第二章 发动机的换气过程(自)

1、第二章 发动机的换气过程 四冲程发动机的换气过程四冲程发动机的换气过程 四冲程发动机的充气效率四冲程发动机的充气效率 影响充气效率的各种因素影响充气效率的各种因素 提高充气效率的措施提高充气效率的措施 进气管内的动态效应进气管内的动态效应 一 配气定时 排气提前角4080排气迟闭角1035进气提前角 040进气迟闭角4080 气门叠开角 = 进气提前角+排气迟闭角 二 换气过程 自由排气自由排气强制排气强制排气气门叠开气门叠开进气进气自由排气阶段 A ：靠缸内压力将气体挤出气缸 强制排气阶段 B ：靠活塞上行将废气挤出气缸 超临界排气 C ：亚临界排气 D ： 自由排气阶段中排出的废气量与内燃

2、机的转速无关，但在高速时，同样的排气时间对应的曲轴转角将大为增加。为使气缸压力及时下降，必须加大排气提前角，否则将使自由排气阶段(以曲轴转角计)延长、排气消耗功增加。所以，。自由排气阶段虽然占整个排气时间的比例不大，但由于排气流速很高，排出的废气量可达60%以上，一般持续到下止点后1030(CA)结束。进气过程和气门叠开角 气阀叠开角 ：非增压：2060 CA 增压：110140 CA 扫气的作用：（1）清除废气。（2）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。 三 换气损失 理论循环换气功与实际循环换气功之差 换气损失功 = X+（Y+W ）排气损失功Y Y+W 进气

3、损失功X X 泵气损失功（X+Y-dX+Y-d） 对于增压内燃机增压内燃机而言，理论的换气过程是经过压缩的新鲜充量以增压压力pb等压地流人气缸，而排气则以pT等压地排出，进气与排气压力值均高于大气压力，且pbpT。这样，换气过程所获得的功(其值为正)为图中的矩形面积所示；而实际的换气过程中，换气过程所获得的功却是图中的封闭曲线面积封闭曲线面积，小于理论循环值，两者之差就是换气损失，其大小可由图中的阴影面积来表示。由于换气过程主要是由进气过程和排气过程所组成，因而其损失也是由进气损失和排气损失两部分组成。排气损失自由排气损失（排气门提前打开损失）强制排气损失随着排气提前角排气提前角的增大，自由排

4、气损失增加，而强制排气损失减小，最有利的排气提前角，应当是使两者损失之和为最小。进气损失进气损失合理调整配气定时，加大进气门的流通截面、正确设计进气管及进气道的流动路径以及降低活塞平均速度等，都会使进气损失减少2-2 四冲程发动机充气效率 一 充气效率实际测量:作容积的新鲜充量进气状态下充满气缸工量实际进入气缸的新鲜充vhvVV1理论流量实际流量柴油机：0.750.90，汽油机：0.700.85。 二 充气效率的分析式rTppTaav11100下标0:大气状态下标a:进气终了时缸内状态下标r:排气终了时残余废气状态 pTaav,pTrrv,2-3 影响充气效率的因素进气终了压力进气终了压力进气

5、终了温度进气终了温度排气终了压力排气终了压力排气终了温度排气终了温度压缩比压缩比配气定时配气定时进气状态进气状态一 进气终了压力进气终了压力 进气阻力进气阻力 转速转速 ：n n 负荷：负荷： 汽油机：负荷汽油机：负荷节气门开度节气门开度 （量调节）（量调节） ； 柴油机：负荷柴油机：负荷循环供油量循环供油量 （质调节）（质调节） 基本不变基本不变 appavvv二二 进气终了温度进气终了温度 转速转速 ， 负荷负荷 ，柴油机：进、排气管分置两侧，避免排气柴油机：进、排气管分置两侧，避免排气管对进气管加热管对进气管加热 化油器式汽油机：进、排气管同置一侧，化油器式汽油机：进、排气管同置一侧，改

6、善混合气形成改善混合气形成 Taav aTaT三 排气终了压力p pr r残余废气量残余废气量v v n np pr rv v （影响较小）（影响较小） 四四 排气终了温度排气终了温度 Tr v 五五 压缩比压缩比 v 六六 配气定时配气定时七七 进气状态进气状态 进气温度进气温度 ，加热量，加热量 ， v 进气压力进气压力 ，pa/po不变不变 ， v基本不变基本不变 思考题汽车由平原行驶高原地区，发动机的功率汽车由平原行驶高原地区，发动机的功率下降是不是由于下降是不是由于充气效率充气效率下降所致？为什下降所致？为什么么？ 2-4 提高充气效率的措施减小流动阻力减小流动阻力合理选择配气定时减

7、小对新鲜空气的热传导减小排气阻力一一 减小流动阻力减小流动阻力 1、进气门：、进气门：进气门直径进气门直径 、四气门、气门升程四气门、气门升程 阀顶过渡圆角阀顶过渡圆角 Rf1v ； R流动阻力流动阻力v ，R应应 适中适中 进气平均马赫数M综合了进气门大小、形状、升程规律以及活塞速度等因素，并且其大小与发动机的转速成正比。研究发现，(1)增大进气门直径.采用两进、两排的气门结构后，进气采用两进、两排的气门结构后，进气门面积之和可以达到气缸面积的门面积之和可以达到气缸面积的30%，几乎比几乎比2气门提高气门提高30%50%。双顶置凸轮轴；双顶置凸轮轴；DOHC， Double Overhead

8、 Camshaft)4气门发动气门发动机机双顶置凸轮轴四气门双顶置凸轮轴四气门R单顶置凸轮轴四气门结构单顶置凸轮轴四气门结构Camshaft 图图4 46 6是一个是一个2L2L排量的排量的4 4气气门发动机与同门发动机与同排量排量2 2气门发气门发动机的性能比动机的性能比较，显然，采较，显然，采用顶置凸轮轴用顶置凸轮轴4 4气门技术气门技术, ,可可以便发动机的以便发动机的功率提高约功率提高约15%30%15%30%，转，转矩增大约矩增大约5%10%5%10%。经济。经济性能也得到改性能也得到改善。善。两进、两排的两进、两排的4 4气门结构在气缸盖缸中间气门结构在气缸盖缸中间部位往往难以布置

9、即便是最小尺寸的火部位往往难以布置即便是最小尺寸的火花塞，花塞，3 3气门结构气门结构，这样既能发挥多气门的优越，这样既能发挥多气门的优越性，结构又相对简单。性，结构又相对简单。5 5气门气门(三个进气门，两个排气门)五气门布置五气门布置R单顶置凸轮轴三气门单顶置凸轮轴三气门2 2 进气管：进气管： 表面光洁度和流通面积表面光洁度和流通面积 转弯和节流阻力转弯和节流阻力 截面形状：管壁面积截面形状：管壁面积沉积沉积蒸发蒸发混合混合气分配不均匀气分配不均匀 截面形状截面形状 圆形圆形 矩形矩形 D D形形 流动阻力流动阻力 小小 大大 中中 底部蒸发底部蒸发 小小 中中 大大 3 3 进气道进气

10、道 ： 转弯半径转弯半径R ，表面光洁度，表面光洁度 ， v 4 4 空气滤清器空气滤清器 通道面积通道面积 ，除尘效果，除尘效果 ，阻力阻力 ， v 5 5 化油器化油器 喉口截面积喉口截面积 ，流动阻力流动阻力 ， v ，但，但雾化效果雾化效果 二 合理选择配气定时 1 1 进气迟闭角进气迟闭角转速转速n n一定时，总有一个进气迟闭角使得充一定时，总有一个进气迟闭角使得充气效率为最大气效率为最大 ； n n ，最佳，最佳进气迟闭角进气迟闭角 。2 2 气门叠开角气门叠开角 ，进气终了温度，进气终了温度 ， v v 增压发动机气门叠开角应大一些增压发动机气门叠开角应大一些 。三 减小对新鲜空

11、气的热传导对于对于来说，由于需要进气加热来说，由于需要进气加热来保证部分液态燃料在进气管中的蒸发。所以来保证部分液态燃料在进气管中的蒸发。所以进气管与排气管布置在同一侧。进气管与排气管布置在同一侧。对于对于，均采用，均采用进、排气管两侧布置的方案，以提高充量系数。进、排气管两侧布置的方案，以提高充量系数。对于对于，有时也采用进气冷却技术，有时也采用进气冷却技术，以降低进气温度。以降低进气温度。则将进气中冷技术作为进一步提高则将进气中冷技术作为进一步提高增压压力、降低热负荷的重要途径之一增压压力、降低热负荷的重要途径之一。四 减小排气阻力降低排气系统阻力，有利于提高充量系降低排气系统阻力，有利于

12、提高充量系数，而且可以减少泵气损失，提高指示数，而且可以减少泵气损失，提高指示效率。效率。排气系统的设计目标排气系统的设计目标是：是：。排气流通截面最小处是排气门座处，此排气流通截面最小处是排气门座处，此处的流速最高、压降最大，故在设计时处的流速最高、压降最大，故在设计时应保证气门及其座面的良好结构应保证气门及其座面的良好结构。与进气管一样，排气管也存在与进气管一样，排气管也存在在在排气管排气管中往往还有消声器和排气后处中往往还有消声器和排气后处理器（催化转化器），设计时应该保证理器（催化转化器），设计时应该保证足够的消声与降污效果的前提下，尽可足够的消声与降污效果的前提下，尽可能降低流动阻力

13、。能降低流动阻力。2-5 进气管内的动态效应 一 现象 气体在进排气管中有压力波动现象，有效组织、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，可以提高充气效率利用压力波动，可以提高充气效率。 二 波的动态机理 闭口端：反射同型波闭口端：反射同型波进入：压缩波进入：压缩波反射：压缩波反射：压缩波 同型波同型波开口端：反射异型波开口端：反射异型波进入：压缩波进入：压缩波反射：膨胀波反射：膨胀波 异型波异型波 三 进气动态效应 惯性效应惯性效应波动效应波动效应 1 1 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 2 2 波动效应波动效应波的动态机理:闭口端：反射同型波

14、闭口端：反射同型波进入：压缩波进入：压缩波反射：压缩波反射：压缩波 同型波同型波开口端：反射异型波开口端：反射异型波进入：压缩波进入：压缩波反射：膨胀波反射：膨胀波 异型波异型波2 2 波动效应波动效应 本次循环波动本次循环波动: :进气门开进气门开进气门闭进气门闭 上一循环波动：进气门闭上一循环波动：进气门闭下一循环进下一循环进气门开气门开 压缩波压缩波 膨胀波膨胀波 膨胀波膨胀波 压缩波（进气门开）压缩波（进气门开） 压力波固有频率压力波固有频率：发动机吸气频率发动机吸气频率：当当q= 时，进气门开，则时，进气门开，则pa v faL14fnn2602120qffanL1230112212

15、312,四 结论1 1 本循环波动，振幅大，衰减小；本循环波动，振幅大，衰减小； 上一循环波动，振幅小，衰减大。上一循环波动，振幅小，衰减大。2 2 高速发动机，进气管短；低速发动机，进气管高速发动机，进气管短；低速发动机，进气管 长。长。3 3 进气管直径进气管直径流动阻力流动阻力压力波强度压力波强度 ； 进气管直径进气管直径压力波振幅压力波振幅压力波强度压力波强度 。4 4 多缸机上，进气管应分支，且等长。多缸机上，进气管应分支，且等长。5 5 避免急转弯，则压力波振幅不会衰减太大。避免急转弯，则压力波振幅不会衰减太大。6 6 排气管需要膨胀波，则排气管需要膨胀波，则p pr r扫气作用扫气作用 v v 。 进气动态效应的应用惯性效应：惯性效应： 转速升高，气流惯性增大，转速升高，气流惯性增大，进气迟闭角应增大。增大。 -可变气门正时技术（可变气门正时技术（VVT-i,VTEC)VVT-i,VTEC)波动效应：波动效应： 转速升高，转速升高，发动机吸气频率增大发动机吸气频率增大，应缩短进气，应缩短进气管。管。 -可变进气管长度技术可变进气管长度技术 习题1 1什么是充气效率？怎样确定一台发动机的充气效率？