内燃机原理第2章

1、第二章第二章 内燃机的充量更换内燃机的充量更换第一节第一节 四冲程内燃机的换气过程四冲程内燃机的换气过程第二节第二节 四冲程内燃机的换气损失四冲程内燃机的换气损失第三节第三节 提高内燃机充量系数的措施提高内燃机充量系数的措施第四节第四节 二冲程内燃机的换气二冲程内燃机的换气第五节第五节 进、排气管内动力效应的应用进、排气管内动力效应的应用第二章第二章 内燃机的充量更换内燃机的充量更换第二章第二章 内燃机的充量更换内燃机的充量更换第二章第二章 内燃机的充量更换内燃机的充量更换第一节第一节 四冲程内燃机的换气过程四冲程内燃机的换气过程一、排气阶段一、排气阶段（一）按排气的主要动因分析（一）按排气的

2、主要动因分析1、自由、自由排气阶段：废气靠自身压力自行排出气缸。排气阶段：废气靠自身压力自行排出气缸。排气门开到排气下止点缸内气体压力高于排气管内的排排气门开到排气下止点缸内气体压力高于排气管内的排气背压，缸内气体可以自由地排出缸外（另一种划分方气背压，缸内气体可以自由地排出缸外（另一种划分方法：排气门开到缸内压力接近排气管内压力）。法：排气门开到缸内压力接近排气管内压力）。为降低排气消耗功，排气门提前开，排气门提前角为降低排气消耗功，排气门提前开，排气门提前角3080第一节第一节 四冲程内燃机的换气过程四冲程内燃机的换气过程第一节第一节 四冲程内燃机的换气过程四冲程内燃机的换气过程第一节第一

3、节 四冲程内燃机的换气过程四冲程内燃机的换气过程第一节第一节 四冲程内燃机的换气过程四冲程内燃机的换气过程第一节第一节 四冲程内燃机的换气过程四冲程内燃机的换气过程三、气门叠开和燃烧室扫气过程三、气门叠开和燃烧室扫气过程排气门晚关，进气门早开，存在同时开启现象，称为气门叠排气门晚关，进气门早开，存在同时开启现象，称为气门叠开。气门叠开把进气系统、排气系统和燃烧室三者沟通起来。开。气门叠开把进气系统、排气系统和燃烧室三者沟通起来。利用压差、惯性或进、排气压力波，进行扫气，提高充气系利用压差、惯性或进、排气压力波，进行扫气，提高充气系数、降低燃烧室温度及残余废气量。数、降低燃烧室温度及残余废气量。

4、重叠角大，排气倒流重叠角大，排气倒流。 汽油机汽油机：进气是可燃混合气，且进气管内压力低于：进气是可燃混合气，且进气管内压力低于P0 ，高温废气易窜入进气管，引起回火，叠开角小，高温废气易窜入进气管，引起回火，叠开角小，2030。 非增压柴油机：进气管压力接近非增压柴油机：进气管压力接近P0 ，允许适当采用较，允许适当采用较大气门重叠角，以提高常用转速内的充量，一般在大气门重叠角，以提高常用转速内的充量，一般在2080。 增压柴油机：进气压力大于排气压力，一部分新气通过增压柴油机：进气压力大于排气压力，一部分新气通过燃烧室进入排气管，扫除燃烧室内的残余废气，称扫气，燃烧室进入排气管，扫除燃烧室

5、内的残余废气，称扫气，使高温零件温度降低，发动机缸内新鲜充量增加，故采使高温零件温度降低，发动机缸内新鲜充量增加，故采用较大的重叠角，一般用较大的重叠角，一般80140。第二节四冲程内燃机第二节四冲程内燃机的换气的换气损失损失换气损失：理论换气功与实际换气功之差，由排气损失换气损失：理论换气功与实际换气功之差，由排气损失和进气损失两部分组成。和进气损失两部分组成。一、排气损失一、排气损失 1）自由排气损失）自由排气损失W膨胀功减少膨胀功减少 2）强制排气损失）强制排气损失X推出损失功推出损失功排气提前角增大排气提前角增大W增大增大X小，最佳排气提前角，小，最佳排气提前角，W+X最小最小二、进气

6、损失二、进气损失进气过程消耗功，克服进气阻力，加速气体，进气过程消耗功，克服进气阻力，加速气体，Y换气损失：换气损失：W+X+Y第二节四冲程内燃机的换气损失第二节四冲程内燃机的换气损失三、泵气功与泵气损失三、泵气功与泵气损失1、泵气损失、泵气损失X+Y-u，在机械损失中考虑。，在机械损失中考虑。2、影响因素、影响因素（1）负荷下降）负荷下降汽油机：节流，进气管压力下降汽油机：节流，进气管压力下降 泵气功增加泵气功增加 自由排气量下降，推出功增加自由排气量下降，推出功增加 柴油机：基本不变或略有增加。柴油机：基本不变或略有增加。（2）发动机转速）发动机转速n增加增加，残余废气增加，进气终了缸内压

7、力下，残余废气增加，进气终了缸内压力下降降，泵损失增加，泵损失增加第三节第三节 提高充量系数的措施提高充量系数的措施第三节第三节 提高充量系数的措施提高充量系数的措施（二）充气系数（二）充气系数Vs大，大，m1大，大，Vs小，小，m1小，评价换气过程的完善程度，小，评价换气过程的完善程度，所用指标应不受所用指标应不受Vs大小的影响，为此引入充量系数大小的影响，为此引入充量系数。自然吸气发动机、增压发动机、增压中冷发动机的进气自然吸气发动机、增压发动机、增压中冷发动机的进气状态分别为当地环境的大气状态、增压器出口的空气状状态分别为当地环境的大气状态、增压器出口的空气状态和冷却器出口的空气状态。态

8、和冷却器出口的空气状态。第三节第三节 提高充量系数的措施提高充量系数的措施第三节第三节 提高充量系数的措施提高充量系数的措施第三节第三节 提高充量系数的措施提高充量系数的措施第三节第三节 提高充量系数的措施提高充量系数的措施第三节第三节 提高充量系数的措施提高充量系数的措施第三节第三节 提高充量系数的措施提高充量系数的措施第三节第三节 提高充量系数的措施提高充量系数的措施（一）降低进气系统的阻力（一）降低进气系统的阻力2.减小进气管与进气系统附件的流动阻力减小进气管与进气系统附件的流动阻力增大增大流通面积、减少弯曲及截面突变、尽可能缩短进气管和流通面积、减少弯曲及截面突变、尽可能缩短进气管和进

9、气道的长度。进气道的长度。降低空滤器、节气门等阻力。降低空滤器、节气门等阻力。 第三节第三节 提高充量系数的措施提高充量系数的措施（二）降低排气系统的阻力（二）降低排气系统的阻力 排气系统包括：排气门、排气道、排气管和消声器。排气系统包括：排气门、排气道、排气管和消声器。改善排气门及排气门处的几何形状改善排气门及排气门处的几何形状排气道作成扩压形，使通过的气体的部分动能转化为压能，排气道作成扩压形，使通过的气体的部分动能转化为压能，使气缸内的残气压力下降，残余废气量下降，充量系数增加。使气缸内的残气压力下降，残余废气量下降，充量系数增加。多气门结构多气门结构可变技术可变技术合理设计排气管路合理

10、设计排气管路降低后处理系统和消声器的阻力损失降低后处理系统和消声器的阻力损失第三节第三节 提高充量系数的措施提高充量系数的措施（三）减少对进气充量的加热。（三）减少对进气充量的加热。柴油机进排气管两侧分开布置柴油机进排气管两侧分开布置汽油机，为利用废气加热进气，进排气管同侧布置，但汽油机，为利用废气加热进气，进排气管同侧布置，但予热量在保证蒸发条件下，控制在最小。有些汽油机中，予热量在保证蒸发条件下，控制在最小。有些汽油机中，为提高充量系数，进排气管两侧分开布置。为提高充量系数，进排气管两侧分开布置。第三节第三节 提高充量系数的措施提高充量系数的措施（四）合理选择配气定时（四）合理选择配气定时

11、配气正时对充量系数有重要影响，合理的配气正时，可配气正时对充量系数有重要影响，合理的配气正时，可以达到最佳充气效果得到符合使用要求的扭矩曲线。以达到最佳充气效果得到符合使用要求的扭矩曲线。配气相位中进气迟关角对充量系数影响最大，因为进气配气相位中进气迟关角对充量系数影响最大，因为进气迟关期间是利用气流惯性进行过后充气的时间。迟关期间是利用气流惯性进行过后充气的时间。第三节第三节 提高充量系数的措施提高充量系数的措施1.转速一定时，进气迟关角对充量系数的影响转速一定时，进气迟关角对充量系数的影响在某一进气迟关角，充量系数有最大值，称此迟关角为在某一进气迟关角，充量系数有最大值，称此迟关角为该转速

12、下的该转速下的 最佳迟关角。发动机最佳迟关角。发动机n一定，气流惯性一定，一定，气流惯性一定，最佳迟关角一定，动能完全利用。进气压力最佳迟关角一定，动能完全利用。进气压力+惯性压力惯性压力=缸压。缸压。当当 进气迟关角小于最佳迟关角时，进气压力进气迟关角小于最佳迟关角时，进气压力+惯性压力惯性压力缸压力，气体的动能还很大，可以进行惯性充气，但进缸压力，气体的动能还很大，可以进行惯性充气，但进气门关了，没有充分利用，充量系数下降。气门关了，没有充分利用，充量系数下降。当时进气迟关角大于最佳迟关角时，当时进气迟关角大于最佳迟关角时， 缸压力缸压力进气压力进气压力+惯性压力，进入气缸的气体被推出气缸

13、（进气倒流），惯性压力，进入气缸的气体被推出气缸（进气倒流），充量系数下降。充量系数下降。高速发动机气流惯性大，最佳迟关角大，低速发动机气高速发动机气流惯性大，最佳迟关角大，低速发动机气流惯性小，最佳迟关角小。流惯性小，最佳迟关角小。第三节第三节 提高充量系数的措施提高充量系数的措施2.当进气迟关角一定时，当进气迟关角一定时，n对充量系数的影响对充量系数的影响某某n下，充量系数最大，气流惯性利用最好，进气压力下，充量系数最大，气流惯性利用最好，进气压力+惯性压力惯性压力=缸压缸压当当n增加时，气流惯性大，但气门关闭了，没有充分利用，增加时，气流惯性大，但气门关闭了，没有充分利用，同时，进气压力

14、降增大，缸内压力下降。进气压力同时，进气压力降增大，缸内压力下降。进气压力+惯性惯性压力压力缸压力缸压力当当n下降时，气流惯性下降，缸压力下降时，气流惯性下降，缸压力进气压力进气压力+惯性压惯性压力，进气倒流，充量系数下降。力，进气倒流，充量系数下降。第三节第三节 提高充量系数的措施提高充量系数的措施第三节第三节 提高充量系数的措施提高充量系数的措施4、选择气门定时考虑的因素、选择气门定时考虑的因素（1）提高充量系数）提高充量系数（2）必要的扫气）必要的扫气（3）合适的排温）合适的排温（4）合适的）合适的cn曲线曲线（5）减小换气）减小换气损失损失（五）合理利用进气谐振（五）合理利用进气谐振第

15、四节第四节 二冲程内燃机的换气二冲程内燃机的换气一、二冲程内燃机的换气过程及示功图一、二冲程内燃机的换气过程及示功图（1）自由排气（先期排气）自由排气（先期排气）自由排气，废气以音速流出，超临界流动，排气口开到扫气自由排气，废气以音速流出，超临界流动，排气口开到扫气口开。口开。排气量与排气管内的气体状态无关，只取决于缸内的状态和排气量与排气管内的气体状态无关，只取决于缸内的状态和排气口流通截面的大小。排出气体约为排气口流通截面的大小。排出气体约为7080%。（2）扫气与强制排气阶段）扫气与强制排气阶段用新气强制排出废气，扫气口开到扫气口关。流出部分新气。用新气强制排出废气，扫气口开到扫气口关。

16、流出部分新气。（3）过后排气或过后充气阶段）过后排气或过后充气阶段扫气口关到排气口关。扫气口关到排气口关。第四节第四节 二冲程内燃机的换气二冲程内燃机的换气有效工作容积：有效工作容积：Vs=Vs -Ve=Vs （1- ）式中：式中：Vs 活塞行程容积活塞行程容积Ve损失容积损失容积Vs有效工作容积有效工作容积行程损失百分比，行程损失百分比， =Ve/ Vs 实际压缩比：实际压缩比： =(Vc + Vs)/ Vc 几何压缩比：几何压缩比：=(Vc + Vs )/ Vc =(- )/（1- ） 第四节第四节 二冲程内燃机的换气二冲程内燃机的换气二、二冲程内燃机换气过程的特点二、二冲程内燃机换气过程

17、的特点新鲜充量均需要由专门的泵（扫气泵），提高其压力，再充新鲜充量均需要由专门的泵（扫气泵），提高其压力，再充入气缸，称扫气，扫气是二冲程内燃机的换气特点。入气缸，称扫气，扫气是二冲程内燃机的换气特点。扫气机构有三种，曲轴箱扫气，单独扫气泵与废气涡轮增压。扫气机构有三种，曲轴箱扫气，单独扫气泵与废气涡轮增压。（1）换气时间短）换气时间短（2）进排气过程同时进行）进排气过程同时进行（3）扫气消耗功大）扫气消耗功大（4）HC排放高排放高第四节第四节 二冲程内燃机的换气二冲程内燃机的换气三、换气品质的评价三、换气品质的评价1.扫气系数：换气过程结束后，留在气缸内的新鲜充量扫气系数：换气过程结束后，留

18、在气缸内的新鲜充量m1与与缸内气体总质量缸内气体总质量m0的比值。的比值。 s = m1 / m0 = m1 /(m1 + mr ) 式中：式中： mr残余废气质量。残余废气质量。 评价扫气效果优劣的重要参数，越大，扫敢效果越好，极限评价扫气效果优劣的重要参数，越大，扫敢效果越好，极限情况是情况是1，则，则mr为为0，意味着完全扫气，残余废气系数是，意味着完全扫气，残余废气系数是0。第四节第四节 二冲程内燃机的换气二冲程内燃机的换气2.过量扫气系数（给气比）：每循环流过扫气口的充量质量过量扫气系数（给气比）：每循环流过扫气口的充量质量mk与扫气状态与扫气状态Ps、Ts下下气缸工作容积气缸工作容

19、积的充量质量的充量质量ms之比。之比。 k= mk / ms扫气总量占进气量的比值，扫气系统越完善，能达到同样换扫气总量占进气量的比值，扫气系统越完善，能达到同样换气效果的气效果的 k越小，消耗于驱动扫气泵的功率也越小。越小，消耗于驱动扫气泵的功率也越小。理想换气系统，在尽可能小的过量扫气系数前提下，获得尽理想换气系统，在尽可能小的过量扫气系数前提下，获得尽可能高的扫气系数，降低残余废气系数。可能高的扫气系数，降低残余废气系数。第四节第四节 二冲程内燃机的换气二冲程内燃机的换气四、各种换气方案比较四、各种换气方案比较1、横流扫气、横流扫气(Cross scavenge)：特点：扫气口与排气口布

20、置在对面，扫气口，纵、横方向有特点：扫气口与排气口布置在对面，扫气口，纵、横方向有倾角，控制方向，扫气定时对称，有额外排气。倾角，控制方向，扫气定时对称，有额外排气。缺点缺点：下部区域易下部区域易残留废气残留废气，上部区域易，上部区域易短路换气效果差；短路换气效果差；活塞气缸受热不均匀，排气口侧受热严重，扫气口侧温度较活塞气缸受热不均匀，排气口侧受热严重，扫气口侧温度较低；由于扫气压力作用，活塞组单边摩损。低；由于扫气压力作用，活塞组单边摩损。第四节第四节 二冲程内燃机的换气二冲程内燃机的换气2、回流扫气、回流扫气(Loop scavenge)：扫气口与排气口位于气缸同侧，扫气口在纵横向上有倾

21、角，扫气口与排气口位于气缸同侧，扫气口在纵横向上有倾角，使气流沿活塞顶气缸壁向上形成回流克服横流扫气易路缺点，使气流沿活塞顶气缸壁向上形成回流克服横流扫气易路缺点，扫气效果好，结构简单，制造方便，应用广泛。扫气效果好，结构简单，制造方便，应用广泛。第四节第四节 二冲程内燃机的换气二冲程内燃机的换气3、直流扫气、直流扫气(Uniflow scanvenge)：扫气流沿气缸轴线运动，换气品质最好，扫气口沿切线方向扫气流沿气缸轴线运动，换气品质最好，扫气口沿切线方向排列，使扫气流旋转形成气垫，避免与废气相混，并将废气排列，使扫气流旋转形成气垫，避免与废气相混，并将废气推出气缸。由于是气阀气口式，可以

22、实现不对称换气，使排推出气缸。由于是气阀气口式，可以实现不对称换气，使排气阀关闭早，实现过后充气。活塞受扫气空气冷却作用，工气阀关闭早，实现过后充气。活塞受扫气空气冷却作用，工作条件较好。冲程损失系数小，扫气口沿整个圆周布置，孔作条件较好。冲程损失系数小，扫气口沿整个圆周布置，孔高可以缩短。高可以缩短。第五节第五节 进、排气管内动力效应的应用进、排气管内动力效应的应用由间断进气引起的进气压力波对内燃机进气量影响很大，由间断进气引起的进气压力波对内燃机进气量影响很大，进气管长度、直径等进气系统参数会改变进气压力波，进气管长度、直径等进气系统参数会改变进气压力波，因而适当调整这些参数可以利用进气管的压力波以增加因而适当调整这些参数可以利用进气管的压力波以增加充气效率，改善扭矩。充气效率，改善扭矩。1.进气管的惯性效应（本循环波动效应）进气管的惯性效应（本循环波动效应）2.进气管波动效应（前一循环的波动效应）进气管波动效应（前一循环的波动效应）压力波的固有频率：压力波的固有频率： f1=C/（4L*）式中：式中：L*进气管当量长度进气管当量长度 C音速音速进气频率：进气频率： f2=n/120波动次数：波动次数： q