四冲程发动机的换气过程

§2-1四冲程发动机的换气过程

一、换气过程

(一)排气过程

如图2-1为换气过程气缸压力和排气管压力随曲轴转角的变化关系。

图2-1换气过程气缸压力和排气管压力

1.自由排气阶段

排开P»P，->P=Pr

靠缸内压力将气体挤出气缸，其中

P一缸内压力，Pr一排气管内压力。

(1)超临界状态

排开fP=1.9P/

在气阀最小截面处，气体流速等于该地声速C=J而m/s。其流量与压差（P-P,）

无关，只决定于排气阀开启面积和气体状态。

（2）亚临界排气D

PW1.9Pr->排闭。

其流量取决于压差（P-Pr）。

2.强制排气阶段

P=Pr—>P<P.

靠活塞上行将废气挤出气缸，

（二）进气过程和气门叠开角

由于节流作用，缸内产生负压；（〃0—〃）使新鲜介质进入缸内。

气阀叠开角:非增压:20。〜60。CAo

太大1引起）f废气回流进气道。

太小T扫气作用不明显。

增压：I10°~140°CAo

进气管pT,扫气明显，气阀叠开角可以增大很多。如6135

型高柴：非增压：40。,增压：124。。

扫气的作用：

1.清除废气，增加气缸内的新鲜充量。

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。

二、换气损失

理论循环换气功与实际循环换气功之差。

如图2-2：换气损失功-X+（Y+W）,其中（W+Y）

为排气损失功，X为进气损失功。

（-）排气损失功W

W是因排气门提前开启用损失的膨胀功，

称为自由排气损失。Y是活塞作用在废气上的推出功,

称为强制排气损失功。

排气提前角TfWT,o

综合效果，要求（Y+W）J,故（W+Y）有一个最四行程发动机换气损失

W-自由排气损失;y-强制排气损失

佳值（W+Y）min。对应排气提前角亦有一个最佳值，nT

X-进气损失；x+y-d-泵气损失

—>（W+Y）minTo

（二）进气损失功X

进气损失功小于排气损失功，即X<Y

（三）泵气损失功（X+Y-D）

在实际示功图中，把GY+d）归到指示功中考虑。而不泵气损失功（X+Y-d）归到机械损

失中考虑。

三、进、排气相位角及对性能影响

配气相位角：进排气门相而于上下止点早开、晚关的角度,

如图2-3所示。

在下止点前排气一排气提前侑40。〜80。；

在上止点后关闭一排气迟闭角10。〜35。；

在上止点前吸气一进气提前角0。〜40。；

在下止点后关闭一进气迟闭龟40。〜80。。

（1）排气提前角6eo使废气排出通畅。

最佳值：排气损失最小。

转速t-相同自由排气时间所对应的转角t-

eoto

（2）排气晚关角小ec惯性排气

图2-3配气相位图

最佳值：缸内压力接近排气门背压时关闭。

（l〉ecl一惯性利用不足，小ecf一废气倒流。n-*（1）ect

（3）进气提前角（bao:eaof一回火，进气不足

（4）进气晚关角小ac:最佳：缸压接近进气门背压。nt<bacto

_实际流量

=理论流量

其中：V；一实际测量[〃？/h]

3

；=V11[L]・jJ・60=0.03V/?in[m/h]

h10002h

充气效率是衡量换气过程进行得完善程度的重要指标。

柴油机0.75-0.90

汽油机0.70-0.85

二、充气效率的分析式

充入汽缸的新鲜充量=缸内气体的总质量一缸内残余废气质量

（-）进气门关闭时缸内气体的总质量

叫,=（匕.+匕）4

其中匕一余隙容积；匕一进气门关闭时缸内工作容积；

0〃一进气终了缸内气体密度。

（-）排气门关闭时缸内残余废气的质量

=匕.

Pr

其中匕.一排气门关闭时缸内容积；夕厂一排气门关闭时缸内残余废气密度。

（三）充入汽缸的新鲜充量

小VhPu=M+V/；）4-KPr

其中.（）一大气状态下气体密度。

（四）充气效率的分析式

n.△〃，（匕+匕）4—

△"%YhPo

匕+匕K

J^TPa~\pr

-/

匕夕0

其中1+,二£一压缩比；1+/=与<£一有效压缩比；Vr«VcO

一般C=（、0.8〜0.9）£。若C假-设=£,有

8

=Pa-Pr

V（2-1）夕0

带入理想气体状态方程式，得

1

n-Pr]

£一1〃0（TaT,）

其中〃0,役）一大气压力和温度；Pa心一进气终了时缸内的压力和温度；

Pr,7；一排气终了时残余废气的压力和温度。

P〃T，7。^7-T；p「J,7；Tf%T。

的分析式为定性分析77y的影响因素提供了依据。

三、影响充气效率的各种因素

（一）进气终了压力P]

1.进气阻力

Pa=P0-^Pa

fPcJt

APq对pa的影响最大。进气系统的沿程阻力和局部阻力均会使增大。

2.转速

n丁tAp/T-pal-

3.负荷

汽油机：负荷TT节气们开度T（质调节）T->pj-»77vr

柴油机：负荷Tf循环供油量T（量调节）（与A/?。无关）一

热负荷Tff7/J（不大）。

（二）进气终了温度7；

心T-»4J->77口J

i.转速

负荷一定:nT-lJ-九工

综合〃“、心的影响,nT->7九1。

2.负荷

转速一定：负荷TT热负荷TTZ7vi

柴油机：进、排气管分置。

避免排气管对进气管加热，使

汽油机：进、排气管同置。

虽然ZJf"u，但燃油受热增发快，可以改善混合气形成。

（三）排气终了压力〃/

〃,Tf残余废气量T

Pr0C排气门处的阻力oc所以

nTfPjf（影响较小）

（四）排气终了温度7；

7?->

（五）压缩比£

£，t77/

77v，公式仅为定性分析用的，是粗略的。还有许多因素未予考虑。如：压力升高比入，绝热

指数k,进气马赫数Ma,热传输和过量空气系数a等。

§2-3提高充气效率的措施

减小进气系统阻力：

沿程阻力，局部阻力（节流阻力）。

汽油机：空气滤清器->化油器T进气管一进气道一进气门。

柴油机：空气滤清器一进气管一进气道->进气门。

一、减小进气系统的阻力

（-）进气门

1.进气门直径d进

进气门流通面积

一般:=0.20~0.25

酒,塞顶面积

d进TTPJT77/（影响大）

“排TTpJT/J（影响小）

一般：d进>d排

2.四气门

流通面积40%左右。但结构复杂，造价较高。

力TTffN/T（可达30%）,geU

3.气门升程h

hT,时面值T-»77v?

4.阀顶过渡圆角R

RMt/世f

RLL-＞流动阻力T-7]vl

R应适中。

（二）进气管

1.表面光洁度和流通面积

表面光洁度T,流通面积Tf沿程阻力Jf77VT

2.转弯和节流阻力

转弯半径截面突变JT

3.截面形状

考虑汽油机的雾化，蒸发，则

管壁面积TT沉积TT蒸发Jf混合气分配不均匀

截面形状圆形矩形D形

流动阻力小大中

底部蒸发小中大

柴油机不存在底部蒸发问题，故多采用流动阻力小的圆形进气管。

（三）进气道

转为半径RT,表面光洁度T,各管口与垫片孔口对中一流动阻力Jf7/VT

设计时还要考虑组织进气涡流。

（四）空气滤清器

通道面积T,除尘效果T-流动阻力JT77VT

经常清洗，更换纸芯。

（五）化油器

喉口截面积Jf流动阻力Tfz/yL但雾化效果To

解决这对矛盾，采用双喉口。小喉口：雾化；大喉口：进气。

二、合理选择配气定时

☆配气定时的综合评定

1.良好的充气效率以保证发动机的动力性能。

2合适的充气效率以适应发动机的扭矩特性。

3.较小的换气损失以适应发动机的经济性能。

4.必要的燃烧室扫气以保证高温零件的热负荷得以适当降低，达到可靠运行。

5.合适的排气温度。

调整：1,2一进气迟闭角；3—排气提前角；4,5一气门叠开角

（一）进气迟闭角夕j

i.转速n一定时，总有一个进气迟闭角（pi使得充气效率r/v为最大。

2.nUt气流惯性JT缸内气体易倒流进气管f"yJ

nTT—-部分气体来不及进入汽缸f

3.。/一对应人,max的d

所以，高速发动机转速大，要获得好的充气效率和动力性，进气迟闭角应大

一些。

4.鹏7%,最佳个

Vp

①心fSTr7T,»=」=二其中B—后期膨胀比。

V匕P

考虑经济性，在排气损失最小的前提下，尽量减小排气提前角。

（三）气门叠开角。

%,/Tf缸内气体易倒流进气管；化,。口-pj，ZJf"J

增压发动机气门叠开角盛大一些。

§2-4进气管内的动态效应

一、现象

195柴油机：进气管长度L=300nunL=1140mm

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。

进气门开闭时：PjTfpatf7/VT

排气门开闭时：p（）JTprJ->7/VT

动态效应与进排气管的长度和直径有关。

二、波的动态机理

膨胀波一~‘V压缩波"闭口开口

闭口端：进：压缩波T反射：压缩波一同型波

进：膨胀波->反射：膨胀波一同型波

开口端：进：压缩波一反射：膨胀波一异型波

进：膨胀波一反射：压缩波一异型波

三、进气动态效应

（~）惯性效