机械工程内燃机精品课件04课件(第四章)

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第四章

内燃机的换气过程是内燃机排出本循环的已燃气体和为下一循环吸入新鲜充量的进排气过程。内燃机的换气过程:二冲程汽油机2

第四章

内燃机的换气过程减少进排气流动阻力损失；提高充量系数的措施及方法；为燃烧提供一个合适的缸内气体流场．换气过程对内燃机的性能有重大影响，进行的好，可以提高动力性和经济性。研究目的：3

第四章

内燃机的换气过程

§4-1四冲程内燃机的换气过程

分为三个阶段：排气阶段、气门叠开、进气阶段4

§4-1四冲程内燃机的换气过程配气相位5

§4-1四冲程内燃机的换气过程6

一、排气过程：排气门开启到完全关闭的全过程

排气过程分类： ａ、按燃气对活塞做功的性质分：１）自由排气２）强制排气 ｂ、按排气流动的性质分：１）超临界排气２）亚临界排气§4-1四冲程内燃机的换气过程7

１、排气提前角：内燃机的排气门在膨胀行程到达下止点前的某一曲轴转角位置提前开启的角度。(从排气门开启到下止点曲轴转过的角度称作排气提前角)

§4-1四冲程内燃机的换气过程

排气门提前开启的原因：

a.利用此时气缸内的高压在极短的时间内排除大量的废气。

b.气门开启流通截面积是逐渐增大的，开启的速度有限，不能瞬间达到最大。为了减小活塞回程时有效功的消耗。

3=30-80°CA8

２、排气迟闭角：排气门在上止点后关闭的角度。(从上止点到排气门关闭曲轴转过的角度称作排气迟闭角)§4-1四冲程内燃机的换气过程排气迟闭的原因：

一方面可以避免因排气流动截面积过早减小而造成的排气阻力的增加，使活塞强制排气所消耗的推出功与缸内的残余废气量增加；

另一方面还可以利用排气管内气体流动的惯性在迟闭角内继续从气缸内排出一部分废气，以减少缸内的残余废气量。排气门迟闭角为4=

10～70°CA。9

二、进气过程：进气门开启到完全关闭的全过程．

§4-1四冲程内燃机的换气过程

1.进气提前：为了使得在进气过程开始时，流通截面增大，以减少进气过程的阻力，增加进入气缸的新鲜充量，减少进气功的消耗。进气门一般也在上止点前提前开启，称为进气提前。进气提前角1=10～40°CA。10

2.进气迟闭：可以避免因进气流动截面积过早减小而造成的进气阻力的增加，使活塞强制进气所消耗的功增加；同时，也为了利用在吸气过程中形成的进气管内气流的流动惯性，实现气缸的过量充气，进气门需要迟闭。迟闭角2=20-60°CA

§4-1四冲程内燃机的换气过程11

三、气门叠开和燃烧室扫气过程在上止点附近进、排气门同时开启，这一现象称为气门叠开，相应的角度是气门叠开角，它是排气迟闭角与进气提前角之和1+4

。

§4-1四冲程内燃机的换气过程特点：

1.进气管、气缸、排气管三者相通，有利于扫气，增加充量。

2.新鲜冲量的冷却有利于降低缸内温度。12

气门叠开角的确定：

1.点燃式内燃机：靠节气门来调节功率，进气管内压力总是小于大气压，叠开角过大时高温废气有可能倒流进入进气管，引起进气管回火，故这种发动机采用气门叠开角比较小的。

§4-1四冲程内燃机的换气过程

3.增压柴油机：p进>p０，新鲜充量进气管通过燃烧室后流入排气管中，以达到扫除残余气体的目的，还有助于降低受热零件表面的温度。可采用较大的叠开角，一般为80～140°CA。

2.自然吸气柴油机：p进≈p０允许采用较大的气门叠开角，增强扫气效果，提高充量质量，提高性能。气门叠开角20～50°CA。13

§4-２四冲程内燃机的换气损失换气损失：定义为理论循环换气功与实际循环换气功之差。包括:排气门早开所造成的膨胀功损失（W）、活塞强制排气的推出功损失（X）、缸内负压造成的吸气功损失（Y）三部分。14

§4-２四冲程内燃机的换气损失15

§4-２四冲程内燃机的换气损失

一、排气损失

膨胀损失：从排气门提前开启到下止点这一时期，由于提前排气造成了缸内压力下降，使膨胀功减少。推出损失：活塞由下止点向上止点的强制排气行程所消耗的功。

排气损失：膨胀损失与推出损失之和。16

§4-2四冲程内燃机的换气损失

发动机转速一定时，排气提前角较小时，膨胀损失功W小，但活塞排气推出功X将会增加，反之亦然！所以存在最佳排气提前角使排气损失最小！发动机排气提前角一定时，随发动机转速的提高，排气时间变短，膨胀损失功W减少，排气推出功X变大，总的排气损失呈增加的趋势！所以转速提高排气提前角应增大，或采用双气门排气。17

§4-2四冲程内燃机的换气损失

二、进气损失：与理论循环相比，内燃机在进气过程中所造成的功的减少。

平均进气损失明显小于排气损失，但进气损失除了影响发动机的有用功，更重要的是影响发动机的充量系数，对发动机的性能有显著的影响。所以，应采取措施（如加大进气门流通面积、正确设计进气管路径、适当降低活塞速度），减少进气损失，提高发动机充量系数，改善发动机的性能。18

§4-2四冲程内燃机的换气损失

三、泵气功与泵气损失泵气损失：是指缸内气体对活塞在强制排气行程和吸气行程所做的功，面积Ｘ十Ｙ所表示的功损失。泵气功:自然吸气发动机Wp=(Ｘ十Ｙ)Lp

Lp—比例系数增压发动机Wp=[(pb-pT)Vs-(Ｘ十Ｙ)]Lp

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一、四冲程内燃机的充量系数§4-3提高内燃机充量系数的措施充量系数：定义每循环实际进入气缸的新鲜充量m1与以进气管内状态充满气缸的工作容积的理论充量msh之比。当发动机的结构等参数确定后，发动机的理论进气量msh是一定量，提高充量系数的措施主要应使上式中的的积最大和最小。所以可通过以下措施来提高发动机的充量系数。20

§4-3提高内燃机冲量系数的措施

二、提高冲量系数的技术措施：（一）降低进气系统流动阻力(主要影响因素)：

进气系统的流动阻力分为两类：沿程阻力—管道摩擦阻力。

局部阻力—由流通截面大小、形状以及流动方向变化，在局部产生涡流损失所引起的，这是流动阻力产生的主要部分。

主要发生在空气滤清器、流道转弯、进气门座圈等处。

降低进气系统的流动阻力措施：（1）增大进气门流通面积—增大进气门直径；增加气门数目．（2）合理设计进气道及气门的结构（3）减少空气滤清器的阻力

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§4-3提高内燃机冲量系数的措施22

§4-3提高内燃机冲量系数的措施采用4气门或5气门进排气方案的优点：a.增加了进排气的流动面积，减少了流动阻力损失。b.对于汽油机，此时可将火花塞布置在中央，缩短火焰传播距离，提高发动机的抗爆性，从而可提高发动机的压缩比，提高燃油经济性；对于柴油机来说，可以将直喷式喷油器布置在中央，有利于混合气的形成及空气的利用。因此现代小型高速发动机越来越多地才采用多气门方案。右边下图2L排量的4气门发动机与同排量2气门发动机性能比较：功率提高了15~30%，转矩提高了5%~10%，经济性也有改善。23

§4-3提高内燃机冲量系数的措施

（二）采用可变配气系统技术

配气相位和发动机转速对充量系数有较大的影响。可变配气系统按照驱动方式可分为：机械式和电子控制无凸轮机构两类。后一类可完全满足可变要求，但目前还处于研究阶段，如GM和FEV公司推出的无凸轮电磁气门驱动机构以及Ford公司的液压气门驱动机构。前一类已经商业化了，可分为可变凸轮机构（VCS）和可变气门正时（VVT）及其组合，统称为VariablevalveActuation。其基本可实现可变气门正时、可变气门升程和可变气门持续角等功能。24

§4-3提高内燃机冲量系数的措施

１.可变凸轮机构（VariableCamshaftSystem）

通过两套凸轮或摇臂来实现气门升程与持续角的变化，即在高速时采用高速凸轮，气门升程与持续角都较大，而在低速时切换到低速凸轮，升程与持续角均较小。

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§4-3提高内燃机冲量系数的措施

２.可变气门正时（VariableValveTiming）

进排气门通过两根凸轮轴单独驱动的，通过一套特殊的机构根据发动机的工况将进气凸轮轴转过一定的角度，从而达到改变进气相位的目的。

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§4-3提高内燃机冲量系数的措施

（三）、合理利用进气谐振

进气管长度的增加或管径的减小，可使充量系数的峰值向发动机低速一侧移动，反之则向高速移动，这一现象称为进气谐振的结果。27

§4-3提高内燃机冲量系数的措施

为了追求最佳的充量系数值，采用可变进气系统（VIS），以充分利用进气谐振作用，使发动机的高速与低速性能都达到最优。比较常见的可变进气系统是通过改变进气管长度或流通截面的方式来实现。下图是采用改变流通截面积来实现可变进气的，低速时关闭控制阀，气体从主进气道流入发动机；高速时则打开。28

§4-3提高内燃机冲量系数的措施

（四）降低排气系统的流动阻力：

降低排气系统阻力的目的：可以使气缸内的残余废气压力下降，这样不仅减小了残余废气系数，提高充量系数，而且可以减小泵气损失，提高发动机的热效率。排气系统的设计原则：是降低排气背压，减小排气噪声。对于高速多缸发动机，为避免排气压力波的相互干涉，用多枝型排气管或多排气管结构来代替单排气管，这样可以获得较好的低速转矩和充量系数。29

§4-3提高内燃机冲量系数的措施

（五）减少对进气充量的加热

为了避免或减少高温进气的加热，发动机机均采用进、排气管在气缸盖两侧布置的方案。高速内燃机采用增压及中冷技术进一步提高增压压力、降低热负荷，可提高内燃机的动力性、经济性和排放特性。在进气过程中，进入气缸的新鲜充量不可避免地被各种高温表面加热，从而导致温度升高，缸内进气密度下降，充量系数减少。应该指出，前面谈到的提高内燃机充量系数，主要是针对发动机全负荷工况而言。30

§4-４内燃机的增压

§4-４内燃机的增压

增压技术：增加进气密度，以增加进入的空气质量，得到最大的输出升功率。

一、概述

增压技术萌生于19世纪末！在20世纪初得到初步应用和发展！20世纪中叶，柴油机的涡轮增压技术开始大规模地应用，并逐渐推广到汽油机！目前绝大部分的大功率柴油机，半数以上的车用柴油机以及相当比例的高性能汽油机均采用了增压技术。增压后功率一般可提高40%-60%甚至更多，经济性也有所提高1.内燃机的增压方式按照空气被压缩方式不同，可分为机械增压、排气涡轮增压、气波增压、复合增压4种。31

§4-４内燃机的增压MechanicalsuperchargingExhaustturbochargingwithintercoolingTurbo-compoundsystem32

§4-４内燃机的增压

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§4-４内燃机的增压

废气增压34

§4-４内燃机的增压

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§4-４内燃机的增压36

§4-４内燃机的增压

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§4-４内燃机的增压

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气波增压器（Comprexsupercharging）§4-４内燃机的增压39

２.增压对内燃机动力性与经济性的影响

由升功率及燃油消耗率表达式可知，性能指标可知：

§4-４内燃机的增压

增压后，发动机的升功率有所增加，燃油消耗率有所降低，但发动机增压的目的主要不在于提高经济性，而在于提高它的动力性，并降低排放。

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3、发动机增压技术的优势与代价优点：除了提高发动机动力性和经济性外，还表现在：1)增压器的质量与尺寸相对发动机而言都很小，增压可以使发动机在总质量和体积基本不变的条件下，输出功率得到大幅度的提高，升功率、比质量功率和比体积功率都有较大增加，因而可以降低单位功率的造价，提高材料的利用率，对于大型柴油机而言，经济效益更加突出。2)与自然吸气内燃机相比，排气可以在涡轮中得到进一步膨胀，排气噪声有所降低。§4-４内燃机的增压41

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3)内燃机增压后有利于高原稀薄空气条件下恢复功率，使之达到或接近平原性能。4)柴油机增压后，缸内温度和压力水平提高，可以使滞燃期缩短，有利于降低压力升高率和燃烧噪声。5)增压柴油机一般采用较大的过量空气系数，HC、CO和碳烟排放降低。6)技术适用性广，高低速的二冲程和四冲程的各种缸径的发动机均可增压强化。§4-４内燃机的增压42

缺点取得上述优势外也需要花费一定的代价，如:1)增压后缸内工作压力和温度明显提高，机械负荷及热负荷加大，内燃机的可靠性和耐久性受到考验。2)低速时由于排气能量不足，可能会使发动机的低速转矩受到一定影响，对工程机械和车用造成不利影响。3)在涡轮增压器中，从排气能量的变化到新的进气压力的建立需要一定的时间，所以涡轮增压内燃机的加速响应性能较自然吸气机型差。4)增压发动机性能的进一步优化，受到增压器及中冷器的限制，其中增压器的问题集中在材料的机械强度、耐热性能、润滑、效率等方面，而对中冷器的要求是体积小，质量轻、效率高。§4-４内燃机的增压43

§4-４内燃机的增压

增压概念----增压压力、增压比

增压压力--压气机出口压力称为增压压力，用pb表示。它与压气机结构、尺寸、转速及效率等因素有关。

通常：

pb≤0.17MPa

低增压；

0.17MPa<pb≤0.25MPa

中增压；

0.25MPa<pb

≤0.35MPa

高增压；

pb>0.35MPa

超高增压

增压比--压气机出口压力pb与进口压力pa之比，称为增压比，πk＝pb

/pa

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§4-４内燃机的增压

二、涡轮增压器的工作特性

分为两类：径流式涡轮增压器—高转速高响应，车用发动机采用。

轴流式涡轮增压器—大流量大功率，大型柴油机采用45

§4-４内燃机的增压

三、排气涡轮增压系统简介：分定压涡轮增压和脉冲涡轮增压两种基本系统。

定压涡轮增压：把各气缸的排气通过一个体积较大的排气管收集在一起，再引向涡轮的整个喷嘴环，由于集气箱的稳压作用，排气总管内的压力振荡较小，进入涡轮前的压力基本不变，所以被称为定压增压系统。

优点：涡轮可以全周进气，效率高，气流引起的震荡小，不会引起叶片折断，排气系统简单成本低，易于布置与维护。

缺点：脉冲能量利用率低，柴油机的低速转矩特性和加速性能较差。46

§4-４内燃机的增压

脉冲涡轮增压：将缸内的排气直接送入涡轮机中，利用排气管周期的脉动效应，提高增压压力pb的涡轮。

二者的比较：

a能量利用效果，脉冲增压好于定压增压

b对缸内的扫气作用，脉冲增压可以保证扫气压差，定压增压不能

c发动机加速响应，定压增压不如脉冲增压好

d增压效率与系统结构，η定>η脉脉动增压结构复杂尺寸较大总之：低增压采用脉冲增压较好，高增压二者各有所长，需综合考虑。47

§4-４内燃机的增压

五、汽油机的增压技术的限制：

汽油机增压主要障碍是爆燃、热负荷和增压器的特殊要求等方面爆燃增压后，必须采用降低压缩比、推迟点火时刻、采用进气中冷等技术措施，但相应会带来热效率下降、排温过高、成本增加等不利影响。汽油机的增压比一般比柴油机低得多，一般不超过2，这样，功率最高增加幅度约为40％～50％，而燃油经济性则不一定有所改善。48

§4-４内燃机的增压热负荷

由于过量空气系数小，燃烧温度高，热负荷大。特殊要求

要求增压器体积小、耐高温、转动惯量小，效率高，具有一定的调节作用49

§4-４内燃机的增压

六、机械增压

与涡轮增压相比，机械增压历史更为悠久，且发动机具有较好的低速转矩和加速响应性能，但由于高速时的增压器噪声和使用寿命问题影响了它在发动机上的实际使用。近年来，机械增压重新得到了重视与发展：

1)制造工艺水平和材料科学的进步，使现代机械增压器的体积与噪声大幅度降低，效率和使用寿命有很大的提高。2)小排量发动机采用涡轮增压难度很大，难于找到合适的涡轮增压器，而采用机械增压，则可以获得比涡轮增压有更好的动力、转矩甚至经济性能。3)对于排气管中安装有催化转化器或微粒捕集器等后处理装置的发动机，机械增压系统对排气系统不作任何改动，也更有利于有害排放物的消除。50

§4-４内燃机的增压

4-５二冲程内燃机的换气

二冲程汽油机51

§4-４内燃机的增压

4-５二冲程内燃机的换气

二冲程柴油机52

第四章

内燃机的换气过程

4-５二冲程内燃机的换气

一、二冲程内燃机的换气过程

二冲程内燃机进气、压缩、燃烧、膨胀和排气过程是用两个活塞行程来完成的，其换气过程的工作顺序是：在膨胀行程的末期，活塞下行，首先打开排气口，开始排气，而后扫气口开启，具有一定压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，进行充量更换，然后，活塞到达下止点后又上行，依次将扫气口和排气口关闭，换气过程结束。新鲜充量由扫气泵提供，扫气泵的作用是对新鲜充量进行压缩，使其压力提高后，再进入气缸。

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换气过程分为三个阶段，自由排气阶段、扫气阶段和过后排气或过后充气阶段。

1.自由排气阶段—从排气口开启直到新鲜充量进入气缸为止。

特点

：（1）下止点前60～75°（CA）开启，气缸内压力较高，约为300—600kPa，气缸内的燃气以声速流出。

（2）排气流量与排气管内的气体状态无关，只取决于缸内气体的状态和排气口流通截面的大小。

（3）缸内燃气可以流出大约

70％～80％。

§4-5二冲程内燃机的换气54

2.扫气阶段—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扫气口关闭为止。

特点：利用扫气气体强制将废气排出气缸外，还要充入新鲜充量。

3.过后排气—从扫气口关闭到排气口关闭期间。过后充气阶段—从排气口关闭到扫气口关闭期间。

特点：该阶段所持续的时间较短。由于活塞已经开始上行，缸内气体压力提高，对过后排气是有利的而不利于过后充气。要达到过后充气的目的，就必须提高扫气泵的扫气压力，相应地增加扫气泵消耗的机械