第2章换气过程

发动机的排气过程和进气过程称为发动机的换气过程，它包括从排气门开启到进气门关闭之间的全过程，约占380º~490º曲轴转角。2.1

四行程发动机的换气过程一、自由排气阶段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，包括超临界状态和亚临界状态。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，一般为30º~80º曲轴转角。第2章换气过程

（1）超临界状态排气门开启时，气缸内废气压力较高（0.2~0.5Mpa），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。通过排气门口废气的流速等于该状态下的音速（m/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。

（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。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。高速发动机其排气提前角要大一些：在自由排气阶段中，排出的废气量与发动机转速无关。发动机转速高时，在同样的排气时间（以秒计）所相当的曲轴转角增大，因此，高速发动机排气提前角要大。但不宜过大，否则会使排气损失加大。2．强制排气阶段：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。准备进气。进气提前角：一般为0º~30º曲轴转角。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。气门叠开：进、排气门同时开启。

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。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。二、换气损失换气损失由排气损失和进气损失两部分组成。

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。

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。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。

2．进气损失进气损失：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。式中：M—实际进入气缸的新鲜工质的质量；

M0—进气状态下充满工作容积的新鲜工质的质量。对增压机，是指增压器的出口状态。

2.2四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：

（二）影响充气效率的因素1、进气终了时的压力Pa

Pa对ηv有重要影响，Pa愈高，ηv值愈大。转速和负荷对Pa的影响：

1）转速当节气门位置一定时，n增加，Pa降低。

2）负荷汽油机：当节气门关小时，节流损失增加，引起Pa下降。

且Pa随转速的增加而下降的愈快，即曲线变化愈陡。柴油机：负荷调节为“质调节”，负荷减小时Pa变化很小。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。3、残余废气系数

1）残余废气系数增加，ηv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ηv的计算公式可见，由于进气门迟闭而ηv

＜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Pa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。一、减小进气系统的阻力

1）首先是空气滤清器的阻力。

2）增大进气门直径并配置适当大小的排气门；增加进、排气门的数目；适当增加气门的升程；改善进、排气道，降低流动阻力。

3）采用进气阻力小的空气流量计。

4）采用可变进气管。

5）降低燃烧室废气的温度以及活塞顶、进排气阀、燃烧室、排气管的温度，合理布置进、排气管道。二、提高充气效率的措施进气门直径增大,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。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。

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。进气门晚关可以利用高速气流的惯性增加每循环的充气量。转速高的发动机，进气延迟角愈大，在保证排气热能损失最小的前提下，排气提前角也应尽量增大，使废气充分排除，新鲜工质才能充足。适当的气门重叠角，可以增加充气