发动机的换气过程

1、第二章 内燃机的换气过程第二节第二节 换气损失与泵损失换气损失与泵损失第一节第一节 四行程内燃机的换气过程四行程内燃机的换气过程第三节第三节 充气效率和残余废气系数充气效率和残余废气系数第四节第四节 提高充气效率的措施提高充气效率的措施第五节第五节 二冲程内燃机的换气过程二冲程内燃机的换气过程第六节第六节 内燃机增压技术内燃机增压技术换气过程换气过程排气过程排气过程进气过程进气过程 换气过程的任务换气过程的任务 研究的内容研究的内容换气过程的进行情况换气过程的进行情况 分析影响充气量的各种因素分析影响充气量的各种因素 找出找出提高充气量、减少换气损失方向与措施提高充气量、减少换气损失方向与措施

2、第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程 最大限度地吸入新鲜充量；最大限度地吸入新鲜充量； 保证各缸进气均匀；保证各缸进气均匀； 减小换气损失；减小换气损失； 在缸内形成合理的流场，以控制在缸内形成合理的流场，以控制混合气形成和燃烧。混合气形成和燃烧。 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 四行程发动机的换气过程四行程发动机的换气过程:排气门开启到进气门关闭排气门开启到进气门关闭的整个的整个时期，约占时期，约占410480曲轴转角。曲轴转角。排气门开排气门开排气门关排气门关进气门开进气门开EVOEVCIVOIVC进气门关进气门关上上下下排气迟闭角排气迟闭角 1080

3、排气提前角排气提前角 3080 进气迟闭角进气迟闭角 3060 进气提前角进气提前角 1070 利用排气惯性排净废气利用缸内压力迅速排气利用气体惯性多进气使进气过程开始有较大的气门升程配气定时图配气定时图 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 气门升程曲线气门升程曲线 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 示功图示功图排气过程排气过程进气过程进气过程 n四冲程内燃机的换气过程的四个阶段：四冲程内燃机的换气过程的四个阶段： 换气过程换气过程自由排气自由排气阶段阶段强制排气强制排气阶段阶段气门重叠气门重叠阶段阶段进气过程进气过程阶段阶段第一节第一节 四行程发

4、动机的换气过程四行程发动机的换气过程排气过程排气过程n缸内压力和排气管压力变化缸内压力和排气管压力变化缸内压力缸内压力p排气管压排气管压力力pr排气过程排气过程自由排气自由排气一、自由排气阶段一、自由排气阶段n定义：定义：排气门开启到气缸压力接近了排气管压力排气门开启到气缸压力接近了排气管压力的这一时期。的这一时期。其特点是利用缸内和排气管内的其特点是利用缸内和排气管内的压差压差排气排气 排气提排气提前角前角 3080 一、自由排气阶段一、自由排气阶段缸内压力缸内压力p排气管排气管压力压力pr排气过程排气过程自由排气自由排气自由排气阶段自由排气阶段超临界流动状态：超临界流动状态：亚临界流动状态

5、亚临界流动状态超临界超临界p/pr.p/pr1.89n通过排气门口废气的流速等于该状态下的音速（通过排气门口废气的流速等于该状态下的音速（m/s）式中中K绝热指数；绝热指数；T气体的绝对温度；气体的绝对温度；R气体常数气体常数Nm/（kgK）。）。KRTc n 在超临界排气时期，废气流量与排气在超临界排气时期，废气流量与排气管内压力管内压力pr无关，只与气缸内的气体状无关，只与气缸内的气体状态及气门开启截面积有关。态及气门开启截面积有关。n排气过程中伴有刺耳的噪声排气过程中伴有刺耳的噪声1、超临界流动、超临界流动一、自由排气阶段一、自由排气阶段2、亚临界流动、亚临界流动n 缸内压力与排气管内压

6、力之比下降到缸内压力与排气管内压力之比下降到1.89以下时，排气以下时，排气流动转入亚临界状态，废气流速降低，产生的噪音较小流动转入亚临界状态，废气流速降低，产生的噪音较小。n 排出的废气量决定于气缸内及排气管内的压力差。排出的废气量决定于气缸内及排气管内的压力差。排气过程排气过程 一、自由排气阶段一、自由排气阶段亚临界亚临界n 此阶段虽然历程很短，但因排气流速甚高，排出废气量此阶段虽然历程很短，但因排气流速甚高，排出废气量达达60%以上。以上。 一、自由排气阶段一、自由排气阶段排气管排气管压力压力排气过程排气过程自由排气自由排气二、强制排气阶段二、强制排气阶段n自缸内气体压力自缸内气体压力p

7、和排气管内燃气压力和排气管内燃气压力pr相等相等时起至排气门关时起至排气门关闭闭 ，活塞上行强制推出废气。活塞上行强制推出废气。n为了利用排气惯性排净废气，有一排气迟闭角，一般为为了利用排气惯性排净废气，有一排气迟闭角，一般为1080曲轴转角。曲轴转角。排气过程排气过程强制强制排气排气排气迟闭过排气迟闭过小，惯性利用小，惯性利用不够不够排气迟闭会排气迟闭会过大，废气倒过大，废气倒流流进气冲程进气冲程n进气门在点开启时起至进气门关闭时止进气门在点开启时起至进气门关闭时止 。n进气提前角进气提前角:为了使进气过程开始时，进气门有一定的流通为了使进气过程开始时，进气门有一定的流通截面，以减少进气过程

8、的阻力，进气门一般在上止点前提前截面，以减少进气过程的阻力，进气门一般在上止点前提前开启，一般为开启，一般为030曲轴转角曲轴转角 。三、进气阶段三、进气阶段进气提前角过进气提前角过小，进气不够；小，进气不够；进气提前角过进气提前角过大，废气倒流进大，废气倒流进气管（回火）气管（回火）存在最佳存在最佳排气过程排气过程进气冲程进气冲程n进气迟闭角进气迟闭角：为利用在吸气过程中形成的进气气流的流动惯：为利用在吸气过程中形成的进气气流的流动惯性，实现气缸的过后充气。性，实现气缸的过后充气。n高速时气流流动的惯性大，进气迟闭角应相应大一些。高速时气流流动的惯性大，进气迟闭角应相应大一些。进气迟闭角过进

9、气迟闭角过小，惯性利用不小，惯性利用不够；够；进气迟闭角过进气迟闭角过大，新气推回进大，新气推回进气管气管,影响进气充影响进气充量；量；存在最佳，一存在最佳，一般为般为4070曲轴转角。曲轴转角。三、进气阶段三、进气阶段进气冲程进气冲程排气过程排气过程n 叠开角：进、排气门同时开启时对应的曲轴转角，叠开角：进、排气门同时开启时对应的曲轴转角，进气管、进气管、气缸、排气管互相连通，进气管与排气管之间的压力差可使新气缸、排气管互相连通，进气管与排气管之间的压力差可使新鲜充量进入气缸把缸内的废气驱除出去鲜充量进入气缸把缸内的废气驱除出去 ；气门重叠气门重叠20A70A 四、气门重叠和燃烧室扫气阶段四

10、、气门重叠和燃烧室扫气阶段 排气过程排气过程进气冲程进气冲程n扫气作用扫气作用-扫除缸内的残余废气扫除缸内的残余废气,增加气缸充量，又可以降低燃增加气缸充量，又可以降低燃烧室内气缸盖、排气门、活塞顶、缸套的温度。烧室内气缸盖、排气门、活塞顶、缸套的温度。叠开角，一般叠开角，一般为为2080曲轴转角。曲轴转角。四、气门重叠和燃烧室扫气阶段四、气门重叠和燃烧室扫气阶段 n增压发动机使用较大的叠开角增压发动机使用较大的叠开角80160。（降低受热。（降低受热零件表面的温度）零件表面的温度）n汽油机使用小的叠开角（回火，燃料的损失，未燃碳氢排放汽油机使用小的叠开角（回火，燃料的损失，未燃碳氢排放物的增

11、加），柴油机可使用较大的叠开角；物的增加），柴油机可使用较大的叠开角；n扫气系数扫气系数s ：衡量扫气过程中新鲜空：衡量扫气过程中新鲜空气的利用程度：气的利用程度： s = mk /mLmk：每循环流经气缸总的空气质量；每循环流经气缸总的空气质量；mL :进气过程结束时实际进入气缸的新鲜进气过程结束时实际进入气缸的新鲜空气质量；空气质量；气门重叠角：汽油机柴油机增压机气门重叠角：汽油机柴油机增压机 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 排气门开排气门开排气门关排气门关进气门开进气门开EVOEVCIVOIVC进气门关进气门关结论：结论：o随转速变化，最佳相位角应变化；随转速变

12、化，最佳相位角应变化；o增压机与非增压机最佳相位角不同；增压机与非增压机最佳相位角不同；o确定一台内燃机的配气定时是比较复杂确定一台内燃机的配气定时是比较复杂的，一般参考相似机型的参数，拟定几的，一般参考相似机型的参数，拟定几种方案，用计算机进行分析计算，在单种方案，用计算机进行分析计算，在单缸试验机上做对比试验，最终根据实机缸试验机上做对比试验，最终根据实机性能考核情况再加以确定。性能考核情况再加以确定。 o非增压内燃机的理想换非增压内燃机的理想换气过程无换气损失气过程无换气损失o在实际循环中，进、排在实际循环中，进、排气门不可能瞬时启闭，气门不可能瞬时启闭，需提前开启和迟后关闭，需提前开启

13、和迟后关闭，进、排气系统存在着流进、排气系统存在着流动阻力动阻力o换气损失：内燃机换气换气损失：内燃机换气过程所消耗的功其大过程所消耗的功其大小主要取决于进、排气小主要取决于进、排气系统流动阻力的大小和系统流动阻力的大小和气门定时气门定时 第二节换气损失与泵损失第二节换气损失与泵损失非增压内燃机非增压内燃机 1.排气损失排气损失排气损失是从排气门排气损失是从排气门提前打开，直到进气行程提前打开，直到进气行程开始，气缸内压力到达大开始，气缸内压力到达大气压力之前，循环功的损气压力之前，循环功的损失。失。 （1）自由排气损失膨自由排气损失膨或胀损失或胀损失（图中面积图中面积W），是由于排气门提），

14、是由于排气门提前打开而引起的膨胀功前打开而引起的膨胀功的减少。的减少。 （2）强制排气损失强制排气损失（图中面积图中面积x），是活），是活塞上行强制推出废气所塞上行强制推出废气所消耗的功。消耗的功。 xyuw第二节换气损失与泵损失第二节换气损失与泵损失换气损失由排气损失和进气损失两部分组成换气损失由排气损失和进气损失两部分组成。y进气损失进气损失 w膨胀损失膨胀损失 x排气损失排气损失 x+y-u泵损失泵损失n 随着排气提前角随着排气提前角增大增大，自由，自由排气损失面积增加，强制排气排气损失面积增加，强制排气损失面积减小，如图中损失面积减小，如图中b曲线，曲线，n如排气提前角如排气提前角减少

15、减少则强制排则强制排气损失面积增加，如图中气损失面积增加，如图中c曲线。曲线。n最有利最有利的排气提前角应使面积的排气提前角应使面积（W+Y）之和最小，如图中）之和最小，如图中a曲线。曲线。n排气门排气门面积过小面积过小，排气系统阻力，排气系统阻力增加，排气门处的流动损失增加增加，排气门处的流动损失增加,如图中如图中d曲线曲线第二节换气损失与泵损失第二节换气损失与泵损失1. 排气损失排气损失 排气门提前角和排气损失排气门提前角和排气损失 a最合适最合适 b过早过早 c过晚过晚 d排气门面积过小排气门面积过小 2进气损失进气损失n进气损失：因进气系进气损失：因进气系统的阻力而引起的功的损统的阻力

16、而引起的功的损失。失。(图中面积图中面积y)n排气损失与进气损失排气损失与进气损失之和称换气损失，即图中之和称换气损失，即图中面积面积(W+X+Y)。n在实际循环示功图中在实际循环示功图中把面积把面积(x+y-u)相当的负功相当的负功称为泵损失。这部分损失称为泵损失。这部分损失放在机械损失中加以考虑。放在机械损失中加以考虑。第二节换气损失与泵损失第二节换气损失与泵损失yxuwy进气损失功进气损失功 w膨胀损失功膨胀损失功 x排气损失功排气损失功 x+y-u泵损失泵损失 y进气损失进气损失 w膨胀损失膨胀损失 x排气损失排气损失 x+y-u泵损失泵损失第二节换气损失与泵损失第二节换气损失与泵损失

17、o 理想换气过程：由于进理想换气过程：由于进气压力气压力pb大于排气压力大于排气压力pT，所以泵气功为正功，所以泵气功为正功。 o增压内燃机的实际换气增压内燃机的实际换气过程，由于进、排气门需过程，由于进、排气门需提前开启和迟后关闭，进、提前开启和迟后关闭，进、排气系统存在着流动阻力，排气系统存在着流动阻力，换气过程有损失换气过程有损失 ，图中，图中阴影线面积表示。阴影线面积表示。 (W+X+Y)o 面积面积(x+y-u)相当的相当的负功称为泵损失负功称为泵损失理想换气过程理想换气过程增压内燃机增压内燃机n残余废气系数残余废气系数r定义为进气过程结束时，气缸内的残定义为进气过程结束时，气缸内的

18、残余燃气质量余燃气质量mr与气缸内的新鲜空气质量与气缸内的新鲜空气质量mL之比：之比： r = mr/mL 一、残余废气系数一、残余废气系数r第二节换气损失与泵损失第二节换气损失与泵损失nr主要与气缸压缩容积有关，压缩容积越小，主要与气缸压缩容积有关，压缩容积越小，r值也越低。值也越低。当内燃机的压缩比确定以后压缩容积也就确定了，提高压缩当内燃机的压缩比确定以后压缩容积也就确定了，提高压缩比比可以降低可以降低r。n增压内燃机可以通过合理设计气门叠开角，利用扫气作用增压内燃机可以通过合理设计气门叠开角，利用扫气作用来降低气缸内的残余废气量来降低气缸内的残余废气量 n汽油机汽油机r值偏高，通常在值

19、偏高，通常在0.050.16范围。柴油机范围。柴油机r值值较小，一般在较小，一般在0.030.06范围。增压柴油机范围。增压柴油机r值更小，大值更小，大体在体在00.03范围。范围。 第三节充气效率和残余废气系数第三节充气效率和残余废气系数 一、充气效率一、充气效率n充气效率定义：充气效率定义：充气效率是进气过程结束时实际进入气缸的充气效率是进气过程结束时实际进入气缸的新鲜空气质量新鲜空气质量mL与在进气状态与在进气状态ps、Ts下能充满气缸工作容积下能充满气缸工作容积Vs的新鲜空气质量的新鲜空气质量ms之比之比 ：VL为实际进入气缸的新鲜充量的体积为实际进入气缸的新鲜充量的体积 。n进气状态

20、：非增压内燃机，进气状态取大气状态；增压内燃进气状态：非增压内燃机，进气状态取大气状态；增压内燃机的进气状态取增压器或中冷器之后的进气管状态机的进气状态取增压器或中冷器之后的进气管状态 n充气效率意义：衡量进入气缸充量的多少和换气过程的完善充气效率意义：衡量进入气缸充量的多少和换气过程的完善程度程度 ，v的大小直接影响内燃机的动力性的大小直接影响内燃机的动力性 sLsssLsLvVVVpRTmmm第三节充气效率和残余废气系数第三节充气效率和残余废气系数o充气效率测量：充气效率测量：在台架试验中通过流量计测量出内燃机在台架试验中通过流量计测量出内燃机实际进气体积流量实际进气体积流量（m3/h）由

21、下式求得气缸的由下式求得气缸的理论充气体积流量理论充气体积流量（m3/h），即），即式中，式中，i为气缸数；为气缸数；n为内燃机转速（为内燃机转速（r/min），气缸工作容积），气缸工作容积Vs（）（） 。600.031000 2ssVi ni n V 理论进气体积流量v实际进气体积流量理论进气体积流量 柴油机柴油机 0.750.90 汽油机汽油机 0.700.85 三、影响充气效率的因素三、影响充气效率的因素 充气效率充气效率v的表达式推导：的表达式推导：n理论上在进气状态（理论上在进气状态（ps，Ts）下，每循环充满气缸工）下，每循环充满气缸工作容积作容积Vs 的新鲜充量为：的新鲜充量为：

22、n在进气门关闭时气缸内气体的总质量为：在进气门关闭时气缸内气体的总质量为：LvsmmssssssVRTVpmaaaaaaVRTVpmn气缸内气体的总质量包括充入气缸的新鲜充量与残余废气量之和气缸内气体的总质量包括充入气缸的新鲜充量与残余废气量之和，即，即ma=mL+mr VsVan由残余废气系数由残余废气系数r的定义的定义 ： 及及ma=mL+mr有：有：r = mr/mL三、影响充气效率的因素三、影响充气效率的因素 充气效率充气效率v的表达式推导的表达式推导：1aLrmm1111LaaavssrssrmmVmmVn令令 =Va/V0， V0气缸总容积（活塞在下止点时活塞顶部的气缸容积）气缸总

23、容积（活塞在下止点时活塞顶部的气缸容积）-压缩比定义压缩比定义 =V0/Vc=1/(1-Vs/V0) VsVaVcVsV0经变换推导得经变换推导得:式中式中Pa、Ta进气终了时的气体温度和压力；进气终了时的气体温度和压力；Ts、Ps进气状态的温度和压力；进气状态的温度和压力；r残余废气系数，残余废气系数， =Va/V0；压缩比。压缩比。111111aasvsrsarp Tp T三、影响充气效率的因素三、影响充气效率的因素 充气效率充气效率v的表达式推导的表达式推导：充气效率主要与内燃机的结构参数（充气效率主要与内燃机的结构参数（ 及及 ）、进气状态）、进气状态密度（密度（a、s）及残余废气系数

24、）及残余废气系数r等有关等有关. 定性分析公式定性分析公式 1进气终了时的压力进气终了时的压力PanPa对充气效率有重要影响，对充气效率有重要影响，Pa愈高，充气效率值愈大愈高，充气效率值愈大Pa=Ps-Pa式中，式中，pa为气体流动时，克服进气系统阻力而引起的压降为气体流动时，克服进气系统阻力而引起的压降(kPa)。一般可写成。一般可写成式中式中管道阻力系数；管道阻力系数；进气状态下气体的密度；进气状态下气体的密度；v管道内气体的流速（管道内气体的流速（m/s）。）。22avp三、影响充气效率的因素三、影响充气效率的因素 111111aasvsrsarp Tp T可见，可见，pa主要主要取决

25、于各段管道取决于各段管道的阻力系数和气的阻力系数和气体流速。体流速。n转速和负荷对进气压力的影响转速和负荷对进气压力的影响1）转速）转速当节气门位置一定时，当节气门位置一定时，n增加，增加，Pa降低。降低。 2）负荷）负荷汽油机：负荷调节为汽油机：负荷调节为“量调节量调节”，当节气门关小时，节流，当节气门关小时，节流损失增加，引起损失增加，引起Pa下降。下降。柴油机：负荷调节为柴油机：负荷调节为“质调节质调节”，负荷减小时，负荷减小时Pa变化很小。变化很小。三、影响充气效率的因素三、影响充气效率的因素 1进气终了时的压力进气终了时的压力Pa、进气终了的温度进气终了的温度Ta na愈高，充气效率

26、值愈小愈高，充气效率值愈小n 进气终了的温度进气终了的温度Ta高于进气状态温度。引起高于进气状态温度。引起Ta升高的原因升高的原因是是:1）新鲜工质进入发动机与高温零件接触而被加热。）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。）新鲜工质与高温残余废气混合而被加热。n 措施：将高温排气管与进气管分置于气缸两侧，控制进气预措施：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，均有利于降低热，适当加大气门叠开角等，均有利于降低Ta。111111aasvsrsarp Tp T三、影响充气效率的因素三、影响充气效率的因素 n转速和负荷对转速

27、和负荷对Ta的影响的影响1）转速：）转速：当负荷不变而转速增加时，由于新鲜工质与缸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，所以壁等接触时间短，传热量少，所以Ta稍有下降。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）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，温度升高，Ta有所上升。有所上升。 3.残余废气系数残余废气系数r nr值越大，残余废气对进气阻碍及加热影响越严重，值越大，残余废气对进气阻碍及加热影响越严重，v就越低就越低 。nr主要与气缸压缩容积、气门叠开角等有关主要与气缸压缩容积、气门叠开角等有关 三、影响充气效率的因素三、影响

28、充气效率的因素 111111aasvsrsarp Tp T4.配气定时配气定时n进气迟闭角对充气效率的影响主要体现在进气门关闭时刻气流进气迟闭角对充气效率的影响主要体现在进气门关闭时刻气流惯性的利用情况惯性的利用情况.n进气迟闭角虽然导致小于的进气迟闭角虽然导致小于的,但但Pa值却可能因有气流惯性而值却可能因有气流惯性而使进气有所增加使进气有所增加,合适的进气迟闭角应考虑合适的进气迟闭角应考虑Pa具有最大值。具有最大值。5.压缩比压缩比n压缩比增加压缩比增加,压缩容积减小压缩容积减小,残余废气量随之减小残余废气量随之减小,因而充气效率因而充气效率有所增加。有所增加。111111aasvsrsa

29、rp Tp T三、影响充气效率的因素三、影响充气效率的因素 =Va/V0 1 进气迟闭角的影响进气迟闭角的影响. 进气状态（进气状态（s,ps)o对自然吸气内燃机就是指大气压力和温度。对自然吸气内燃机就是指大气压力和温度。o对于特定环境的内燃机，对于特定环境的内燃机，s,ps变化很小，因而对变化很小，因而对v的影响很小的影响很小 o当大气温度高而压力低时，虽然当大气温度高而压力低时，虽然v有所提高，但内有所提高，但内燃机输出转矩反而下降，特别在高原地区由于空气燃机输出转矩反而下降，特别在高原地区由于空气稀薄，内燃机的动力性下降明显。亦即，充气效率稀薄，内燃机的动力性下降明显。亦即，充气效率v只

30、是反应进入气缸充量多少的相对量，并不代表只是反应进入气缸充量多少的相对量，并不代表绝对量。绝对量。111111aasvsrsarp Tp T三、影响充气效率的因素三、影响充气效率的因素 第四节第四节提高充气效率的措施提高充气效率的措施 提高充气效率提高充气效率主要考虑进气过程终了时的压力主要考虑进气过程终了时的压力Pa、温、温度度a 、残余废气系数、残余废气系数r和和和四个参数和四个参数 n降低进气系统的阻力损失，以增加降低进气系统的阻力损失，以增加pa；n减少高温零件在进气过程中对新鲜充量的加热以降低减少高温零件在进气过程中对新鲜充量的加热以降低Ta；n降低排气系统阻力损失，以降低降低排气系

31、统阻力损失，以降低r；n合理利用换气过程的动态效应，提高合理利用换气过程的动态效应，提高 a。 111111aasvsrsarp Tp T一、降低进气系统流动阻力一、降低进气系统流动阻力第四节第四节 提高充气效率的措施提高充气效率的措施 n进气流动阻力包括管道摩擦阻力和局部阻力进气流动阻力包括管道摩擦阻力和局部阻力 ，且且局部阻力局部阻力是流道是流道中的主要损失中的主要损失 22avp（一）降低进气门处的流动损失（一）降低进气门处的流动损失n进气系统：空气滤清器进气系统：空气滤清器 进气管进气管 进气道进气道 进气门进气门 1. 增大进气门处流通面积增大进气门处流通面积均可增大进气门处流通面积

32、，降低均可增大进气门处流通面积，降低气体流动速度，使平均进气气体流动速度，使平均进气马赫数马赫数小于小于0.5，达到减少流动损失，提高，达到减少流动损失，提高充气系数的目的充气系数的目的增大进气门直径增大进气门直径增加进气门数目增加进气门数目改进凸轮型线改进凸轮型线进气马赫数进气马赫数M是进气门气流平均速度是进气门气流平均速度Vm与该处音速与该处音速C之比之比试验证明，当试验证明，当M超过超过0.5左右，充气效率左右，充气效率急剧下降。急剧下降。增大进气门直径增大进气门直径n进气门直径增大进气门直径增大,气流通截面积增加，气流通截面积增加，v提高。提高。n气门流通截面积气门流通截面积f:截锥台

33、面积：截锥台面积：n双气门（一进一排）：进气门直径可达活塞直径双气门（一进一排）：进气门直径可达活塞直径的的45%50%，进气门比排气门大，进气门比排气门大15%20%。受结构限制，进一步增大比例已。受结构限制，进一步增大比例已很困难。很困难。 1. 增大进气门处流通面积增大进气门处流通面积d(sincos ) cosfdllll-气门升程气门升程dtf称为气门的时间截面值称为气门的时间截面值。 增加进气门数目增加进气门数目 1. 增大进气门处流通面积增大进气门处流通面积n 四气门机与二气门机四气门机与二气门机相比，功率可提高相比，功率可提高70%，扭矩可提高扭矩可提高30%，且响应，且响应性

34、比增压机好，故是汽车性比增压机好，故是汽车发动机高功率化的有力措发动机高功率化的有力措施。施。n采用多气门是目前高性能高速内燃机用来增大流通面积，提采用多气门是目前高性能高速内燃机用来增大流通面积，提高充气系数、减少换气损失，改善内燃机动力性、经济性和高充气系数、减少换气损失，改善内燃机动力性、经济性和排放特性最有效的措施之一排放特性最有效的措施之一。 1. 增大进气门处流通面积增大进气门处流通面积增加进气门数目增加进气门数目两气门两气门 b)四气门四气门 c)五气门五气门I进气门进气门 E排气门排气门 SP火花塞火花塞多气门技术多气门技术改进凸轮型线和增加气门改进凸轮型线和增加气门升升程程n

35、气门升程增加、改进凸轮型线、气门升程增加、改进凸轮型线、在惯性力允许条件下使气门开闭尽在惯性力允许条件下使气门开闭尽可能快，以增大流通面积值，提高可能快，以增大流通面积值，提高充气效率。充气效率。n最大气门升程与阀盘直径之比最大气门升程与阀盘直径之比L/d取取0.260.28。（一）降低进气门处的流动损失（一）降低进气门处的流动损失第四节第四节 提高充气效率的措施提高充气效率的措施 1. 增大进气门处流通面积增大进气门处流通面积气门升程气门升程保证保证足够的流通面积，避免转弯及截面突足够的流通面积，避免转弯及截面突变，改善表面的光洁程度变，改善表面的光洁程度2. 改善气道、气门和气门座处的改善

36、气道、气门和气门座处的气体流动特性气体流动特性（一）降低进气门处的流动损失（一）降低进气门处的流动损失第四节第四节 提高充气效率的措施提高充气效率的措施 一、降低进气系统流动阻力一、降低进气系统流动阻力（二）减少进气管和空气滤清器的阻力（二）减少进气管和空气滤清器的阻力o合理设计进气管的长度合理设计进气管的长度o应保证其有足够的流通应保证其有足够的流通截面，合理设计通道型截面，合理设计通道型线，避免急转弯和各缸线，避免急转弯和各缸进气不均匀的现象进气不均匀的现象o应力求在保证滤清效率应力求在保证滤清效率的前提下，尽可能减小的前提下，尽可能减小阻力，如研制高效低阻阻力，如研制高效低阻空气滤清器，

37、使用中经空气滤清器，使用中经常清理滤清器，及时更常清理滤清器，及时更换滤芯等。换滤芯等。 第四节第四节 提高充气效率的措施提高充气效率的措施 一、降低进气系统流动阻力一、降低进气系统流动阻力o排气道应避免气道内截面突变和急转弯，这有利于降低排气道应避免气道内截面突变和急转弯，这有利于降低流通阻力。流通阻力。o设计高效低阻排气消声器设计高效低阻排气消声器 二、降低排气系统流通阻力二、降低排气系统流通阻力第四节第四节 提高充气效率的措施提高充气效率的措施 三、减少对进气充量的加热三、减少对进气充量的加热o采用进、排气管在气缸盖两侧布置的方案采用进、排气管在气缸盖两侧布置的方案 o增压及中冷可有效提

38、高增压及中冷可有效提高v 四、合理选择配气定时四、合理选择配气定时n v v在某一转速下达到最高在某一转速下达到最高值，此转速下能最好地利用气值，此转速下能最好地利用气流的惯性充气。流的惯性充气。n进气迟闭角增大，进气迟闭角增大，v v 最大值对应的转速增加，高速最大值对应的转速增加，高速下的下的vv增大，从而改善了发增大，从而改善了发动机高速区的动力性，标定功动机高速区的动力性，标定功率也明显得到提高。率也明显得到提高。 第四节第四节 提高充气效率的措施提高充气效率的措施 n可变配气相位技术，即可变配气相位技术，即VVT技术技术 （Variable Valve Timing）第四节第四节 提

39、高充气效率的措施提高充气效率的措施 四、合理选择配气定时四、合理选择配气定时可变配气相位技术，即可变配气相位技术，即VVT（Variable Valve Timing）技术技术o改变气门正时可以有很多不同的方法改变气门正时可以有很多不同的方法电磁阀气门电磁阀气门oAlfa Romeo，1980年，首次使用年，首次使用VVT技术；技术；oHonda，1989年，首次使用具有可变气门升程能力年，首次使用具有可变气门升程能力的的VVT技术；技术；oBMW，2001年，首次使用年，首次使用VVT技术取代了传统的节技术取代了传统的节气门。气门。 四、合理选择配气定时四、合理选择配气定时第四节第四节 提高

40、充气效率的措施提高充气效率的措施 气门持续开启角气门持续开启角高速时高速时3个摇臂由个摇臂由电控液压系统电控液压系统锁在一起而同步动作，由大凸轮锁在一起而同步动作，由大凸轮驱动摇臂整体，小凸轮空转驱动摇臂整体，小凸轮空转低速时，三根摇臂分离，低凸轮驱动两气门，升量较少，情形低速时，三根摇臂分离，低凸轮驱动两气门，升量较少，情形好像普通的发动机。好像普通的发动机。 同步活塞同步活塞丰田丰田i丰田丰田i 在该气门机构中，有上下两个在该气门机构中，有上下两个电磁极，一个衔铁固定在气门电磁极，一个衔铁固定在气门上。当下面的电磁极通电时，上。当下面的电磁极通电时，气门开到最大升程；当上面的气门开到最大升

41、程；当上面的电磁极通电时，气门被关闭。电磁极通电时，气门被关闭。下面的电磁极的位置可以移动，下面的电磁极的位置可以移动，以此改变气门的最大升程。当以此改变气门的最大升程。当电磁线圈不通电时，气门在弹电磁线圈不通电时，气门在弹簧的作用下，在关闭和开启状簧的作用下，在关闭和开启状态之间作简谐运动，电磁力只态之间作简谐运动，电磁力只起固定气门位置的作用。可以起固定气门位置的作用。可以改变进气定时，改变进气门的改变进气定时，改变进气门的最大升程和升程曲线。最大升程和升程曲线。电磁控制可变气门机构：电磁控制可变气门机构：四、合理选择配气定时四、合理选择配气定时电磁控制可变气门机构：电磁控制可变气门机构：

42、n波的动态机理波的动态机理o 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o 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 异型波异型波五、利用进气管的五、利用进气管的动态效应动态效应来提高充量系数来提高充量系数 第四节第四节 提高充气效率的措施提高充气效率的措施 n气体在进排气管中有压力波动现象，有效组织、利用压力波动，气体在进排气管中有压力波动现象，有效组织、利用压力波动，可以提高充气效率。可以提高充气效率。n进气动态

43、效应进气动态效应、惯性效应惯性效应阶段：进气门开阶段：进气门开进气门闭进气门闭膨胀波（膨胀波（进气门开进气门开 ）压缩波压缩波（进气门闭）（进气门闭）、 波动效应 阶段：进气门闭 下一循环进气门开 压缩波（进气门闭进气门闭 ） 膨胀波 膨胀波 压缩波 （进气门开） 压力波动是周期性的。压力波动是周期性的。五、利用进气管的动态效应来提高充量系数五、利用进气管的动态效应来提高充量系数 第四节第四节 提高充气效率的措施提高充气效率的措施 压力波传到之处，其效果是使该压力波传到之处，其效果是使该处压力处压力/速度上升者叫密波速度上升者叫密波(压缩压缩波波)；反之，使该处压力；反之，使该处压力/速度下速

44、度下降者叫疏波降者叫疏波(膨胀波膨胀波)五、利用进气管的动态效应来提高充量系数五、利用进气管的动态效应来提高充量系数 n压力波动的固有频率压力波动的固有频率 Laf40n 进气频率：进气频率：n 用用q q来表示来表示频率比，频率比，则有：则有： 120260nnfnnLaffqn300第四节第四节 提高充气效率的措施提高充气效率的措施 其中其中a进气管内声速进气管内声速。 n当当q=1q=1，2 2，时，进气频率与压时，进气频率与压力波动频率合拍，下一次气门开启力波动频率合拍，下一次气门开启期间与负的压力波重合，使充气量期间与负的压力波重合，使充气量减少。减少。 n当当q= q= ， 时时，

45、下一次气门开启期间正好与正的压，下一次气门开启期间正好与正的压力波相重合使充量系数增加。力波相重合使充量系数增加。211212nLaffqn300五、利用进气管的动态效应来提高充量系数五、利用进气管的动态效应来提高充量系数 结论：结论：nq=1.5,2.5, 对充气效率有利对充气效率有利n采用可变进气管长度技术采用可变进气管长度技术高速用短管；低速用长管高速用短管；低速用长管五、利用进气管的动态效应来提高充气效率五、利用进气管的动态效应来提高充气效率 nLaffqn300五、利用进气管的动态效应来提高充气效率五、利用进气管的动态效应来提高充气效率 可变进气管长度技术可变进气管长度技术排气管动态

46、效应排气管动态效应 o排气管内也存在压力波。排气管内也存在压力波。o若能在排气过程后期，特别是气门叠开期，使排若能在排气过程后期，特别是气门叠开期，使排气管的气门端形成稳定的负压，便可减少缸内残气管的气门端形成稳定的负压，便可减少缸内残余废气和泵气损失，并有利于新气进入气缸。余废气和泵气损失，并有利于新气进入气缸。o需要配以长的管路应考虑排气管与消声器、排需要配以长的管路应考虑排气管与消声器、排放装置的组合及车体的安装空间。放装置的组合及车体的安装空间。 可变技术可变技术o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 。o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、

47、低转速，中、小负荷的经济性和稳定性。o主要有可变进气管、可变气门定时、可变气门升程、可变进气涡流等技术。o 二冲程汽油机的工作原理二冲程汽油机的工作原理第五节二行程发动机的换气过程第五节二行程发动机的换气过程o二行程发动机是曲轴回转一圈，二行程发动机是曲轴回转一圈，活塞上下两个行程，就完成一个活塞上下两个行程，就完成一个工作循环工作循环 。o它与四行程发动机的不同之处主它与四行程发动机的不同之处主要在于换气过程。要在于换气过程。o二行程发动机的换气过程，大约二行程发动机的换气过程，大约占占130150曲轴转角，曲轴转角，为四行程的为四行程的13左右（四行程左右（四行程发动机约占发动机约占410

48、480曲曲轴转角）。轴转角）。o二行程的换气过程是进、排气过二行程的换气过程是进、排气过程同时进行，利用新鲜工质来扫程同时进行，利用新鲜工质来扫除废气。除废气。进气口排气口扫气口扫气形式扫气形式n曲轴箱扫气形式曲轴箱扫气形式 结构简单、紧凑结构简单、紧凑 扫气压力仅为扫气压力仅为1.08kPa1.08kPa左右左右 仅用于小型汽油机及单缸柴油机仅用于小型汽油机及单缸柴油机 第五节二行程发动机的换气过程第五节二行程发动机的换气过程n 采用单独的扫气泵采用单独的扫气泵 扫气压力扫气压力140-200kPa 140-200kPa 扫气泵要消耗发动机扫气泵要消耗发动机的有效功。的有效功。进气口扫气口排

49、气口扫气泵扫气泵进气口扫气口一、换气型式一、换气型式 1、横流扫气横流扫气o扫气口与排气口布置在扫气口与排气口布置在气缸圆周的两对面。气缸圆周的两对面。o缺点：温度不匀易使缸缺点：温度不匀易使缸套和活塞变形套和活塞变形 、有空有空气直接排出、换气效果气直接排出、换气效果较差较差。o优点：结构简单优点：结构简单根据新鲜充量在气缸中流动的性质，二行程内燃机的换气方根据新鲜充量在气缸中流动的性质，二行程内燃机的换气方案可以分为横流扫气、回流扫气和直流扫气三种：案可以分为横流扫气、回流扫气和直流扫气三种： 第五节二行程发动机的换气过程第五节二行程发动机的换气过程2、回流扫气回流扫气o扫气口不是正对着排

50、气口设置，扫气口不是正对着排气口设置，两者常位于气缸同侧两者常位于气缸同侧 。o优点：优点：回流扫气，回流扫气，克服横流换气克服横流换气中新鲜充量短路的现象，扫气效中新鲜充量短路的现象，扫气效果比横流好。果比横流好。 第五节二行程发动机的换气过程第五节二行程发动机的换气过程一、换气型式一、换气型式一、换气型式一、换气型式3、直流换气方案直流换气方案o扫气口沿切线方向排列扫气口沿切线方向排列，形成气垫形成气垫，沿气缸轴线沿气缸轴线运动，将废气推出气缸运动，将废气推出气缸 。o扫气效果最好。扫气效果最好。o保留了气门机构，结构保留了气门机构，结构较为复杂较为复杂。o低速、中速、高速内燃低速、中速、

51、高速内燃机上均有采用机上均有采用 第五节二行程发动机的换气过程第五节二行程发动机的换气过程1.自由排气阶段自由排气阶段 2.扫气阶段扫气阶段 3.过后排气或过后充气阶段过后排气或过后充气阶段 n换气过程的工作顺序是：在膨胀换气过程的工作顺序是：在膨胀行程的末期，活塞下行，首先打开行程的末期，活塞下行，首先打开排气口（排气口（A点点），），开始排气开始排气；而后；而后扫气口开启扫气口开启（B点点），具有一定压），具有一定压力的新鲜充量由扫气口流入气缸，力的新鲜充量由扫气口流入气缸，并强迫废气由排气口流出，进行充并强迫废气由排气口流出，进行充量更换；然后，活塞到达下止点后量更换；然后，活塞到达下止

52、点后又上行，依次将扫气口和排气口关又上行，依次将扫气口和排气口关闭（闭（C点和点和D点），换气过程结束。点），换气过程结束。二、二行程发动机的换气过程二、二行程发动机的换气过程第五节二行程发动机的换气过程第五节二行程发动机的换气过程n换气过程分为三个阶段换气过程分为三个阶段 ：1.自由排气阶段自由排气阶段p从排气口（或排气门）开启到扫从排气口（或排气门）开启到扫气口开启为止气口开启为止 p压力比压力比pb/pr超过临界值，气超过临界值，气缸内的废气以当地声速流出缸内的废气以当地声速流出p在自由排气阶段，缸内燃气可以在自由排气阶段，缸内燃气可以流出大约流出大约70%80% ；二、二行程发动机的换

53、气过程二、二行程发动机的换气过程第五节二行程发动机的换气过程第五节二行程发动机的换气过程n换气过程分为三个阶段换气过程分为三个阶段 ：2.扫气阶段扫气阶段p扫气口开启，新鲜充量进入气缸，扫气口开启，新鲜充量进入气缸，直到活塞下行到下止点后再上行将直到活塞下行到下止点后再上行将扫气口关闭为止扫气口关闭为止 ；p利用扫气气体强制将废气排出气利用扫气气体强制将废气排出气缸外，还要充入新鲜充量；缸外，还要充入新鲜充量； p此阶段中，废气主要靠扫气压力此阶段中，废气主要靠扫气压力与缸内压力和排气管内压力的压力与缸内压力和排气管内压力的压力差排出差排出 ；3.过后排气或过后充气阶段过后排气或过后充气阶段p

54、从扫气口关闭到排气口关闭期间从扫气口关闭到排气口关闭期间 二、二行程发动机的换气过程二、二行程发动机的换气过程第五节二行程发动机的换气过程第五节二行程发动机的换气过程n换气过程分为三个阶段换气过程分为三个阶段 ：二、二行程发动机的换气过程二、二行程发动机的换气过程o二行程发动机的配气相位图和示功图二行程发动机的配气相位图和示功图第五节二行程发动机的换气过程第五节二行程发动机的换气过程配气相位图配气相位图示功图示功图三、二行程内燃机换气质量的评价指标三、二行程内燃机换气质量的评价指标 o最理想的换气过程应是废气和新鲜充量毫不相混，最理想的换气过程应是废气和新鲜充量毫不相混，扫气气流将废气全部挤出

55、扫气气流将废气全部挤出。o事实上，一部分废气留在气缸里，一部分新鲜空气事实上，一部分废气留在气缸里，一部分新鲜空气田排气口跑掉。田排气口跑掉。o二行程换气过程研究方向是提高换气质量。四行程二行程换气过程研究方向是提高换气质量。四行程换气过程研究方向是提高充气效率。换气过程研究方向是提高充气效率。第五节二行程发动机的换气过程第五节二行程发动机的换气过程三、二行程内燃机换气质量的评价指标三、二行程内燃机换气质量的评价指标1 1、扫气系数、扫气系数s：n定义：换气过程结束后，留在缸内的新鲜空气质量定义：换气过程结束后，留在缸内的新鲜空气质量mL与缸内全部混合气质量与缸内全部混合气质量mg的比值的比值

56、 ns是衡量扫气效果优劣的重要标志是衡量扫气效果优劣的重要标志 ，s越大扫气越大扫气效果越好效果越好 ；极限情况下；极限情况下s=1，则，则r=0，意味着，意味着完全扫气。完全扫气。第五节二行程发动机的换气过程第五节二行程发动机的换气过程rrLLgLsmmmmm11/2. 给气比（过量扫气系数）给气比（过量扫气系数）ko定义：每循环流经气缸总的充量质量定义：每循环流经气缸总的充量质量mk与在扫气状态与在扫气状态（ps、Ts）下充满气缸工作容积的充量质量）下充满气缸工作容积的充量质量ms之比，之比，即表示扫气总量占进气量的比值。即表示扫气总量占进气量的比值。 k = mk/mso通常二行程扫气是

57、过量的，通常二行程扫气是过量的，k值一般为值一般为1.21.5。o对于理想换气系统的要求，应该是在尽可能小的给气比对于理想换气系统的要求，应该是在尽可能小的给气比k的前提下，获得尽可能高的扫气系数的前提下，获得尽可能高的扫气系数s，降低残余，降低残余废气量废气量。三、二行程内燃机换气质量的评价指标三、二行程内燃机换气质量的评价指标第五节二行程发动机的换气过程第五节二行程发动机的换气过程1 1）换气时间短，换气质量较差。）换气时间短，换气质量较差。 二行程内燃机的换气过程持续时间为二行程内燃机的换气过程持续时间为120150CA，而四行程内燃机的换气时间为而四行程内燃机的换气时间为400500C

58、A 2 2）进排气过程同时进行，）进排气过程同时进行，新鲜充量与废气易于掺混，残余新鲜充量与废气易于掺混，残余废气系数较大废气系数较大 3 3）扫气消耗功大）扫气消耗功大 4 4）HCHC排放高排放高）致使经济性，）致使经济性，HCHC排放量、排烟、噪声等性能较低排放量、排烟、噪声等性能较低第五节二行程发动机的换气过程第五节二行程发动机的换气过程二行程内燃机的二行程内燃机的换气过程换气过程与四行程相比，存在下列问题与四行程相比，存在下列问题：二行程内燃机适合于工况稳定的大型低速船用或固定式二行程内燃机适合于工况稳定的大型低速船用或固定式（如发电机组）应用场合，以及对升功率、比质量指标要（如发电

59、机组）应用场合，以及对升功率、比质量指标要求较高的摩托车发动机及小型汽油机求较高的摩托车发动机及小型汽油机 第二章第二章 作业题（发动机的换气过程）作业题（发动机的换气过程）1 画出发动机的配气相位图，并标明各部分名称。2 简述排气过程的各种划分方法。3 简述燃烧室的扫气作用。4 什么是充气效率？怎样确定一台发动机的充气效率？5 试根据充气效率的分析式，说明提高充气效率的措施。6 试述转速和负荷是如何影响充气效率的，汽油机与柴油机有什么不同？7 如何选择柴油机和汽油机进气管的截面形状？8 柴油机和汽油机的进气管应如何布置？9 怎样综合评定发动机配气定时的合理与否？10 做出进气迟闭角分别为40

60、度和60度时的充气效率曲线和有效功率曲线，标明和解释各参数，并分析转速变化对进气迟闭角的影响。11 如何选择高速发动机和低速发动机的进气管长度？12 进气惯性效应和波动效应有何不同？第六节内燃机增压技术第六节内燃机增压技术 o增压方式增压方式o增压对经济性和动力性的影响增压对经济性和动力性的影响o增压的优势与问题增压的优势与问题 o压气机压气机o涡轮机涡轮机o废气涡轮增压方式废气涡轮增压方式o汽油机增压问题及解决措施汽油机增压问题及解决措施一、增压方式一、增压方式o 内燃机的增压就是利用某种能量驱动一压气机，由内燃机的增压就是利用某种能量驱动一压气机，由此对进气进行压缩，提高进气压力，从而增加