内燃机的换气过程

1、第二章 内燃机的换气过程主要内容：四冲程内燃机的充气过程、充气效率；充气效率的影响因素以及提高的措施等内容。重 点：换气过程、配气定时和影响充气系数因素及提高措施难 点：提高充气效率的措施 换气过程：内燃机更换气缸内工质的过程，即气缸内排出废气和充入新鲜充量的整个阶段，统称为换气过程。 换气过程的质量对内燃机动力性、经济性和排放指标有重要的影响。第一节 四冲程内燃机的换气过程 一、换气过程 包括从上一循环排气门开启直到下一循环进气门关闭的整个时间，约占410480CA。 根据气流的特点，换气过程可分为自由排气、自由排气、强制排气、进气和燃烧室强制排气、进气和燃烧室扫气4个阶段进行研究 1.自由

2、排气阶段 排气门打开， p pr p = pr 靠缸内压力将气体挤出气缸，其中p缸内压力, pr 排气管内压力。 占排出废气量的60%以上。 包括： a）超临界排气 排开 p = 2 pr 在气阀最小截面处, 气体流速等于该地音速 m/s。其流量与压差 （p - pr）无关, 只决定于排气阀开启面积和气体状态。 b）亚临界排气 p = 2pr P=Pr。 其流量取决于压差 （p - pr）。 2. 强制排气阶段 p = pr 上止点 靠活塞上行将废气挤出气缸。 3. 进气过程 由于节流作用, 缸内产生负压；（ ）使新鲜介质进入缸内。pp0 4 . 气门叠开和燃烧室扫气 气门叠角：气门叠角：由于

3、内燃机配气定时，排气门在上止点后迟闭和进气门在上止点前开启，因此在上止点前后存在进排气门同时开着的现象。 气阀叠开角：气阀叠开角： 非增压：非增压：2020 6060 CA CA。 太大（引起）太大（引起） 废气回流进气道。废气回流进气道。 太小太小 扫气作用不明显。扫气作用不明显。 增压：增压：110110 140140 CA CA。 进气管进气管p p , , 扫气明显扫气明显, , 气阀叠开角气阀叠开角可以增大很多。如可以增大很多。如61356135型柴油机：非增型柴油机：非增压：压：4040 , , 增压：增压：124124 。 扫气的作用： 1 清除废气, 增加气缸内的新鲜充量。 2

4、 降低排气温度。 3 降低热负荷最严重处（如气阀、活塞等）的温度。 二、换气损失和泵气损失 换气损失：理论循环换气功与实际循环换气功之差。 由排气损失和进气损失两部分组成。 1排气损失：从排气门提前打开，废气开始排出，直到进气行程开始，气缸内压力达到进气管内压力前，这段过程所损失的循环功。它又可分为两部分： 1）自由排气损失（图2-3、2-4中面积） 2）强制排气损失（图2-3、2-4中面积x）随着排气提前角的增大，随着排气提前角的增大，自由排气损失面积自由排气损失面积w增加，增加，而强制排气损失面积而强制排气损失面积x减减少，因而最有利的排气少，因而最有利的排气提前角应使面积（提前角应使面积

5、（w+x）为最小！为最小！ 2. 进气损失（图2-3中面积y） 非增压作负功；增压作正功。非增压作负功；增压作正功。 3. 换气损失和泵气损失 换气损失等于进气损失与排气损失之和。换气损失等于进气损失与排气损失之和。图2-3、2-4中面积（ +y+x）。 实际示功图计算中，已用丰满细数i修圆理论示功图的棱角，所以i中已经包括部分换气损失（面积+)，故泵气损失为换气损失的一部分，即（y+x-）。第二节 四冲程内燃机的充气效率 一、充气效率一、充气效率 （一）定义（一）定义 由于有进气阻力等因素的影响由于有进气阻力等因素的影响, 实际进入气实际进入气缸中的新鲜充量必然小于理论上进气状态缸中的新鲜充

6、量必然小于理论上进气状态下充满工作容积的新鲜充量。二者之比称下充满工作容积的新鲜充量。二者之比称为充气效率为充气效率, 即即 作容积容积的新鲜进气状态下充满汽缸工量实际进入汽缸的新鲜充v的新鲜充量hssvVVmmGGVmG,hssVmG, 其中：实际充量的重量，质量和体积； 进气状态： 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。 增 压：增压器出口状态。理论充量的重量，质量和体积；理论充量的重量，质量和体积；严格地说，充气效率应为严格地说，充气效率应为 v实际进入汽缸的新鲜充量以标准大气状态充满汽缸工作容积的新鲜充量更合理。更合理。这样，在后面将要讲到的大气修正中，不这

7、样，在后面将要讲到的大气修正中，不同的压力和温度下进气量的比值就等于其充气效率同的压力和温度下进气量的比值就等于其充气效率之比之比 （二） 实际测量理论流量实际流量 shvVVVm3/03. 060210003 hmn iVniVVhhsh其中：实际测量 /h 充气效率是衡量充气效率是衡量换气过程进行的完善程度换气过程进行的完善程度的重要指标。的重要指标。 二、充气效率的分析式 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 （一） 进气门关闭时缸内气体的总质量 其中 余隙容积； 进气门关闭时缸内工作容积； 进气终了缸内气体密度。mVVacha()VcVha （二） 排气门关闭时缸内

8、残余废气的质量 其中 排气门关闭时缸内容积； 排气门关闭时缸内残余废气密度。 （三） 充入气缸的新鲜充量 其中 进气状态下气体密度。 mVrrrVrrn()vhscharrVVVVs （四） 充气效率的分析式vmm0n()charrhsVVVVnchrarcchscVVVVVVV1VVhc1VVhceVVrc其中压缩比；有效压缩比； 考虑到进排气门迟闭角的影响，令 则充气效率表达为： 将 代入，得：chchVVVVcVV1()(1)vasRTPTpTppTaassv11 残余废气系数：指进气过程结束时气缸内残余废气量与气缸中新鲜充量的比值。acaacachshvVVVVVVVVm)(111aa

9、ssvTPPTpTaav,pTrrv,第三节 影响充气效率的各种因素 一 、进气终了压力Pa （一） 进气阻力 ：由于进气系统的阻力而引起气体流动时的压降。 papppaa0 papav 22vP管道阻力系数；进气状态下气体的密度（kg/m3）；v管道内气体流速（m/s）。 papav（二） 转速 n papav（三） 负荷 汽油机：负荷 节气们开度 （量调节） paTav 柴油机：负荷 循环供油量 （质调节）（与热负荷 （不大）无关）无关） 二 、进气终了温度 （一） 转速 负荷一定：n 综合 、 的影响， n 。 （二） 负荷 转速一定：负荷 热负荷 柴油机：进、排气管分置。 避免排气管对

10、进气管加热，使 汽油机：进、排气管同置。 虽然 ，但燃油受热增发快，可以改善混合气形成。Taav Tav paTavTavTavTav 三、压缩比与残余废气系数 残余废气量 排气门处的阻力 ，所以 n 低负荷 节气门开度 新鲜充量 四、配气定时 由于进气门迟闭，导致减少新鲜充量的容积，使1。但实际上Pa值却可能因气流惯性而进气有所增加，因而合适的进气配气定时应使Pa具有最大值。vprvprn2prvv 五、进气（大气）状态 Ps Pa，且Ps/ Pa基本不变，对充气效率影响不大。 实际上：Ts升高，Ps下降，均使s减少，即进气量。这与充气效率增大的结论并不矛盾，因为充气效的定义是相对于进气状态

11、而言的。vsT第四节 提高充气效率的措施 一、减少进气门处的流动损失一、减少进气门处的流动损失 1进气马赫数M 在高速可压缩的流动系统中，决定气流流动性质的最重要参数是M，能反应流动对 的一个特征数。等于进气门处气流平均速度vm与该处音速a的比值，即M=vm/a。vmmCdDCfFvm121111)(根据连续性流量方程有：根据连续性流量方程有：式中：F和f1活塞顶和进气门头部的面积； D和d1气缸和进气门头部直径； 1 进气门开启期间的平均流量系数； Cm活塞平均速度。aCdDavMmm121)(kRTa sRTkka12亚临界：亚临界：超临界：超临界： 2减小进气门处的流动损失 1）增大进气

12、门直径，配置适当大小的排气门 d1 M （影响大） d排 （影响小） 2）采用四气门结构（二进二排） 流通面积 40%左右。但结构复杂，造价较高。 （可达30%）， vprvf1vNegef1排气门进气门排气道进气道凸轮轴Audi 5L TDI 发动发动机机 3改善进气门和气门座处的流体动力性能 1）气门升程 h时面值 v 2）阀顶过渡圆角R R R 流动阻力 R应适中。f1vv 二、减小整个进气管道对气流的阻力 一） 进气管 1 表面光洁度和流通面积 表面光洁度，流通面积 沿程阻力 2 转弯和节流阻力 转弯半径R，截面突变 3 截面形状 考虑汽油机的雾化，蒸发，则 管壁面积 沉积 蒸发 混合

13、气分配不均匀 截面形状 圆形 矩形 D形 流动阻力 小 大 中 底部蒸发 小 中 大 柴油机不存在底部蒸发问题，故多采用流动阻力小的圆形进气管。vv 二） 进气道 转弯半径R，表面光洁度 ，各管口与垫片孔口对中 流动阻力 设计时还要考虑组织进气涡流。 三） 空气滤清器 通道面积，除尘效果 流动阻力 经常清洗，更换纸芯。 四） 化油器 喉口截面积 流动阻力 ，但雾化效果 。 解决这对矛盾，采用双喉口。 小喉口：雾化；大喉口：进气。vvvv 三、减少对新鲜充量的热传导 四、减小排气系统对气流的阻力 五、合理选择配气定时（一） 配气定时的综合评定1 良好的充气效率以保证发动机的动力性能。2 合适的充

14、气效率以适应发动机的扭矩特性。3 较小的换气损失以适应发动机的经济性能。4 必要的燃烧室扫气以保证高温零件的热负荷得以适当降低，达到可靠运行。5 合适的排气温度。6 降低噪声及排气污染。调整：1，2进气迟闭角；3排气提前角；4，5气门叠开角 （二） 进气迟闭角 1 转速n一定时，总有一个进气迟闭角 使得充气效率 为最大。 2 n 气流惯性 缸内气体易倒流进气管 n 一部分气体来不及进入气缸 3 对应的n 所以，高速发动机转速大，要获得好的充气效率和动力性，进气迟闭角应大 一些。 4 n ivvivv （三） 排气提前角 ， 其中后期膨胀比。 考虑经济性，在排气损失最小的前提下，尽量减小排气提前

15、角。 （四） 气门叠开角 缸内气体易倒流进气管； ， 增压发动机气门叠开角应大一些。ovi o,pri o,Tav第五节 进气管内的动力效应 一 、现 象 进气门开闭时： pa 排气门开闭时： pr 动态效应与进排气管的长度和直径有关。195柴油机：进气管长度L = 300 mm L = 1140 mmpivpov 二 波的动态机理闭口端：进：压缩波闭口端：进：压缩波 反射反射: 压缩波压缩波 同型波同型波 进：膨胀波进：膨胀波 反射反射: 膨胀波膨胀波 同型波同型波开口端：进：压缩波开口端：进：压缩波 反射反射: 膨胀波膨胀波 异型波异型波 进：膨胀波进：膨胀波 反射反射: 压缩波压缩波 异

16、型波异型波 三、惯性效应 定义：利用气流动能进行过后充气增加充气量的效应，称为惯性效应。 阶段：进气门开 进气门闭 膨胀波 压缩波 （进气门闭） 四、波动效应 阶段：进气门闭 下一循环进气门开 进气开始，活塞下行使缸内和进气门进口处产生一定的真空度，形成负压波，它以膨胀波的形式沿进气管以（a-）的传播速度，当到达开口端时，又从开口端向气缸方向反射回压缩波，其传播速度为 （a+）。为了便于分析问题，将进气管内压力波动分为本循环波动效应和上一循环波动效应两类。 1本循环波动效应 从进气门打开到关闭，随着新鲜充量流入气缸，整个进气系统内产生进气压力波动。若当B点压力波处于波峰位置时，关闭气阀，对实现

17、增压有利。但若B点是波谷，就会降低缸内压力。 有效利用惯性进气，最重要的是决定进气门的关闭时间，使进气终了时波峰恰好达到进气门端口。 2. 上一循环波动效应 当进气门关闭后，进气管内的气柱还在继续波动，对下一循环的进气量造成影响，即成为上一循环波动效应。 进气门关闭，进气管内流动的充量因急速停止而受压缩，在进气门处产生压缩波，并向进气管的入口端传播（a-）；当压缩波传到管的入口端时，产生反射波，由于开口条件（开口、管外压力不变）的作用，反射波的性质与入射波的性质相反，即为膨胀波，并以（a+）的传播速度向进气门处传播。 如果能使正压力波与下一循环的进气过程重合，就能使进气终了时的压力升高，提高充气效率，反之则下降。压力波固有频率：faL14 1/s 其中a进气管内声速。 发动机吸气频率：fnn2602120 1/s 令： 当q = 1，2，3 时，进气门开， 则pa 。 当q = 时，进气门开， 则pa 。qffanL1230v112212312,v 结 论 1波动效应 （本循环），振幅大，衰减小。