汽车发动机原理课件：四冲程

一、换气过程图2-1为一实测四冲程发动机在换气过程中，汽缸压力和排气管内压力随曲轴转角变化的关系和相应的进、排气门流通截面的变化情况，根据气体流动的特点，可将换气过程分为自由排气、强制排气、进气和气门叠开四个阶段来讨论。１.自由排气阶段从排气门打开到汽缸压力接近了排气管压力的这个时期，称为自由排气阶段，其特点为。利用缸内和排气管内的压差进行自由排气，而无须借助外力。由于受配气机构及其运动规律的限制，排气门不可能瞬时完全打开，气门开启有一个过程，其流通截面只能逐渐增加到最大，在排气门开启的最初一段时间内，排气流通截面很小，废气排出的流量小。排气门打开后，气体的流动状态经历了超临界流动和亚临界流动两个阶段的变化。根据气体流动的性质，排气门打开后，缸内压力P和排气管的压力Pr决定了气体的流动性质，设缸内气体的绝热指数ｋ=1.4，则当:时,排气处于超临界状态,气体的流速等于在该处气体状态下的声速。当T=873

~1173K时，声速可达500~600m/s，在超临界排气时期，废气流量与排气门前后压差无关，只取决于排气门流通截面和缸内气体的状态。当P

/Pr<1.9时，处于亚临界流动状态，此时排气流量不仅与排气门流通截面有关,还与排气门前后的压差有关。２.强制排气阶段从自由排气阶段结束,活塞上行推出废气至排气门关闭止，为强制排气阶段。由于排气通道特别是排气门开启处的阻力，使强制排气阶段内的汽缸平均压力比排气管内平均压力(排气背压)略高一些(约10kPa)，且流速越高，阻力与压差越大，即排气耗功越多。３.进气过程进气门在进气行程上止点前5°~20°(CA)就开始开启，以保证活塞开始向下行时，进气门已有足够大的开启面积，使新鲜空气在最小阻力下吸入汽缸，为了利用新鲜充量的流动惯性来达到增加汽缸充气量的目的，进气门也不能在下止点时就关闭，而应在下止点后20°~50°(CA)时关闭，发动机转速越高，进气流速越快，使进气管中流动的气柱动能也越大，因此，高速发动机可采用较大的进气迟闭角，以充分利用其惯性来增加充气量。４.气门叠开由于排气门的迟后关闭和进气门的提前开启，存在进、排气门同时开着的现象，称为气门叠开(图2-2)，在气门叠开期，进气管、汽缸、排气管三者互相连通，可以利用气流的压差、惯性或进、排气管压力波的帮助，来清除残余废气，增加进气量，降低高温零件的温度，但应注意不要产生废气倒流现象。自然吸气式汽油机对进气提前开启角比较敏感，因为若废气倒入进气管，会出现“回火”，负荷越低，节气门开度越小，进气管内真空度加大，更易出现“回火”,因此，汽油机重叠角一般均小于40°(CA)。增压柴油机,由于进气门外的压力高于排气管背压,不仅可扫除更多废气,降低残余废气系数,增加充气量,又能冷却排气门、喷油嘴等高温零件,降低燃烧室壁温和热负荷,所以,增压柴油机均采用较大重叠角,一般在80~150°(CA)。二、换气损失和泵气损失理论循环与实际循环的换气功之差称为换气损失,换气损失由排气损失和进气损失两部分组成。非增压发动机的理想换气过程如图2-3ａ)所示，排气沿ar线进行，进气沿ar线进行，进、排气压力相等，泵气功为零，增压发动机的理想换气过程如图2-4ａ)所示，由于进气压力Ps大于排气压力Pr，所以排气沿a′r′线进行，进气沿r″a″线进行，面积a″a′r′r″a″表示泵气功，为正功。１.换气损失如图2-3ｂ)和图2-4ｂ)所示，排气门提前开启时，排气压力线从点ｂ′开始偏离膨胀线，面积过小与理想循环相比，损失的功相当于Ｗ所表示的面积，称为自由排气损失，在活塞将燃气推出汽缸时，由于沿途有流动阻力，所以汽缸内的气体压力高于排气管内压力(非增压发动机排气管内压力假定为大气压力)，损失的功相当于Ｘ所表示的面积(Ｘ所表示的面积包含了Ｕ所表示的面积)，称为强制排气损失，自由排气损失与强制排气损失之和即为排气损失。排气提前角的选择会影响自由排气损失和强制排气损失的分配，如图2-5所示，排气提前角越大(曲线ｂ)，排气门开启越早，自由排气损失就越大，但此时缸内压力在下止点前已降得足够低，所以强制排气损失减少，反之，排气提前角减小(曲线ｃ)，强制排气损失会增加，而自由排气损失则会减少。因此，从减少排气损失角度看，最佳排气提前角应使两者之和为最小(曲线ａ)。排气损失除受排气提前角大小的影响外,还与转速密切相关,如图2-6所示,转速越高,排气损失越大,图中的虚线到3200r/min线之间的距离表示该情况下的自由排气损失PP1,虚线到横坐标轴的距离表示该情况下的强制排气损失PP2,PP1随φ3增大而增大,PP2则减小,点画线ab是各种转速下排气损失最小值的连线,说明转速越高,最佳排气提前角也应当越大。２.进气损失在非增压发动机中，由于进气系统的阻力，进气过程汽缸内的压力低于大气压力，而活塞背面曲轴箱内的压力稍大于大气压力，因此，进气过程活塞要消耗功，如图2-3中面积Ｙ所示，在增压发动机中，进气压力高于大气压力，故活塞顶面压力高于活塞背面压力，活塞在进气过程得到正功。３.换气损失和泵气损失换气损失等于进气损失与排气损失之和，如图2-3