第二章 换气过程2 讲义.ppt

1、第二章 发动机的换气过程,2.1 四行程发动机的换气过程 2.2 四行程发动机的充气效率2.3 减小进气系统的阻力 2.4 合理选择配气定时,下止点,上止点,发动机的换气过程,前言,换气过程,换气过程的任务,研究的内容,目的： 在活塞上行时排气门有足够大的开启面积； 减小活塞上行时的阻力。 4.排气迟闭角：从上止点到排气门完全关闭这段曲轴转角（10350CA） 目的：利用高速气流的惯性排除废气。.,1.进气提前角：从进气门打开到上止点这段曲轴转角(040 oCA)。 目的：活塞下行时有足够大的开启面积，新鲜工质可以顺利流入气缸。 2.进气门迟闭角：从下止点到进气门关闭(4070 oCA) 。

2、目的：利用高速气流的惯性，在下止点后继续充气，以增加进气量。 3.排气提前角：从排气门开启到活塞行至下止点所对应的曲轴转角称为，一般为3080CA。,2.1 四行程发动机的换气过程 一、换气过程 四行程发动机的换气过程包括从排气门开启到进气门关闭的整个时期，约占410480曲轴转角。,1自由排气阶段 排气门开启到气缸压力接近了排气管压力的这一时期，称为自由排气阶段。,（1）超临界状态 排气门开启时，气缸内废气压力较高（0.20.5Mpa）， 时，排气流动处于超临界状态，可利用废气自身的压力自行排出。,在超临界排气时期，废气流量与排气管内压力pr无关，只与气缸内的气体状态及气门开启截面积有关。并

3、且因排气流速甚高，在排气过程中伴有刺耳的噪声，所以排气系统必须装有消声器。,当Tr=7001100K时，可达500700m/s。1马赫大约为340m/s,即音速。,排出的废气量决定于气缸内及排气管内的压力差。压力 差越大排出废气越多。当到某一时刻 自由排气阶段结束（一般下止点后1030曲轴转角）。此阶段虽然历程很短，但因排气流速甚高，排出废气量达60%以上。,（2）亚临界状态 当 时，排气流动转入亚临界状态，废气流速降低，产生的噪音较小。,高速发动机其排气提前角要大一些：在自由排气阶段中，排出的废气量与发动机转速无关。发动机转速高时，在同样的排气时间（以秒计）所相当的曲轴转角增大，因此，高速发

4、动机排气提前角要大。但不宜过大，否则会使排气损失加大。,2强制排气阶段：活塞上行强制推出废气。 缸内平均压力高于排气管平均压力：克服排气门、排气道处的阻力，一般高出10kpa左右。气体的流速越高，此压差越大，消耗的功越多。 排气迟闭角，一般为1035曲轴转角。,正常进气 ：活塞下行残余废气膨胀，新鲜气体充入气缸。,惯性进气。进气迟闭角：一般为4070曲轴转角。,准备进气。进气提前角：一般为030曲轴转角,二、换气损失 换气损失=排气损失+进气损失。 进气损失(进气阻力功的损失) X; 换气损失 自由排气损失W； =(W+X+Y) 排气损失 强制排气损失Y。,1. 排气损失(W+Y) 排气损失是

5、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。,（1）自由排气损失（图中面积W），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Y），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是：减小排气系统阻力和排气门处的流动损失。 (X+Y-d)相当的负功称为泵气损失。 (W+d)这部分损失放在指示效率i中考虑。,排气提前角 WY，如图中b曲线; W Y，如图中c曲线。 所以，最佳应使（W+Y）面积之和最小。,令 ， ， ， 是考虑进、 排气门迟闭角的影响，则 .（3）,代入（1）式整理得： 即， .（4）,设残余废气与新鲜充量的气

6、体常数R近似相 等，将气体状态方程 代入（4）式， 则： .(5) 式中 ：Ts,ps进气状态的温度和压力； Ta,pa 进气终了时的气体温度和压力； Tr,pr残余废气的温度和压力； 压缩比。 为说明残余废气的比例，引入残余废气系数 的概念。 残余废气系数 ：进气过程结束时气缸内残 余废气量与气缸中新鲜充量的比值。,残余废气系数 : 将上式代入(3)式得: (6) 可见，影响 的因素有：进气终了的（Pa,Ta） 、,进气状态（Ps,Ts）等。,（二）影响充气效率 的因素 1进气终了时的压力Pa对充气效率的影响 Pa Pa=Ps-Pa 式中，pa为气体流动时，克服进气系统阻力而引起的压降(kP

7、a)。一般可写成 式中 管道阻力系数； 进气状态下气体的密度； 管道内气体的流速（m/s）。 可见，pa主要取决于各段管道的和。若大、高时，pa Pa。,转速n和负荷对Pa影响 转速n对Pa影响 当节气门位置一定时， 负荷对Pa影响 汽油机量调节 。 且Pa 随 节气门减小而下降的愈快，即曲线变化愈陡。 柴油机“质调节”， 。,2进气终了的温度Ta 高温零件加热； 的原因是： 残余废气加热； 进气预热。 所以在条件允许的情况下，应力求降低Ta值。例如，将高温排气管与进气管分置于气缸两侧，控制进气预热，适当加大气门叠开角等，均有利于降低Ta. 负荷Ta 影响因素： nTa（接触时间短）,3、残余

8、废气系数 ,而且使燃烧恶化。特别是汽油机低负荷运转时 稀释可燃混合气，使燃烧过程缓慢经济性和排放性能变差。 范围： 四行程非增压柴油机 0.030.06 四行程增压柴油机 0.000.03 四行程汽油机 0.050.16 4、配气定时 由于进气门迟闭 ，新鲜充量的容积减小， 但Pa值却可能因有气流惯性而使Pa ，合适的配气 定时应考虑 具有最大值。,5、压缩比 残余废气量 ， 6、进气或大气状态(Ts,Ps) （ Ts +Ps）由于新气和缸壁温差小 .,2.3、减小进气系统的阻力,非增压四行程发动机的进气系统是由空滤器、化油器 或喷油器节气门、进气管，进气道和进气管等组成。减少 各段通路的阻力

9、，增大其流通能力。是提高 ，改善发 动机性能的主要方面。 一、进气门 在整个进气系统中，进气门处的流通节面最小且截面 变化最大，因此，增大此处的流通能力并减小流动损失 一直是人们关注的重点。 1、时面值（或角面值） 目前四行程发动机的进排气 门均采用菌形阀结构，其 开启面积随凸轮升程而变化。,在时间微元内 通过气门的气体流量为： 式中： 流经气门的气体密度； 进气门处气体的平均流速； dt时间内气门的开启截面积。 整个开启时间的气体流量： 式中的 称为气门的时面值，它表示气门的通 过能力。若将时间换算成曲轴转角，则 式中的 称为气门的角面值，如下图中曲线所包围的面积。在具体的发动机中，角 面值

10、一般不随转速而变化，则高转 速时，时面值减小。,2.进气马赫数Ma 进气马赫数是进气门处气体的平均速度 与该处声 速c的比值。 它反映流动对充气效率的影响，成为分析充 气效率的一个特征数。 平均流速 定义为：实际进入气缸的新鲜充量与进 气门有效时面值F（t）之比，即 式中 进气门开启期间的平均流量系数； 进气门平均开启面积； t。、tc进气门开、关时间； 、 进气门开、关角度。,所以 式中: F活塞面积； Cm活塞平均速度； D、d活塞与进气阀盘的直径。 根据试验可知，在正常的配气条件下，当 超过一定数 值（0.5左右）时， 便急剧下降，即使提高转速，因单位时 间充气量无法增加，功率也不能增加

11、。因此，必须注意控制 值。 由 式知，增大气门的相对通过面积；改善气门处的气体 流动，提高流量系数；合理的配气相位，是限制 值、提高 的有效方法，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 。 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 Ld 取 0. 260.28。 5.减少气门处的流动损失 应注意改善气门处流体动力性能，如气门头 部到杯身的过渡形状，气门和气门座的锐边等， 都会影响气流的剥离，从而影响流量系数。

12、,二、进气道和进气管 在进、排气门开闭的四个时期中，进气门迟 闭角的改变，对充气效率影响最大。 三、空气波清器 空气滤清器阻力随结构而不同。它必须在保证滤清效果的前提下，尽可能减小阻力，如加大通过断面，改过滤清器性能，创制低阻、高效的新型滤清器等。在使用中，应经常清洗滤清器，及时更换滤芯。,2.4、合理选择配气定时 在配气定时各参数中，进气门迟闭角的改变，对充气效率v影响最大。v在某一转速下达到最高值，此转速下能最好地利用气流的惯性充气。,当转速高于此转速时，气流惯性增加，而进气门迟闭角不变 ，就使一部分本来可以利用气流惯性进入气缸的气体被关在气缸之外，加之转速上升，流动阻力增加，所以使v下降

13、。 当转速低于此转速时，气流惯性减小，又可能使一部分气体被推回进气管， v也下降。,不同v曲线相当于在不同的配气定时下，v随转 速变化的关系。不同的进气迟闭角，v最大值相当的转 速不同，一般迟闭角增大v最大值相当的转速也增加。 如图中虚线所示，因为转速增加，气流速度加大，大的 迟闭角可充分利用高速的惯性充气。,改变进气迟闭角，可以改变v随转速变化的趋向，可用以调整发动机扭矩曲线，满足不同的使用要求。 加大进气门迟闭角，高转速时v增加，有利于最大功率的提高，但对低速和中速性能则不利。,减小进气迟闭角，能防止低速倒喷，有利于提高最大 扭矩，但降低了最大功率。因此，对于配气定时不能改 变的发动机，应根据常用工况确定进气迟闭角。 合理的排气提前角应当在保证排气损失最小的前提 下，尽量晚开排气门，以加大膨胀比，提高热效率。 当转速增加时，相应的自由排气时间减小，为降低排 气损失，应增加排气提前角。 在气门曾开期间，可以利 用排气管的压力波增加，新鲜工质流过高温零件，降低 热负荷，减少NOX，故应安排适当的气门曾开角。在高 速发动机，特别是二气门机中，为保证足够的进、排气 门时面值，也会有较大的叠开角