3章 发动机的换气过程2015

1、12作用作用：尽可能排除缸内废气并充入尽可能多的新鲜尽可能排除缸内废气并充入尽可能多的新鲜工质工质。每循环进入气缸的新鲜工质量每循环进入气缸的新鲜工质量对性能影响：对性能影响：影响到汽车的经济性、排放、噪声及乘坐的舒影响到汽车的经济性、排放、噪声及乘坐的舒适性等。适性等。要求要求：尽可能合理地延长换气时间：发动机换气过程包括排尽可能合理地延长换气时间：发动机换气过程包括排气过程和进气过程。理论上进排气各占气过程和进气过程。理论上进排气各占180（合计（合计360 ）曲轴转角。）曲轴转角。实际上由于发动机转速高，一个行程的历时只有实际上由于发动机转速高，一个行程的历时只有 60/（6000*2）

2、0.005s=5ms，时间短时间短充气不足，排气不净充气不足，排气不净 Pe。要尽量延长进、排气时间（换气过程要尽量延长进、排气时间（换气过程)，即扩大进、排气，即扩大进、排气的曲轴转角。的曲轴转角。组成组成：从排气门开启从排气门开启-进气门关闭的整个时期，约占进气门关闭的整个时期，约占410480曲轴转角。一般分作曲轴转角。一般分作自由排气自由排气、强制排气强制排气、进气进气和和气门叠开气门叠开四个阶段。四个阶段。3 配气定时（配气相位）：配气定时（配气相位）： 进、排气门开、关的曲轴转角时刻称为配气定时（相位）， 用相对上、下止点的曲轴转角的环形图来表示则称为配气定时图。 主要阶段及特点如

3、下：4配气定时（配气相位）图配气定时（配气相位）图1、排气提前角排气提前角= =3080 ：从排气门打开到：从排气门打开到下止点这段曲轴转角。下止点这段曲轴转角。 作用作用：在活塞上行时排气门有足够大的开启面：在活塞上行时排气门有足够大的开启面 积，减小排气阻力；积，减小排气阻力； 高温废气迅速排出可减小发动机热负荷；高温废气迅速排出可减小发动机热负荷；2、排气迟闭角排气迟闭角= = 10 35 ：从上止点到排气：从上止点到排气 门完全关闭这段曲轴转角。门完全关闭这段曲轴转角。 作用作用：利用压力差和废气流惯性尽可能排净出废：利用压力差和废气流惯性尽可能排净出废 气。气。3、进气提前角进气提前

4、角=0 40 ：从进气门打开：从进气门打开 到上止点这段曲轴转角。到上止点这段曲轴转角。 作用作用：在活塞下行时进气门有足够大的开启面：在活塞下行时进气门有足够大的开启面 积，新鲜工质可以顺利流入气缸；冷却燃烧室积，新鲜工质可以顺利流入气缸；冷却燃烧室 壁面以降低壁面以降低Ta提高充气效率。提高充气效率。5 4、进气门迟闭角进气门迟闭角= =40 70 ：从下止点到进气门关闭这段曲：从下止点到进气门关闭这段曲轴转角。轴转角。 作用：利用高速气流的惯性和压力作用：利用高速气流的惯性和压力差在下止点后继续充气，增加进气差在下止点后继续充气，增加进气量。量。 5、气门叠开气门叠开 + ：由于排气门：

5、由于排气门的迟闭和进气门早开，存在进、排的迟闭和进气门早开，存在进、排气门同时打开的状态，称为气门叠气门同时打开的状态，称为气门叠开（气门重叠）。开（气门重叠）。 作用作用：扫气，清除残余废气，减小：扫气，清除残余废气，减小残余废气系数；残余废气系数； 降低高温零件的温度（降低降低高温零件的温度（降低Ta提高提高vv） 但要保证不应产生废气倒流现象。但要保证不应产生废气倒流现象。 + 范围：增压发动机可达范围：增压发动机可达 80 160 ； 非增压发动机一般为非增压发动机一般为20 80 。6换气过程详解换气过程详解一、排气过程排气过程 【180 + (30 80 )+ （10 35 ）】（

6、220 295 ）排气形式分类（按速度）：排气形式分类（按速度）：超临界排气：超临界排气：废气流量与排气管内压力无关，只决定于气缸内气体的状态和气废气流量与排气管内压力无关，只决定于气缸内气体的状态和气门有效开启面积。门有效开启面积。排气初期：排气为超临界状态，此时缸内废气压力约为排气初期：排气为超临界状态，此时缸内废气压力约为0.20.5MPa，Pb/Pr 1.9（临界值），废气以当地声速（临界值），废气以当地声速c（ms）流过排气门开）流过排气门开启截面。启截面。 813. 121kPP1kkrb 排气提前角排气迟后角KRTC 声声速速当当Tr=7001100K时，可时，可达达500700

7、m/s7亚临界排气：亚临界排气：随着废气排出、缸内压力的下降排气流动转入亚临界排气，随着废气排出、缸内压力的下降排气流动转入亚临界排气，此时废气流量决定于气缸内和排气管内的压力差，和气门有效开启面积此时废气流量决定于气缸内和排气管内的压力差，和气门有效开启面积排气形式分类（按做功）：排气形式分类（按做功）：自由排气阶段：自由排气阶段：从排气门打开到气缸压力接近排气管压力的这个时期。从排气门打开到气缸压力接近排气管压力的这个时期。 特点：自由排气阶段排出废气量与转速无关，时间虽短但占特点：自由排气阶段排出废气量与转速无关，时间虽短但占60%以上。以上。自由排气结束的标志为自由排气结束的标志为:P

8、b=Pr；在；在PrC，TrC，VrC强制排气阶段：强制排气阶段：克服排气系统阻力活塞强制推出废气（一般从下止点算克服排气系统阻力活塞强制推出废气（一般从下止点算起）。起）。 8二、 进气过程：进气门开启进气过程：进气门开启关闭关闭作用作用：活塞下行、缸内容积增加、缸内压力下降。活塞下行、缸内容积增加、缸内压力下降。 环境压力缸内压力环境压力缸内压力进气系统阻力，吸入新鲜进气系统阻力，吸入新鲜工质。工质。 提前角：提前角：040CA 足够开启面积，足够开启面积， 阻力；阻力； 迟关角：迟关角：4070CA 利用气流惯性，多进气利用气流惯性，多进气 随发动机工况变化，设计或控制最佳进气迟随发动机

9、工况变化，设计或控制最佳进气迟关角，对改善发动机性能至关重要关角，对改善发动机性能至关重要 (180 + (0-40) +（40-70）220-390 ) 9W:自由排气损失自由排气损失：由实际循环线外侧、理由实际循环线外侧、理论循环线内侧、论循环线内侧、Va的平行线所组成的面积，的平行线所组成的面积，在计算指示功时不记录此部分面积。是实际在计算指示功时不记录此部分面积。是实际循环相对于理论循环损失的部分，仅作为换循环相对于理论循环损失的部分，仅作为换气损失而不是泵气损失的组成部分。气损失而不是泵气损失的组成部分。Y：强制排气损失：强制排气损失，由排气线、由排气线、P0线、线、 Va的平行线组

10、成的面积。是理论循环与实际循的平行线组成的面积。是理论循环与实际循环损失的一部分，也在实际循环中作为负功。环损失的一部分，也在实际循环中作为负功。X：进气损失：进气损失：进气线、压缩线、进气线、压缩线、P0线组成线组成的面积。是换气、泵气损失的组成部分。的面积。是换气、泵气损失的组成部分。 进气损失进气损失X三、换气损失三、换气损失 自由排气损失自由排气损失 W；（W+X+Y） 排气损失排气损失 强制排气损失强制排气损失 Y。 （X+Y-d）的面积称作泵气损失）的面积称作泵气损失在所有损失中排气损失为绝大部分，因此适当匹配排气提前角，在所有损失中排气损失为绝大部分，因此适当匹配排气提前角，使得

11、使得W+Y的面积最小可以降低换气损失，从而提高发动机的性能的面积最小可以降低换气损失，从而提高发动机的性能10一、充气效率一、充气效率定义：定义：充气效率：实际进入气缸的新鲜工质量（充气效率：实际进入气缸的新鲜工质量（m1）与进气状态下充满气缸工作容积的）与进气状态下充满气缸工作容积的新鲜工质量（新鲜工质量（ms）的比值。）的比值。测量方法：测量方法：充气效率可直接测定，用空气流量计测出发动机每小时实际充气量充气效率可直接测定，用空气流量计测出发动机每小时实际充气量m1（kg/h）理论充气量理论充气量ms（kg/h）由下面的公式算出：）由下面的公式算出： 式中：式中：Vs气缸工作容积（气缸工作

12、容积（m3）；）； i气缸数；气缸数； n发动机转速（发动机转速（rmin）。）。 s进气状态下气体密度进气状态下气体密度式中：式中：m1、V1实际进入气缸的新鲜工质的质量、体积（实际进入气缸的新鲜工质的质量、体积（进气状态进气状态）；）； 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。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。 进气状态进气状态s： 非增压发动机指节流阀前；非增压发动机指节流阀前； 增压发动机，指增压器压气机出口的状态。增压发动机，指增压器压气机出口的状态。意义意义：vvmm1 1 QQ1 1 p pme me PPL L Pe Pe，即动力性可

13、以提高，即动力性可以提高SssssinVniVm30602SSvVVmm1111二、影响充气效率的因素：二、影响充气效率的因素：公式推导公式推导1、设进气完成后缸内残余废气质量为、设进气完成后缸内残余废气质量为mr，进入新鲜工质质量为，进入新鲜工质质量为m1 ，则进气终了缸内总工质质量，则进气终了缸内总工质质量ma= m1 + mr ， 令残余废气系数令残余废气系数r = mr/ m1 ，则有，则有 m1 = ma /（1+ r ）2、令进气终了时气缸内的总容积、令进气终了时气缸内的总容积 Va（有效进气容积）与气缸（有效进气容积）与气缸总容积总容积Va的比值为的比值为1（有效进气体积系数，有

14、效进气体积系数，因为进气迟闭角，因为进气迟闭角， T0的原因是： 高温零件加热； 残余废气加热； 进气预热。 vaa 在条件允许的情况下，应力求降低aT 值。例如，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aT 影响因素： 负荷a an（接触时间短） 111aassvpp163、残余废气系数 v，而且使燃烧恶化。特别是汽油机低负荷运转时（m1，mr变化不大) 稀释可燃混合气，使燃烧过程缓慢经济性和排放性能变差。 范围： 四行程非增压柴油机 0.030.06 四行程增压柴油机 00.03 四行程汽油机 0.050.16 5、压缩比 Vc 残余废气量 v4

15、、111aassvpp176、配气定时由于进气门迟闭，有效容积系数汽油汽油机，而机，而CO2含量少，含量少，可实可实施较大施较大EGR率率=40%50%。柴油机实施柴油机实施EGR后，在保持后，在保持经济性的前提下，可有效降经济性的前提下，可有效降低低NOx排放量。排放量。 三、三、EGR系统系统 1）汽油机的）汽油机的EGR系统：机械式和电控式两种系统：机械式和电控式两种 机械式机械式EGR系统：进气压力和排气压力来调节系统：进气压力和排气压力来调节EGR阀开度阀开度控制控制EGR率。率。缺点：所能控制的缺点：所能控制的EGR率较小率较小515%，且控制，且控制自由度受限制。自由度受限制。

16、电控电控EGR系统：由系统：由ECU控制电磁阀控制电磁阀任意控制任意控制EGR率；结构简单，且可精确地实施较大的率；结构简单，且可精确地实施较大的EGR率（率（1520%）。）。系统组成：由系统组成：由EGR阀及其控制系统构成阀及其控制系统构成EGR阀结构：与机械式基阀结构：与机械式基本相同；将本相同；将EGR阀的负压控阀的负压控制系统制系统电控式电控式用专用电用专用电磁阀控制负压室真空度磁阀控制负压室真空度安安装在发电机上的真空泵提供装在发电机上的真空泵提供 1EGR开环控制系统开环控制系统 有三种：简单开关式；有三种：简单开关式； EGR率可变式；率可变式； 背压修正式。背压修正式。 EC

17、U电磁阀电磁阀EGR阀阀ECUVCM 电磁阀电磁阀 EGR阀阀 EGR率可变式：由台架标定的率可变式：由台架标定的EGR率率-n-进气量三进气量三维维MAP，ECU判断判断E/G工况，控制电磁阀，工况，控制电磁阀，控控制制VCM阀阀(真空度控制电磁阀真空度控制电磁阀)的开关时刻，的开关时刻，调节调节负压室真空度，控制负压室真空度，控制EGR阀不同开度；阀不同开度；EGR率随工况可变控制。率随工况可变控制。 EGR阀位阀位移传感器移传感器 ECU 电磁阀电磁阀 2EGR闭环控制系统：提高闭环控制系统：提高EGR率的控制精度率的控制精度 特点：特点：EGR阀开度作为反馈信号阀开度作为反馈信号反馈控

18、制反馈控制。或在进气稳压箱内设或在进气稳压箱内设EGR率传感率传感 器作为反馈信号器作为反馈信号2）柴油机）柴油机EGR系统：外部系统：外部EGR和内部和内部EGR两种。两种。1. 外部外部EGR系统系统特点：增压柴油机的特点：增压柴油机的EGR率率 pp-pj 中低速区：易实施中低速区：易实施EGR。但随。但随n和负和负荷荷 ，pj ，在高速下难实现，在高速下难实现EGR。 任何工况，都易任何工况，都易实现实现EGR。但，压气机易污但，压气机易污染、腐蚀；耐久染、腐蚀；耐久性和可靠性性和可靠性 44 基本概念：基本概念： 气门叠开、换气损失、泵气损失、充气效率、排气门叠开、换气损失、泵气损失、充气效率、排气损失、进气损失、自由排气损失、强制排气损气损失、进气损