发动机原理2发动机的换气过程end

换气过程排气过程进气过程

换气过程的任务

排除废气充入尽可能多的新鲜工质研究的内容换气过程的进行情况

分析影响充气量的各种因素

提高充气量

减少换气损失方向与措施。找出第二章发动机的换气过程第一节

四行程发动机的换气过程一、换气过程四行程发动机的换气过程包括从排气门开启到进气门关闭的整个时期，约占410º~480º曲轴转角。换气过程自由排气强制排气进气气门叠开第二章发动机的换气过程1．自由排气阶段freeexhaust

排气门开启到气缸压力接近了排气管压力的这一时期，称为自由排气阶段。排气提前角：从排气门开启到活塞行至下止点所对应的曲轴转角称为，一般为30º~80º曲轴转角。第二章发动机的换气过程自由排气阶段超临界状态亚临界状态

（1）超临界状态排气门开启时，气缸内废气压力较高（约0.5Mpa），缸内压力与排气管压力之比＞1.9，排气流动处于超临界状态，可利用废气自身的压力自行排出。第二章发动机的换气过程通过排气门口废气的流速等于该状态下的音速（m/s）湍流飞机

＝340.29m/s式中K——绝热指数；

T——气体的绝对温度；

R——气体常数〔N•m/（kg·K）〕。

在超临界排气时期，废气流量与排气管内压力pr无关，只与气缸内的气体状态及气门开启截面积有关。并且因排气流速甚高，在排气过程中伴有刺耳的噪声，所以排气系统必须装有消声器。第二章发动机的换气过程

排出的废气量决定于气缸内及排气管内的压力差。压力差越大排出废气越多。当到某一时刻气缸内与排气管内压力相等，自由排气阶段结束（一般下止点后10º~30º曲轴转角）。此阶段虽然历程很短，但因排气流速甚高，排出废气量达60%以上。

（2）亚临界状态

缸内压力与排气管内压力之比下降到1.9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。

高速发动机排气提前角要大一些：在自由排气阶段中，排出废气量与转速无关。转速高时，在同样的排气时间所相当的曲轴转角增大。但不宜过大，否则会使排气损失加大。第二章发动机的换气过程2．强制排气阶段compulsiveexhaust

：活塞上行强制推出废气。缸内平均压力高于排气管平均压力：克服排气门、排气道处的阻力，一般高出10kpa左右。气体的流速越高，此压差越大，消耗的功越多。惯性排气。排气迟闭角，一般为10º~35º曲轴转角。第二章发动机的换气过程

正常进气：活塞下行残余废气膨胀，新鲜气体充入气缸。惯性进气。进气迟闭角：一般为40º～70º曲轴转角。

准备进气。进气提前角：一般为0º~30º曲轴转角第二章发动机的换气过程4.气门叠开：进、排气门同时开启

作用：由于进气管、气缸、排气管互相连通，可以利用气流的压差、惯性或进、排气管压力波的帮助，清除残余废气，增加进气量，降低高温零件的温度，但注意不应产生废气倒流现象。

叠开角：进、排气门同时开启时对应的曲轴转角，一般为20º～80º曲轴转角。在增压发动机可达80º~160º的曲轴转角。因其进气压力高。第二章发动机的换气过程

二、换气损失换气损失由排气损失和进气损失两部分组成。第二章发动机的换气过程1.排气损失排气损失是从排气门提前打开，直到进气行程开始，气缸内压力到达大气压力之前，循环功的损失。

（1）自由排气损失（图中面积W），是由于排气门提前打开而引起的膨胀功的减少。（2）强制排气损失（图中面积Y），是活塞上行强制推出废气所消耗的功。第二章发动机的换气过程

减少排气损失的主要措施是：减小排气系统阻力和排气门处的流动损失。夏利消声器

随着排气提前角增大，自由排气损失面积增加，强制排气损失面积减小，如图中b曲线，如排气提前角减少则强制排气损失面积增加，如图中c曲线。所以最有利的排气提前角应使面积（W+Y）之和最小。第二章发动机的换气过程2．进气损失

scavengeorintake

进气损失：因进气系统的阻力而引起的功的损失。排气损失与进气损失之和称换气损失，即图中面积(W+X+Y)。在实际循环示功图中把面积(x+y-d)相当的负功称为泵气损失。这部分损失放在机械损失中加以考虑。第二章发动机的换气过程第二节四行程发动机的充气效率一、充气效率充气效率是实际进入气缸的新鲜工质的质量与进气状态下充满气缸工作容积的新鲜工质的质量的比值。气缸垫功率式中m1、V1—实际进入气缸的新鲜工质的质量、体积（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。第二章发动机的换气过程

二、影响充气效率的因素（一）充气效率ηv的表达式

1）进气门关闭时缸内气体的总质量ma

假定进气门关闭时气缸容积为（Vs’+Vc），此时缸内气体压力、温度、密度为Pa、Ta、ρa，则缸内气体的总质量为2）排气门关闭时缸内残余废气的质量假定排气门关闭时缸内体积为Vr，残余废气的压力、温度、密度为Pr、Tr、ρr，则残余废气的质量为第二章发动机的换气过程3）充入气缸新鲜充量的质量为经变换推导得式中

Pa、Ta——进气状态的温度和压力；

Ts、Ps——进气终了时的气体温度和压力；

——残余废气系数，即进气过程结束时气缸内残余废气量与气缸内新鲜充量的比值；——压缩比。第二章发动机的换气过程（二）影响充气效率的因素1．进气终了时的压力PaPa对有重要影响，Pa愈高，值愈大

Pa=Ps--△Pa，△

为气体流动时，克服进气系统阻力而引起的压降(kPa)。管道阻力系数；进气状态下气体的密度；V管道内气体的流速（m/s）。可见，△pa主要取决于各段管道阻力系数和气体流速。若大、高时，△pa增加，使pa下降。①负荷不变，转速变化时

载重车②转速不变,负荷变化时

a.柴油机

b.汽油机

转速↑,则△Pa↑↑,从而Pa↓，ηv↓△Pa基本不变,从而Pa基本不变，ηv基本不变（负荷调节为“质调节”）负荷↑,则△Pa↓,从而Pa↑，ηv↑（负荷调节为“量调节”）第二章发动机的换气过程2．进气终了的温度Ta

进气终了的温度Ta高于进气状态温度。引起Ta升高的原因是:1）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。

3）在化油器式汽油机上，为了使液体燃料在进气管中蒸发，以便均匀地与空气混合而进入气缸，一般都采用废气或冷却水热量对进气管加热，故空气经过进气管时受热而温度升高。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Ta。

转速和负荷对Ta的影响

1）转速：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Ta稍有下降。

2）负荷：当转速不变而增加发动机负荷时，缸壁等零件温度升高，Ta有所上升。第二章发动机的换气过程3.残余废气系数

1）增加，降低，燃烧恶化，油耗、排放增加，

2）压缩比提高，残余废气系数减小。

3）排气压力高，废气多，充气效率降低。

4）排气系统阻力大，排气压力高，废气多。4．配气定时由的计算公式可见，由于进气门迟闭而＜1,新鲜充量的容积减小,但Pa值却可能因有气流惯性而使进气有所增加,合适的配气定时应考虑ξPa具有最大值。5．压缩比压缩比增加,压缩容积减小,残余废气量随之减小,因而有所增加。第二章发动机的换气过程第三节提高充气效率的措施进气系统：空气滤清器或加进气消声器、化油器或喷油器、节气门、进气管、进气道和进气门等组成。减少各段通道的阻力，增大其流通能力，是提高充气效率，改善发动机性能的主要途径。一、进气门

1.时面值气门开启断面与对应开启时间的乘积称为气门开启的时面值。它表示气体流过气门的通过能力。气门开启时间长，开启断面大，则气门开启时面值大，气流通过能力越强，阻力越小。增大进气门头部直径，减小气门头部锥角，增大气门升程，延长气门开启时间，均可扩大气门开启时面值。第二章发动机的换气过程2.

进气马赫数M

进气马赫数M是进气门气流平均速度Vm与该处音速C之比，即M=Vm/C。

M是决定气流流动性质的重要参数。M值反映气体流动和气门结构尺寸的关系，对充气效率有重要的影响。

根据一系列试验可知，在正常的配气定时条件下，当超过一定数值时，大约在0.5左右，充气效率急剧下降。因为：虽然平均流速未达到音速，但某些小升程段的流速已接近“壅塞”。因此在可能条件下应控制在最高转速时不超过一定数值，以达到提高充气效率的目的。进气系统设计原则：◆提高进气门流通截面积，多气门气门数↑，转矩↑，允许最高转速↑，则最大功率↑↑◆提高气门处流量系数◆也可减小冲程s第二章发动机的换气过程3.气门直径和气门数进气门直径增大，扩大气流通路截面积增加，ηv提高。双气门（一进一排）：进气门直径可达活塞直径的45%~50%，气门与活塞面积之比为0.2~0.25，进气门比排气门大15%~20%。受结构限制，进一步增大比例已很困难。第二章发动机的换气过程多气门结构：缸径大于80mm时，采用二进二排结构；缸径小于80mm时，采用三进二排结构。捷达

第二章发动机的换气过程

四气门机与二气门机相比，功率可提高70%，扭矩可提高30%，且响应性比增压机好，故是汽车发动机高功率化的有力措施。4.气门升程

气门升程增加、改进凸轮型线、减小运动件质量、增加零件刚度，在惯性力允许条件下使气门开闭尽可能快，以增大时面值，提高充气效率。最大气门升程与阀盘直径之比L/d取0.26~0.28。第二章发动机的换气过程5.减少气门处的流动损失第二章发动机的换气过程二、进气道和进气管

保证足够的流通面积，避免转弯及截面突变，改善表面的光洁程度。汽油机：燃料的雾化、蒸发、分配、压力波的利用柴油机：形成进气涡流高转速、大功率时，进气管宜短粗；中、低速，进气管宜细长。

三、空气滤清器清洗，更换第二章发动机的换气过程第四节合理选择配气定时在配气定时各参数中，进气门迟闭角的改变，对充气效率ηv影响最大。

在进气门开关，排气门开关四个配气相位角中，进气门迟闭角的改变，对充气效率影响最大。

ηv在某一转速下达到最高值，此转速下能最好地利用气流的惯性充气。

进气迟闭角增大，ηv最大值对应的转速增加。

排气提前角：保证排气损失最小前提下，尽量晚开排气门。转速增加，排气提前角增大。

气门叠开角：可以增加循环充量，提高充气效率，降低高温零件的热负荷，减少Nox。第二章发动机的换气过程§5进、排气管的动态效应什么是进、排气动态效应

实际压力是瞬变（波动）的。例如，有时去掉进气管或空滤器Pe反而下降。压力波动对进、排气过程（充量系数、排气流率以及各缸进、排气不均匀性）的影响称为动态效应。L=300[mm]L=1140[mm]闭口端：进入：压缩波反射：压缩波

—同型波；进入：膨胀波反射：膨胀波

—同型波。开口端：进入：压缩波反射：膨胀波

—异型波；进入：膨胀波反射：压缩波

—异型波。第二章发动机的换气过程利用进、排气管中存在的压力波来提高进气压力，减少残余废气，增大ηv

。进气管压力波动对ηv的影响，主要决定于下止点后到进气门关闭期间，进气管靠近气缸一端的压力变化的情况；进气管的“惯性效应”－对本循环的进气过程有直接影响。在进气门关闭前，正压力波返回进气门，可增加ηv

；惯性效应阶段：进气门开进气门闭。

膨胀波

压缩波（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

膨胀波

膨胀波

压缩波（进气门开）第二章发动机的换气过程本循环（惯性效应）设进气门开启时间为Δts，压力波传播周期为Δt=2L/a（b）Δt＞Δts时，反射波对进气无影响；（c）Δt＜Δts时，反射波在进气后期到达气门口时，ηv提高。管长L与转速n要合理匹配：

L太长，对ηv没有影响；太小，多次返回的密波和疏波相互抵消。第二章发动机的换气过程进气管的“波动效应”－对下一循环进气过程的影响进气门关闭后，进气管的气柱还在继续波动，对各气缸的进气量有影响正压力波与下一循环的进气过程重合，可增加ηv

；

惯性效应由于是在同一循环中，所以衰减小，振幅大，对ηv的影响更大，而波动效应是经过多次反射后的波，所以衰减大，振幅小，对ηv的影响相对较小，所以惯性效应是主要的。第二章发动机的换气过程影响因素：转速、管长波动次数越小，需要进气管越长；波动次数一定，管长与转速成反比；高转速需短的进气管；三．转速与管长压力波的固有频率f1为：进气频率f2为：所以，对惯性效应，对波动效应，进气持续角为θ，进气持续时间为tθ，选取L第二章发动机的换气过程q=1,2,3…正整数时，残余负波到，对ηv不利；q=1.5,2.5…，残余正波到达，对ηv有利。惯性效应＋波动效应＝增压问题：ηv随转速和进气管长变化，仅在某一狭窄区域得到改善。方案：可变进气管长度技术排气管的动态效应若在排气形成后期，特别是气门叠开期，使排气门端形成稳定负压，有利于提高ηv

；第二章发动机的换气过程多缸机的动态效应与各缸不均匀性中巴

多缸机的进、排气管不是独立的，而是相互连通的，因而存在“进气干涉”（“抢气”）和“排气干涉”，造成各缸不均匀。解决办法：气缸分组第二章发动机的换气过程第二章发动机的换气过程§6可变技术一、可变进气管高转速，大功率时，进气管短；中、低转速，大扭矩时，进气管长；第二章发动机的换气过程二、可变气门定时进气迟闭角与排气提前角应随转速的增加而增加；怠速时气门叠开角要小，且随转速的升高而加大；1、凸轮相位可变常用在双顶置凸轮轴的进气凸轮轴上；通过改变齿形皮带轮与凸轮的相对位置来实现；2、进