第4章_换气过程与循环充量.ppt

1、点燃式和压燃式内燃机 工作过程、燃烧理论、性能分析及参数调控,陈 勋,宁夏大学 汽车工程系,汽车发动机原理 Automotive Engine Fundamentals,1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响 3. 充量系数的定义及影响因素 4. 进排气动态效应,讲课内容,第一部分：动力输出与能量利用 第1章 性能指标与影响因素 第2章 燃料、工质与热化学 第3章 工作循环与能量利用 第4章 换气过程与进气充量 第5章 运行特性与整车匹配 第二部分：燃烧与排放 第6章 燃烧的基础知识 第7章 柴油机混合气形成与燃烧 第8章 汽油机混合气形成与燃烧 第9章 有害排放物的生成

2、与控制 第10章 新燃烧方式与替代燃料动力,换气过程：充入新气和排出废气的全过程 周期性、非稳态流动过程(准周期流quasi-flow) 非常复杂 新鲜充量(charge)是决定发动机输出功率“量”的因素,换气(Gas exchange)过程,换气过程的目的： 最大限度地吸入新鲜充量c是核心问题 保证各缸进气均匀 减小换气损失 在缸内形成合理的流场，以控制混合气形成和燃烧(第二篇),主要内容,1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响 3. 充量系数的定义及影响因素 4. 进排气动态效应,1) 换气过程与换气系统 换气过程: 从膨胀冲程末期排气门开启时算起，直到进气门关闭时为

3、止，大约为：410CA480CA,主要内容,1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响 3. 充量系数的定义及影响因素 4. 进排气动态效应,1) 换气过程与换气系统 换气系统：(进气燃烧室排气)系统；开式热力系统（增压机和有排气后处理装置时更复杂）,主要内容,1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响 3. 充量系数的定义及影响因素 4. 进排气动态效应,2) 换气过程分期 排气过程 (=240260) 自由排气阶段(超、亚临界): 1/3 强制排气阶段: 2/3 进气过程 (=230265) 核心问题是充量系数c的问题 气门重叠过程 (=080),亚临界

4、流量：,超临界流量(雍塞流,choking flow):,注意：对超临界流，下游条件(压力、温度)不影响流量,主要内容,1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响 3. 充量系数的定义及影响因素 4. 进排气动态效应,1) 排气早开角eo 影响自由排气损失和泵气损失, 但对c影响不大 存在最佳eo: ( p自排p排泵)min 转速增加, eo适当增大(提前),主要内容,1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响 3. 充量系数的定义及影响因素 4. 进排气动态效应,2) 排气晚关角ec 过小，惯性利用不够 过大，废气倒流 存在最佳ec 3) 进气早开角ao

5、过小，进气不够 过大，废气倒流进气管（回火） 存在最佳ao 4) 进气晚关角ac 过小，惯性利用不够 过大，新气推回进气管 对进气充量c影响大 存在最佳ac,主要内容,1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响 3. 充量系数的定义及影响因素 4. 进排气动态效应,5) 气门重叠(overlap) 自吸式汽油机40, 太大易回火 自吸式柴油机60 增压柴油机80160：扫气可以降低缸内残余废气；冷却降低热负荷,结论： 随转速升高，最佳相位角应增大 四个相位角中，进气晚关角对充量系数影响最大，排气早开角对换气损失影响最大 最佳相位角，增压机与非增压机不同 气门重叠角：汽油机柴油

6、机增压机,可变配气正时(Variable Valve Timing)分类,Classification of VVT: 凸轮可变 Variable Cam Profile Cam-Phase Changing 可变相位 Cam-Lift Changing 可变升程 Cam-Phase+Cam-Lift Changing 可变相位和升程 无凸轮 Camless Electromechanical 电机控制 Electrohydraulic 电液控制 Electromagnetic 电磁控制,Gear Thread,Toyota VVT-i,The word Intelligent emphasi

7、zes the clever control program. It not only varies timing according to engine speed, but also considers other conditions such as acceleration, going up hill or down hill.,相位连续可变，但升程不可变,可变配气正时技术(VVT),Toyota VVTL-i,Toyotas VVTL-i is the most sophisticated VVT design. Its powerful functions include: Co

8、ntinuous cam-phasing variable valve timing 2-stage variable valve lift Applied to both intake and exhaust valves,相位和升程都可变，但不是连续可变,可变配气正时技术(VVT),怠速/加速加浓,Miller循环,VTC-Variable Timing Control=可变正时控制,i-VTEC 比 VTEC的进步之处在于：连续可变相位与重叠角和两阶段的可变升程,1.8L i-VTEC,Cam-phase changing + Cam-lift changing VVT (Hondas

9、i-VTEC ),宝马(Valvetronic+VANOS) 可变气门正时： 连续可变气门相位、重叠角和升程,缸内直喷技术(化学计量比) Perfect！,可变配气正时技术(VVT),Benefits from cam-variable to camless,1. Better fuel efficiency Less pumping loss Cylinder deactivation Improvement is up to 10-15% 2. Increased torque output Ramming effect during high engine speed Improveme

10、nt is up to 20% 3. Elimination of external EGR 4. Reduced emissions Reduction of NOx is up to 40% Reduction of HC is up to 15% Reduction of CO is up to 5%,主要内容,1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响 3. 充量系数的定义及影响因素 4. 进排气动态效应,1)充量系数c的定义 c=实际进气质量/ 理论进气质量 c的测量方法： 实测ma（热线、孔板、层流、涡列流量计）(质量流量法） 测进气管内气体状态参数，如温度、压力

11、，求出ma (速度密度法）,标准状态大气密度(自吸式) 压气机后增压空气密度 (增压式),新鲜空气量而非混合气量,主要内容,1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响 3. 充量系数的定义及影响因素 4. 进排气动态效应,1)充量系数c的定义 c的解析式： 括号内第一项与进气相关，影响大 括号内第二项与排气相关，影响小,进气门晚关系数:,排气门晚关系数:,进气系统流动损失 (pspBTD),混合气空气量比例系数,进气晚关压升,进气温升,主要内容,1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响 3. 充量系数的定义及影响因素 4. 进排气动态效应,2)充量系数c的

12、影响因素 流动阻力（pa） 沿程损失（次）局部损失（主）,节气门节流损失(P),进气门节流损失(W),空气滤清器损失,节气门前流动损失,进气系统流动损失,结论： 自吸式发动机的pa/ ps为0.10.2 汽油机中、低负荷时pa更大 pa为c的最大影响因素,Pumping Loss？,主要内容,1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响 3. 充量系数的定义及影响因素 4. 进排气动态效应,2)充量系数c的影响因素 流动阻力（pa） 注意：平衡流动损失与缸内涡流比的矛盾（柴油机和GDI汽油机） 涡流比进气切向涡流转速/发动机转速,流通系数 Flow coefficient实际流

13、率/理论流率(无气门阻隔, 无摩擦 ),Tandem：一前一后排列 Twisted：扭曲排列 Twin：并排排列 2V-DI：两气门直喷,Flow patterns in combustion engines,Tumble 滚流,Intake flow 进气流,I,E,Compression/Expansion 压缩/膨胀流,Combustion-induced flow 燃烧诱导流,Swirl 涡流,Squish flow/ Reverse squish flow 挤流/反挤流,主要内容,1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响 3. 充量系数的定义及影响因素 4. 进排

14、气动态效应,2)充量系数c的影响因素 流动阻力（pa） 特别注意气门口的流动阻力： 平均马赫数 Mam=vtm/a Mam 0.5， c会急速下降,s-流量系数 discharge coefficient,主要内容,1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响 3. 充量系数的定义及影响因素 4. 进排气动态效应,2)充量系数c的影响因素 流动阻力（pa） 降低马赫数措施： 提高气门流通面积。2气门(ds/D)2 = 20-25%，4气门则30%以上 气门数，转矩，允许最高转速，则最大功率,4气门技术还有什么好处？ 火花塞/喷油器中心布置，有利于提高压缩比（汽）或混合气形成质量

15、（柴）； 灵活控制进气涡流，有利于合理组织混合气形成，优化燃烧。,主要内容,1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响 3. 充量系数的定义及影响因素 4. 进排气动态效应,2)充量系数c的影响因素 进气升温（ Ta） Ta，工质密度， c Ta由下列四项组成： Ta=Tw+TL+Tr+Tg 式中： Tw 高温壁面传热所引起的温升 合理冷却，降低热负荷 TL 压力损失变为摩擦热引起的温升 减小pa Tr 残余废气与新气混合引起的温升 减小残余废气系数 Tg 进气过程中，燃料气化、吸热所引起的温度降低（负值）,主要内容,1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影

16、响 3. 充量系数的定义及影响因素 4. 进排气动态效应,2)充量系数c的影响因素 配气相位 进气晚关角, , 但p 排气晚关角, , 但pr 因此：存在最有利的进、排气晚关角；但进气晚关角影响更大 其它因素 排气压力和温度 压缩比 进气状态 燃料气化,主要内容,1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响 3. 充量系数的定义及影响因素 4. 进排气动态效应,3)稳态进气速度特性（工况） 定义：充量系数c随发动机转速或活塞速度的变化规律。 c决定了发动机的最大动力性（转矩和功率）。 汽油机：n，c；部分负荷时，随n， c （斜率更大）； 柴油机：n，c（但斜率小于汽油机 ）;

17、 部分负荷时， c 略升。,主要内容,1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响 3. 充量系数的定义及影响因素 4. 进排气动态效应,3)稳态进气速度特性（工况） 分析充量系数c 随发动机转速和负荷变化规律的原因： A燃料气化占体积, c减小, 且不随转速变化。 B进气温升: 低速传热时间加长, Ta偏高; 高速则低一些。 D流动阻力：某一进气晚关角的进气速度特性曲线。 C具有最佳进气晚关角的进气速度特性曲线 。,主要内容,1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响 3. 充量系数的定义及影响因素 4. 进排气动态效应,3)稳态进气速度特性（工况） 进气晚

18、关角对充量系数c 的影响 D2曲线晚关角 D1曲线晚关角。 进气晚关角加大，低速充量系数c 降低，而高速充气性能改善。 C曲线是不同进气晚关角D曲线的包络线。 可变配气正时 (VVT)技术既可以用来提高热效率，也可以用来优化动力性。,主要内容,1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响 3. 充量系数的定义及影响因素 4. 进排气动态效应,进气压力波,V10非增压柴油机,主要内容,1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响 3. 充量系数的定义及影响因素 4. 进排气动态效应,V10非增压柴油机,排气压力波,主要内容,1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相

19、位对发动机性能的影响 3. 充量系数的定义及影响因素 4. 进排气动态效应,1)管道中压力波传播的基本知识 音速与压力波速 压力波传播：当管道界面处产生一个压力或速度的变化（扰动）时，由于流体的可压缩性，该扰动将波及相邻区段，然后依次向前传播 静止介质中，压力波的传播速度就是该介质状态下的音速,主要内容,1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响 3. 充量系数的定义及影响因素 4. 进排气动态效应,1)管道中压力波传播的基本知识 音速与压力波速 压力波传播：当管道界面处产生一个压力或速度的变化（扰动）时，由于流体的可压缩性，该扰动将波及相邻区段，然后依次向前传播 静止介质中

20、，压力波的传播速度就是该介质状态下的音速 若介质具有速度v，则压力波传播速度：c=va,dp dv,c=va,a,v,主要内容,1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响 3. 充量系数的定义及影响因素 4. 进排气动态效应,1)管道中压力波传播的基本知识 (2) 压力单波及其分类 压力单波：管中某一点向左右两方向以波速c传播的扰动 沿管道正方向传播的叫右行波；向另一方向传播的叫左行波 压力单波传到之处，其效果是使该处压力/速度上升者叫密波(压缩波)；反之，使该处压力/速度下降者叫疏波(膨胀波) 右行压缩波：dpR(+), dvR(+) 右行膨胀波：dpR(-), dvR(-

21、) 左行压缩波：dpL(+), dvL(-) 左行膨胀波：dpL(-), dvL(+),dp dv,dpR=advR,dpL=-advL,c=va,v,主要内容,1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响 3. 充量系数的定义及影响因素 4. 进排气动态效应,1)管道中压力波传播的基本知识 (3) 边界条件与反射波 封闭端：v=0 dv=dvR+dvL=0 dvL= -dvR dpL=dpR 全正反射反射波性质及幅值均与来波完全相同 开口端：p=pz (管外背压) dp=dpR+dpL=0 dpL= -dpR dvL=dvR 全负反射反射波性质与来波相反，幅值相同 由封闭到全

22、开口是孔口不断加大的过程：全正反射部分正反射无反射部分负反射全负反射,主要内容,1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响 3. 充量系数的定义及影响因素 4. 进排气动态效应,2)什么是进、排气动态效应？ 定义：压力波动对进、排气过程（充量系数、排气流率以及各缸进、排气不均匀性）的影响称为动态效应,压力波进气后期到达, c会有较大增加; 而前期和中期到达, 没有什么影响,主要内容,1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响 3. 充量系数的定义及影响因素 4. 进排气动态效应,3)单缸机进气管动态效应的利用 本循环(惯性效应) 设进气门开启时间为ts，压力

23、波传播周期为t=2L/a （b）tts时, 反射波对进气无影响 （c） tts时, 反射波在进气后期到达气门口时，c 提高,主要内容,1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响 3. 充量系数的定义及影响因素 4. 进排气动态效应,3)单缸机进气管动态效应的利用 本循环(惯性效应) 管长L与转速n要合理匹配： L太长，对c没有影响；太小，多次返回的密波和疏波相互抵消,主要内容,1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响 3. 充量系数的定义及影响因素 4. 进排气动态效应,3)单缸机进气管动态效应的利用 上循环(波动效应) 上循环残余压力波动的正压波如能处于本循环进气时期，则会对c有利 记气门口处压力波动频率为： f1= a /(4L) 进气门开启频率为： f2= n/120 则：频率比 q= f1/f2= 30a/(nL) 由左图可知： q=