汽车发动机原理课件：减少进气系统的阻力

一、减小进气门处的流动损失气门口是进气流道中截面最小，流速最高之处，而且截面随气门升程急剧变化，所以流动损失严重，对ϕc的影响也最大。降低气门口流速，可以使流动阻力以平方关系下降，而且气门口流速的下降，还可以避免高速气流壅塞的不利影响，有利于提高发动机标定工况的转速。１.时面值与角面值为保证发动机汽缸排气彻底，进气充分，要求气门具有尽可能大的气体通过能力，在一定的时间里，气门的开启面积越大，一般其通过能力就越大，因此长期以来一直用一些与气门通过断面等几何因素有关的参数来评价比较气门的通过能力，其中，气门开启的时面值与角面值就是其中的两个基本参数。在时间微元dt内通过气门的气体流量为:dm=ρvmf

(t)dt式中:ρ———流经气门的气体密度。vm———进气门处气体的平均流速。ｆ———dt时间内气门的开启截面积。整个开启时间的气体流量为:m=ρvm∫f(t)dt式中的∫f(t)dt称为气门的时面值，它表示了气门的通过能力，必须给予保证，若将时间按φ=6nt换算成曲轴转角，则:式中的f(φ)dφ

称为气门的角面值，如图2-12c)中曲线所包围的面积。任一曲轴转角气门开启时的截面积f(φ)可认为就是气门处气体通道的最小截面积，其最小截面积f(φ)实际等于气门锥面和气门座之间的截锥圆环侧表面积，即:f(φ)=π[ds+Lv(φ)sinθcosθ]Lv(φ)cosθ

(2-6)式中，ds、Lv、φ、θ见图2-12上的标注。当气门升程Lv较大时，式(2-6)计算结果已大于进气道截面π/4(d2s-d2o)时，则取:f(φ)=π/4(d2s-d2o)(2-7)式中，do为气门阀杆直径，图2-12c)中，f(φ)曲线中段为常数，即为此理。２.进气马赫数Ｍa进气马赫数Ｍa是进气门处气体的平均速度vm与该处声速ｃ的比值(Ｍa=vm

/c)，它能反映流动对充量系数的影响，成为分析充量系数的一个特征数。平均流速vm定义为:实际进入汽缸的新鲜充量与进气门有效时面值F(t)之比，即:式中:μm———进气门开启期间的平均流量系数。Fm———进气门平均开启面积。to、tc———进气门开、关时间。φo、φc———进气门开、关角度。式中:Ｆ———活塞面积。Cm———活塞平均速度。Ｄ、ds———活塞与进气阀盘的直径。根据一系列试验可知，在正常的配气条件下，当Ｍa超过一定数值(0.5左右)时，ϕc

便急剧下降，如图2-13所示。这是因为，按气体动力学孔口流动规律，当孔口上游滞止压力不变时，在孔口流速到达声速后，无论孔口下游的压力(对进气门口而言则为缸内压力)降到何等程度，孔口的流量都保持常数不变，此即气流的“壅塞”现象。平均马赫数Ｍa是不同气门升程(气门口通路截面)条件下马赫数的平均值，当Ｍa达到0.5左右时，虽然总体上未达声速，但某些小升程段的气流已接近“壅塞”，充量系数将转而加速下降，所以，Ｍa的进一步加大，成了发动机提高转速，强化动力性能的障碍。由式(2-9)知，增大气门的相对通过面积，改善气门处的气体流动，提高平均流量系数，合理的配气相位，是限制Ｍa值、提高ϕc的有效方法，这对于高速发动机尤为重要。３.气门直径和气门数增大进气门直径可以扩大气流通路截面积,提高ϕc，在双气门(一进一排)结构中，进气阀盘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，进气门比排气门一般大15％~20％，但由于受到结构限制，进一步增大比例已很困难。为了进一步增大进气门流通截面，采用了多气门结构,根据优化气门数和进气门开启面积的关系可知,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(图2-14),可获得最大开启面积,进气体积流量可大幅度增加,图2-15给出发动机实例,由此可知,多气门机与二气门机相比,不仅使ϕc上升,充量加大,发动机最大转矩提高,而且因Ｍa数远离0.5的限值,标定转速允许进一步提高,结果,功率加大的百分比远超过转矩的增加值(表2-3)。４.气门升程适当增加气门升程,改进凸轮型线,减小运动件质量,增加零件刚度,在惯性力允许条件下使气门开闭得尽可能快,从而增大时面值,提高通过能力,最大气门升程与阀盘直径之比Lvmax/ds取0.26~0.28,可获得良好的充气质量(图2-16)。５.减少气门处的流动损失气流通过进气门时有图2-17所示的三种基本形式,形成这三种流型是由于气流的惯性与气体的黏性所致,由于气流的惯性作用,使得气体不可能沿着气门、气门座的锐边形状转弯,而是形成自由射流。在气门升程较大时(图2-17ａ)，在气门和气门座的上边缘(1、3处)产生气流脱离，形成锥形射流，其次，由于气体的黏性，在气门升程较小时(图2-17ｃ)射流夹着周围的气体一起运动，引起局部压力下降，使射流移向壁面，从而充满整个气门隙，在气门升程处在中间值时(图2-17ｂ)则上部脱离后又接触，下部形成射流。试验证明，减小气门座密封锥面的宽度可减小进气的流动阻力，增大流量系数，同样，在一定升程范围内，对转角处进行修圆，如修圆气门座密封面上的棱角1和气门密封锥面上端的棱角3(图2-17ａ)，均可减少气流与气门和气门座的分离，增大有效流通截面，增大流量系数。二、进气道和进气管进气道和进气管必须保证足够的流通面积，避免转弯及截面凸变，改善管道表面粗糙度等，以减小阻力，提高ϕc，为此，在高性能的汽油机上采用了直线型进气系统，如图2-18所示，在直线化的同时，还