发动机原理与汽车理论课件：发动机的换气过程

发动机原理与汽车理论

发动机的换气过程

一二三四五四行程发动机的换气过程发动机的充量与充量系数影响充量系数的因素提高冲量系数的措施发动机的进气控制与增压

发动机的排气过程和进气过程的总和，统称为换气过程。换气过程的任务是将缸内的废气排净，吸入尽可能多的新鲜工质。项目要求１.能准确叙述四行程发动机的换气过程的特点；２.能准确叙述发动机的充量与充量系数的定义；３.熟知充量系数的影响因素及提高冲量系数的措施；４.熟知发动机的进气控制与增压的目的与措施。

发动机运行时转速高，进气充足是比较困难的。利用气流的流动惯性以及减少换气损失，进、排气门一般都提前开启，迟后关闭。整个换气过程占曲轴转角410°～490°。

根据气体流动特点和进排气门运动规律，换气过程分为自由排气、强制排气和进气过程三个主要阶段。图3-1换气过程中气缸压力、排气管压力、进排气门开启断面图

a)气缸压力、排气管压力随曲轴转角变化曲线b)进气门相对流通截面积随曲轴转角变化曲线c）四冲程发动机配气正时图一、四行程发动机的换气过程(一)换气过程

1．自由排气阶段

从排气门在下止点前开始开启，到气缸内压力接近于排气管压力这个时期，称为自由排气阶段。

气门开启时，气缸内压力较高(大于排气管压力2倍以上)，可利用废气自身的压力自行排出。此时,排气流处于超临界状态，流过排气门处的气体流速，等于在该处气体状态下的音速。其流量只决定于气气门开启面积，并和气体状态有关，与排气门前后的压差无关。

随着活塞的下移，缸内容积增大故压力不断下降，当到某—时刻，气缸内压力与排气管内压力相等时，自由排气阶段结束，一般在下止点后10°～30°曲轴转角。此阶段虽然历程较短，废气流速很高，排出的废气量可达60％以上。2．强制排气阶段这个阶段是由上行的活塞强制将废气推出。此时流速取决于气缸内外的压力差。压差越大，气流速度越大，但耗功也越多。3．进气过程

进气门一般在上止点前10°～30°曲轴转角打开。通常在下止点后40°～80°曲轴转角时才关闭，以增加进气量。4．气门叠开

排气门的迟后关闭和进气门的提前开启，使得在上止点附近一定的曲轴转角范围内，存在着进、排气门同时开启的现象，称为气门叠开。

适当的气门叠开角，不但可以增加新鲜空气充量，而且可以利用新气帮助清除废气，减少气缸中废气量。

叠开角过大可能发生废气倒流入进气管中。换气过程的损失包括排气损失和进气损失，如图3-2所示。(二)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。它可分为：1)自由排气损失(图3-2中面积Ⅰ)。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Ⅱ)。是活塞上行强制推出废气所消耗的功。

减少排气损失的主要措施：减小排气系统阻力和排气门处的流动损失。

2．进气损失

进气损失主要是指进气过程中，因进气系统的阻力而引起的功的损失。如图中面积Ⅲ所示。

充量和充量系数是发动机换气过程的主要评定指标。充量即充气量，是指在进气过程中，充入气缸的新鲜空气或可燃混合气，常用每循环充量和单位时间充量来表示。二、发动机的充量与充量系数(一)充量1．每循环充量每循环充量是指发动机在每一个循环的进气过程中，实际进入气缸的新鲜气体(空气或可燃混合气)的质量，即循环实际充量，用表示。当排气门关闭时，气缸内尚有一部分残余废气存在，所占气缸为，压力为，温度为丁，残余废气密度则残余废气质量为进气终了时，气缸内既有新鲜无量，又有残余废气，所占比体积为，压力为温度为，则气缸内气体的总质量为

气缸内新鲜充量可表示为

2．单位时间充量单位时间充量是指每小时进入气缸的新鲜气体的质量，用表示，单位为kg/h，即

(二)充量系数

发动机每一工作循环进入气缸的实际充量，与进气状态下能充满气缸工作容积的理论充量的比值，称为充量系数，用表示，即

式中——进气状态充满气缸工作容积的理论充量。所谓进气状态，是指空气滤清器后进气管内的气体状态。为测量方便，在非增压发动机上，一般都采用当时的大气状态；在增压发动机上，采用增压器出口的状态。一般发动机值：汽油机为0.7～0.85；柴油机为0.75～0.9。采用可变配气相位和可变进气系统的发动机，可使＞l。三、影响充量系数的因素

影响的因素有进气终了压力及温度、大气的压力及温度、残余废气及压缩比等。影响最大的是进气终了压力。

进气终了压力提高，充量系数增大。而进气终了压力又受进气系统阻力的影响。进气系统的阻力是各段通道所产生的流动阻力的总和。包括空气滤清器、节气门、进气管、进气道及进气门等部分产生的阻力。（一）进气终了压力

1．空气滤清器的阻力

空气滤清器会使其阻力增大，造成发动机充气性能大大下降，因此要求空气滤清器的滤清效果要好，而又不增加进气阻力，使用中应经常保养、清除油污、更换滤芯，以达到减少阻力和进气通畅。

2．节气门的阻力节气门的阻力是进气阻力较大的地方。其阻力的大小随节气门开度的减小而增大。发动机大部分时间都是中等负荷以及少许的小负荷，所以空气流通阻力比较大。3．进气管道的阻力进气管道包括进气歧管和通向缸体和缸盖上的气体通道。其阻力的大小主要取决于进气管道的结构和尺寸。4．进气门处的阻力

气流通过断面最小，截面变化更大，进气阻力最大的地方，影响也最大。

新鲜气体进入气缸后，同高温机件接触，与残余废气混合，进气终了温度升高，气体密度减小，充量系数降低。

气体流动引起的阻力与流速的平方成正比，而气体流速又与发动机转速有关，发动机转速提高，气体流速也成正比例地提高，所以气体流动阻力也与发动机转速的平方成正比。随着转速的升高，气体阻力增大，使进气终了压力下降。

配气相位包括进、排气门早开、迟闭。在进、排气门早开、迟闭中，进气迟闭角对进气终了压力影响最大。（二）进气终了温度（三）转速与配气相位的影响

汽油机与柴油机负荷调节方法不同。柴油机负荷变化时，流动阻力基本不变，进气终了压力也基本不变。在油机节气门开度减小时，负荷减小，由于节流损失增加，引起进气终了压力下降，负荷愈小，随转速增加下降得愈快。压缩比增加，余隙容积相对减小，使残余废气量相对下降，所以充量系数提高。高残余废气密度大，残余废气量多，新气充量相对减小，充量系数下降。（四）负荷的影响（五）压缩比的影响（六）排门终了压力四、提高冲量系数的措施

影响进气压力的主要因素是进气系统的阻力。进气系统阻力的大小为各段通道阻力的总和。通过减小各段阻力，可达到减少进气系统阻力的目的。1．减小进气门处的阻力在整个进气系统中，进气门处的通过断面最小，而且变化大，气体流动阻力最大，是产生进气阻力的重要部位。可通过下列措施减小进气门处的阻力。1)增大进气门开启的时面值（一）减少进气系统的阻力

1)增大进气门开启的时面值2)合理控制进气门处气流的平均速度。3)增加进气门的数目一般采用双进气门和双排气门或三个进气门、二个排气门的结构，提高充量系数。

2．减小进气管道阻力进气管道结构、尺寸及表面质量对充量系数有较大影响。进气管道应保证足够的气体流通面积和结构上的要求。进气管截面形物通常有三种：圆形、矩形和D形。在相同截面情况下，圆形断面流动阻力最小，矩形最大，D形居中。现代发动机还采用可变长度的进气管。由进气岐管转换电磁阀控制转换辊，在发动机高转速范围，电磁阀工作，使进气通道变短。3．现代汽车采用电控燃油喷射系统，既减小了进气阻力，同时又满足了混合气浓度、雾化和分配均匀等要求，得到广泛应用。利用气流惯性，增加循环充量，提高充量系数。

1．配气定时的选择在配气定时各参数中，影响进气最大的是进气门迟后角。如图3-7所示。（二）合理选择配气定时

发动机的转速不同，气流的惯性不同，最佳的进气门迟闭角也不同。转速提高，进气迟闭角应加大。适当的气门重叠角，可以增加循环充量，提高充量系数，并可降低高温零件的热负荷。配气定时的选择，一般根据经验计算得出后，还要在实际发动机上经反复试验比较，最后才能确定。2．可变配气定时气门重叠角小,怠速稳定性好。在其他工况，为使提高，气门重叠角要大。低速时进排气门在接近上止点附近打开和关闭，高速时则进排气门重叠角变大。排气系统包括排气门、排气管道和消声器等。排气系统阻力降低，排气终了压力下降，残余废气系数减小，充量系数提高，而且还能够减少排气损失。排气管道也应与进气管道同样注意其结构要求，使用中应注意消除残留积炭等。进气管道、气门、气缸壁、活塞等受热零件造成进气温度升高，气体密度下降，使循环充量减少。汽油机预热要适当。有些发动机采用调节预热装置，根据季节温度不同可调节预热程度。（三）减少排气系统阻力（四）减少对进气的加热

汽油机装用的进气控制系统通常以提高充气效率为目的柴油机装用的进气控制系统一般以控制进气量或进气涡流为目的。1．汽油机的进气控制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。五、发动机的进气控制与增压（一）发动机的进气控制2．柴油机的进气控制柴油机上的进气控制主要有进气节流控制和进气涡流控制。1)进气节流控制柴油机实现进气节流控制的方法就是在进气道中安装一个节气门，并由电控执行元件根据ECU的指令控制节气门的开度，以控制进气量和进气管压力。进气节流控制系统一般只在低速小负荷工况时才工作，其类型有直流电动机型和电控气动型两种。2)进气涡流控制

利用电控装置来改变进气道结构或干扰进气道中的气流运动，从而实现进气涡流控制的。

进气涡流的控制方法有多种，都证在不降低进气流量的前提下，能在较大范围内调节进气涡流强度，并尽量减少对进气系统结构的改变1．增压的目的以提高充气密度、增加进气量的一项措施，其目的是提高发动机的动力性。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。（二）发动机的进气增压

2．进气增压的评定指标评定进气增压的指标主要有两个:增压度和增压比。1)增压度。增压度用以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，用符号来表示，即

式中：――增压前发动机的有效功率，kW;――增压后发动机的有效功率，kW。现代四冲程柴油机的增压度可高达3.0以上，但车用柴油机的增压度并不高，一般仅为0.3左右。因为车用柴油机采用增压措施不单纯是为提高功率，还需兼顾在宽广的转速和负荷范围内获得良好动力性、经济性、排放性等多方面的要求。2)增压比。增压比可用来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，用符号来表示，即

式中:――增压前的气体压力，一般取大气压力，kPa;――增压后的气体压力，即增压器出口压力，kPa。3.进气增压系统的类型