车用。 分为分为惯性效应惯性效应与与波动效应波动效应两类两类 。 波的动态机理波的动态机理 闭口端：压缩波闭口端：压缩波 反射反射: : 压缩波压缩波同型波；同型波； 膨胀波膨胀波 反射反射: : 膨胀波膨胀波同型波；同型波； 开口端：压缩波开口端：压缩波 反射反射: : 膨胀波膨胀波异型波；异型波； 膨胀波膨胀波 反射反射: