《发动机循坏》-《发动机循坏》-模块2-发动机的换气过程

模块2发动机的换气过程本章要求:1.能够分析四冲程发动机换气过程的进行情况和要求；2.能够分析影响发动机换气过程的因素及其对发动机性能的影响；3.能够说明改善发动机换气过程的目的和措施；4.能够概括总结发动机进气控制的目的和措施；5.能够概括总结发动机进气增压及其控制的目的和措施。第一节四冲程发动机的换气过程一、换气过程四冲程发动机的换气过程是指从排气门开始开启到进气门完全关闭的整个过程，如图２-１所示。１.排气过程从排气门开始开启到排气门完全关闭的这段时间，由于排气门的早开晚关，排气过程超过一个活塞行程，约占220°~290°曲轴转角。(１)自由排气阶段从排气门开始开启到汽缸内压力接近排气管内压力这段时间，由于汽缸内压力高于排气管内压力，废气靠自身的压力经排气门自行流出缸外。从排气门开始开启到活塞运行至下止点这段曲轴转角，称为排气门提前开启角，一般为30°~80°。(２)强制排气阶段活塞上行强制推出缸内废气的阶段。从活塞运行至上止点到排气门完全关闭这段曲轴转角，称为排气门迟后关闭角，一般为10°~30°。２.进气过程从进气门开始开启到进气门完全关闭的这段时间，由于进气门的早开晚关，超过一个活塞行程，约占220°~290°曲轴转角。1）进气门提前开启角10°~30°2）进气门迟后关闭角30°~80°３.扫气过程由于进气门的提前开启和排气门的迟后关闭，在排气行程上止点附近存在着进、排气门重叠开启的现象。气门叠开的角度等于进气门提前开启角与排气门迟后关闭角之和：非增压发动机为20°~60°曲轴转角；增压发动机为80°~160°曲轴转角。二、换气损失１.排气损失1）提前排气损失排气门提前开启，导致膨胀功减少而引起的损失，在图2-2中面积Ⅰ即表示提前排气损失。2）强制排气损失活塞上行强制排出废气所消耗的功，在图2-2中面积Ⅱ＋Ⅳ即表示强制排气损失。２.进气损失

进气过程中克服进气系统阻力所消耗的功，图2-2中面积Ⅲ即代表进气损失。三、换气过程的评定指标１.残余废气系数每循环进气过程结束时，汽缸内的残余废气量与实际充气量的比值(质量比或体积比)，用符号r来表示。２.充气效率充气效率是指发动机每一工作循环的实际充气量m

与理论充气量m0的比值(质量比或体积比),用符号ηｖ来表示,即第二节影响换气过程的因素一、影响充气效率的因素1.进气终了压力随进气终了压力提高，充量效率提高。进气时的压力降Δp可用下式表示:∴进气系统的阻力主要取决于1）进气系统阻力系数

2）进气流速，如图2-4.2.进气终了温度随进气终了温度的提高，充气效率下降。3.排气终了压力和温度随排气终了压力提高ꎬ充气效率下降。4.大气压力和温度从充气效率公式可以得出，随大气压力降低、温度升高，充气效率提高。5.压缩比压缩比增加，燃烧室容积相对减小，使残余废气量相对下降，所以充气效率提高。6.配气相位最佳的进、排气门迟后关闭角应根据进、排气流惯性来确定，而气流惯性取决于发动机的转速。二、影响残余废气系数的因素1.进气终了的压力和温度随进气终了压力提高和温度降低，实际充气量增多，残余废气量相对减小，残余废气系数减小，使充气效率提高。2.排气终了的压力和温度随排气终了的压力提高和温度降低，残余废气量增多，残余废气系数增大ꎬ使充气效率下降。3.压缩比随压缩比的增大，燃烧室容积相对减小，残余废气量相对减少，使残余废气系数相对减小，充气效率提高4.配气相位合适的配气相位，有利于减少残余废气量，使残余废气系数减小，充气效率提高。第三节换气过程对发动机性能的影响一、理论空气量和过量空气系数1.理论空气量是指1kg的燃料完全燃烧时所需的最低空气量，汽油的理论空气量约为15kg，柴油的理论空气量约为14.5kg;2.燃烧1kg燃料实际供给的空气量L与理论空气量L0

的比值称为过量空气系数，用符号Φat来表示，即Φat>１的混合气称为稀混合气；Φat<１的混合气称为浓混合气；Φat＝１的混合气称为理论混合气。二、充气效率与发动机功率和转矩的关系发动机的有效转矩：式中:K2—对一定的发动机为比例常数;

ηv—充气效率;Φat

—过量空气系数；

ηi—指示热效率;

ηm—机械效率。影响发动机重要动力性指标(Pe和Me)的主要参数是:过量空气系数、充气效率、指示热效率和机械效率。第四节改善换气过程的措施一、减小进气阻力1.减小进气门处的阻力系数(１)增大气门直径可以扩大流通截面，减小其阻力系数(２)采用多气门结构是增大进气流通截面、减小进气阻力系数的有效措施。(３)适当增加进气门升程，改进配气凸轮型线，在惯性力允许的条件下，尽可能提高气门开闭速度均可提高气门处的通过能力，减小其阻力系数。(４)进气流速取决于活塞运行速度，适当减小活塞行程，可在一定转速下使活塞运行速度降低，从而可降低进气流速，减小进气阻力。2.减小空气滤清器的阻力系数在使用中，应进行空气滤清器的维护，及时更换滤芯。3.减小进气管道的阻力系数为减小进气管道的阻力系数，在保证各缸充气量分配、混合气形成及进气涡流形成等要求的前提下，应尽可能采用圆形截面，增大进气道尺寸，减少弯道和流通截面的变化。二、减小排气阻力减小排气阻力主要是在结构上采取措施，减小排气系统各段的阻力系数，包括排气门、排气管道、排气消声器等。

注意:由于进气系统阻力对发动机性能的影响比排气系统阻力大，所以当减小进气阻力与减小排气阻力的要求发生矛盾时，应适当照顾减小进气阻力的要求，如进、排气门直径和数量的选择。三、降低进气温度降低进气温度，可提高充气效率，降低进气温度的主要措施之一就是在结构布置上，减少进气管受热。四、合理选择配气相位在配气相位角度中，对换气过程影响最大的是进气门的迟后关闭角，其次是排气门的提前开启角和气门叠开角。1.转速一定时，进气门迟后

关闭角对充气效率的影响

如图2-5所示。2.发动机的转速不同，气流惯性也不同，最佳的进气门迟后关闭角应随转速变化，如图2-6所示为发动机转速变化时，进气门迟后关闭角对充气效率ηｖ和有效功率Ｐｅ的影响，分析图中曲线可得如下重要结论:(１)进气门迟后关闭角一定时，仅在某一转速下充气效率和有效功率最高；(２)发动机转速变化时，在较低的转速范围内，采用较小的进气门迟后关闭角，可获得较高的充气效率和有效功率。(３)改变进气门迟后关闭角度，可改变ηｖ和Ｐｅ随转速的变化关系，从而改变发动机的速度特性。第五节发动机的进气控制与增压一、发动机的进气控制１.汽油机的进气控制通常采用动力阀式，动力阀式进气控制系统通过控制发动机进气道的空气流通截面大小，来适应发动机不同转速和负荷时的进气量需求，从而改善发动机的动力性。２.柴油机的进气控制(１)进气节流控制(２)进气涡流控制二、发动机的进气增压1.增压的目的(１)降低发动机的重量、体积和制造成本；(２)提高发动机的热效率，降低燃油消耗率；(３)降低排放污染和噪声；(４)补偿高原功率损失；(５)提高整机使用经济性；(６)改善发动机的特性；2.进气增压的评定指标(１)增压度评定进气增压的效果，说明增压后发动机功率增加的程度，它是指增压后发动机功率的提高量与增压前的功率之比，用符号

ϕ来表示，即(２)增压比说明增压强度的大小，它是指增压后的气体压力与增压前的气体压力之比，用符号πｂ来表示，即3.进气增压系统的类型1）按增压比不同吗，发动机进气增压可分为低增压、中增压和高增压。低增压：πｂ

<1.6,平均有效压力ｐｅ

=700~1000kPa;中增压：1.6≤πｂ

≤2.5,

平均有效压力ｐｅ

=1000~1500kPa高增压：πｂ

>2.5,平均有效压力ｐｅ

=1500kPa2）按增压装置结构原理不同，发动机进气增压可分为机械增压、废气涡轮增压、气波增压、谐波进气增压和组合式涡轮增压。

目前，车用柴油机应用较多的是废气涡轮增压，汽油机应用较多的是谐波进气增压。4.进气增压对发动机的影响为适应增压后功率增长的要求ꎬ并尽量降低增压带来的不利影响ꎬ增压后的柴油发动机必须采取以下措施:(１)适当调整和改进燃料供给系统；(２)适当调整配气相位；(３)适当减小压缩比；(４)对增压空气进行冷却；(５)强化冷却系统。5.进气增压控制在采用废气涡轮增压的发动机上，为进一步优化发动机的性能，根据发动机转速和负荷的变化，对增压压力或增压空气