第二章发动机的换气过程-2012

一、换气过程
• 包括从排气门开启直到进气门关闭的整个时期， 约占410°～480°曲轴转角。 • 目标：延长换气时间，增加气门开启的时间断面，充分利用气流的动态效应，改善换气过 程，提高内燃机性能。 • 一般将换气过程分作自由排气、强制排气、进 气和燃烧室扫气四个阶段。
＊配气相位
1、自由排气阶段
k
1. 4 1. 1 4
** 气体自行排出气缸而不需借助外力
1. 2
3. 5
1只取决于当地 声速
v a kRT
式中：V－气体流速，a－当地声速 当T＝873－1173K时，a＝500－600 m/s
2、强制排气阶段
• 从自由排气结束到活塞 到达上止点，废气由活 塞上行强制推出。 • 缸内平均压力比排气管 平均压力略高一些，一 般高出10kPa左右。 • 流速取决于压差，压差 越大，流速也越大，但 耗功也越多。 • 排气迟闭角为一般为 10°～35°。
流道转弯处
1、降低进气门处的流动损失
进气门座处 局部阻力最大
forward
阻力系数 ξ有关
ps s vs
2
与该处的 流动速度vs 的平方成正比
降低气门座处的流速和改善气门座处 的流动情况以提高流量系数
补充
return
• 过高的气体流速，还会发生气体阻塞现象。考 察气门座处的流动情况，平均进气马赫数Ma
1、进气终了的压力pa
进气终了压力↑ →充量系数（充气效率） ↑， 进气终了压力受进气系统的阻力的影响 • 进气系统阻力引起的压 降与管道阻力系数、进 气密度、气体流速的平 方三者的乘积成正比。 • 发动机转速增加，pa迅 速下降。 • 汽油机负荷减小， pa迅 速下降。
• 汽油机在不同转速、不 同节气门开度时，进气 终了压力Pa的变化 ： • 1）当节气门开度一定 时转速增加则Pa下降。 • 2）当节气门开度逐渐 减小时、Pa下降。且Pa 随转速的增加而下降得 愈快。进气系统的压降 与转速的平方成正比。
6、发动机转速
随着发动机转速升高，气体的流动阻力增大，充 气效率减小。 气体流动的阻力与流速的平方成正比，流速与转 速成正比。 当负荷不变而转速增加时，由于新鲜工质与缸壁 等接触时间短，传热量少，所以进气终了温度稍 有下降，进气密度略有增加，充气效率略微提高。
7、配气相位
合理选择进气迟闭角，利用换气过程的动态效应， 在压缩波到达气缸时进气门关闭，提高充气效率。 选择合适的排气提前角，在保证排气损失最小的 前提下，尽量晚开排气门，以提高膨胀比，提高 热效率。
实际进入气缸的新鲜工质量 CH 在进气状态下封存在气缸中的新鲜工质量 ma ma ma mr SCV m ma mr m
＊扫气效率
扫气效率是实际进入气缸的新鲜工质量 ma与封存 在气缸内的总气体质量（新鲜工质量 ma 加上残余 废气质量 mr）之比。
SC
在气缸中的新鲜工质量 在气缸中的新鲜工质量加残余废气质量 ma 1 1 SC ma mr 1 mr 1 ma
一、降低进气系统的流动阻力
管道摩擦阻力 沿程阻力
进气阻力
管长和管内流动面上的表面质量有关
局部阻力
它是由于流通截面大小、形状以及流动方向变化， 在局部产生涡流损失所引起的
管道较短， 壁面比较光滑
沿程阻力并不大
沿程阻力
流动中的主要损失 进气阻力 局部阻力
它由一系列的局部阻力叠加而成
进气门座处
空气滤清器
近年来，几乎所有强化程度高的车用发动机均采用 了这一技术，发动机转速可达6000r／min或更高， 平均有效压力达1.0MPa以上。最小的4气门发动机， 其缸径仅为80mm。
F
B
• 多气门优缺点：
－－ 进气截面增加 －－ 加强气流运动 －－ 火花塞布置合理化 －－ 各气门惯性减小 → 充气效率提高 燃烧速度改进 动力性增加 －－ 低速效果不一定最佳 （可采用可变配气定时和可变进气系统等措施弥补） －－ 摩擦损失增加 －－ 结构复杂 －－ 容易故障 －－ 成本增加
第二章
发动机的换气过程
四冲程发动机的换气过程 四冲程发动机的充量系数
提高发动机充量系数的措施
第一节 四冲程发动机的换气过程
• 发动机换气过程：排气过程＋进气过程；
• 任务：“吸足排尽”
• 要求：尽可能少的换气损失
• 保证发动机动力性能的前提和关键：每循环进 入气缸的新鲜工质量愈多，燃烧后才能放出更 多的热量，从而增大发动机功率和转矩。
＊气门重叠
• 把两个气门同时开启 时间相当的曲轴转角 叫作气门重叠角。 • 在非增压机中，重叠 角一般为20°～80° 曲轴转角。 • 增压柴油机可达 80°～160°曲轴转角。
＊ 换气损失：排气损失和进气损失
二、排气损失
• 定义：从排气门提前开启，直到进气行程开始， 气缸内压力达到进气管压力前循环功的损失称 为排气损失。 • 构成：膨胀损失和推出损失两部分，分别以面 积W和Y来表示，前者是有效膨胀功的减少， 后者是把排气推出所消耗的功。
• 进气平均马赫数Ma综合了进气门大小、形状、 升程规律以及活塞速度等因素，并且其大小与 发动机的转速成正比。
• 对于小型四冲程发动机，当Ma超过0.5后，充量
系数急剧下降。
减小进气门流通截面处 流动损失的具体措施
加大进 气门直径
增加进 气门数目
合理设计 进气道 及气门的 结构
（1）加大进气门直径
3、残余废气系数γ
气缸中残余废气在进气过程中膨胀，使进气量减少， 从而使充气效率下降，而且使燃烧恶化。 • 在汽油机低负荷运转时，因节气门关小，新鲜充 量减少， γ会大大增加，稀释可燃混合气，使燃烧 过程缓慢，从而造成汽油机低负荷工作不稳定， 经济性和排放性能变差。
4、进气状态ps 、Ts
• 进气或大气压力Ps升高，Pa也随之增加，新鲜工 质密度增大，虽然ηv变化不大，但实际进气量增 多。 • 进气或大气温度Ts降低，Ta也随之有所下降，工 质密度增大，实际进气量亦增多。 充气量增多不等于充气效率增大。但增大充气量有 利于功率输出，这正是增压和增压中冷的出发点。
mr 余气系数 ma
＊容积效率
容积效率是封存在气缸内的总气体质量 （新鲜 工质量 ma 加上残余废气质量 mr）与在进气状 态下封存在气缸内的新鲜工质量 m之比。
气缸中的新鲜工质量加残余废气质量 V 在进气状态下封存在气缸中的新鲜工质量
ma mr V m
•进气状态：在非增压发动机上一般采用当时、当地的大气 状态；在增压发动机上，采用增压器出口的压力状态。
R
（2）增加进气门数目
增加进气门数，可以取得与加大进气门直径同样的 效果，即增大了进气门的有效流通截面积。 除了 换气损失小、充量系数高以外，喷油器的垂直中置 对混合气形成极为有利。
• 4气门柴油机对具有进气中冷的高增压系统也非常合 适 • 对于汽油机来说．其效果也是相当好的。
采用两进、两排的气门结构后，进气门面积之和 可 以 达 到 气 缸 面 积 的 30% ， 几 乎 比 2 气 门 提 高 30%~50% 。 表 4—l 列 出 了 采 用 双 顶 置 凸 轮 轴 (DOHC，Double Overhead Camshaft)4气门发动机 的优、缺点，总的结论是优点大于缺点。
5、发动机负荷
汽油机靠调节节气门的开度调节负荷，负荷小， 节气门开度小，节流损失增加，进气终了压力减 小，充气效率下降。
柴油机通过改变喷油量调节负荷，进入气缸的 空气量在负荷变化时不变，流动阻力基本不变， 但负荷增加时，每循环供油量增加，传热表面 温度上升，对充量加热增加，使气体密度下降， 因而充气效率略有下降。
R
单 顶 置 凸 轮 轴 三 气 门
Camshaft
单 顶 置 凸 轮 轴 四 气 门 结 构
Exhaust rock arm
Inlet rock arm
Exhaust valve Inlet valve
双顶置凸轮轴四气门
R
Exhaust camshaft
Inlet camshaft
Exhaust Valve
• 从排气门打开到气缸压 力接近于排气管压力 • 排出废气量占60％以上 • 排气门开启时，缸内压 力(0.2～0.5MPa)与排 气管压力之比大于临界 值 • 废气以声速流过排气门 开启截面。 • 一般排气提前角为 30°～80°曲轴转角。
•
自由排气阶段
pZ k 1 k 1 1. 1 4 2 pA 2
三、进气损失 • 由于进气系统的阻力，进气过程的气缸压 力低于进气管压力，损失的功相当于图中 X表示的面积，称为进气损失。 • 泵气损失 X+Y-u:由排气、进气和部分压缩 过程所构成的封闭循环的低压示功图。
第二节 四冲程发动机的充量系数
• 一、影响充量系数的因素
• 充量系数是衡量内燃机充气性能的一个重要指标 • 定义：内燃机每缸每循环实际进入气缸的新鲜空气 质量ma与以进气状态下理论计算充满气缸的工作容 积的空气质量ms (m′)之比。
3、进气过程
• 进气门开启的时期
• 进气提前开启角： 0°～40°
• 进气迟闭角：40°～ 70° • 进气门刚开启时，缸 内形成较大的真空度。
• ＊进气门关闭时刻对于 充气效率随转速的变化 起着决定性的作用。
4、气门重叠和燃烧室扫气
配气相位的合理选择： 充气效率的变化是否符 合动力性要求； 换气损失是否尽可能小； 能否保证必要的燃烧室 扫气作用； 加速混合气形成和燃烧； 良好的动力性、经济性 和排放性能。
8、压缩比
• 压缩比ε增加，压缩容积减小，残余废气量随之
减少，因而ηv有所增加。
第三节提高发动机充量系数的措施
降低进气系统的阻力 损失，提高气缸内 进气终了时的 压力Pa 降低排气系统的阻力损失， 以减小缸内的 残余废气系数γ
提高充量系数措施
结构一定, 即ε一定
减少高温零件在进气系统 中对新鲜充量的加热， 以降低进气终了时的 充量温度Ta
CH
1 PcaT0 1 P0Tca 1
• 由上式可见，影响充气效率ŋ CH的因素有： 进气（或大气）的状态(P0、T0)、进气终了 的气缸压力Pca和温度Tca、残余废气系数γ 、 压缩比ε。
• 充气效率评价了换气过程的完善程度，而且该指 标不受气缸容积的影响。 • 充气效率越高，每循环进入气缸容积的新鲜工质 量越多，发动机功率和转矩可增加，动力性越好。
由于进气过程的重要性，一般应尽可能布置较大尺 寸的进气门，以降低流经进气门截面时的气体流速， 从而降低局部流动阻力。
在现代高速内燃机2气门结构中，进气门直径d与缸 径D的比值可达45%~50%。面积比为0.2~0.25，这 样排气门不得不缩小，但过小的排气门又会导致排 气阻力的增大。
通过加大进气门直径的方式来提高充量系数，是受 到限制的。
2、进气终了的温度Ta
Ta愈高，缸内工质密度愈小，充气效率越小 引起Ta 升高的原因是： • 新鲜工质进入发动机与高温零件接触而被加热。 • 新鲜工质与高温残余废气混合而被加热。 • 化油器式，为了升高进气温度，一般利用废气或 冷却水热量对进气管加热。 降低Ta 值的措施： 高温排气管与进气管分置气缸两侧，控制进气预热， 适当加大气门叠开角等。
• 多气门直径确定
2L发动机性能 比较：采用顶 置凸轮轴4气门 技术,可以便发 动机的功率提 高约5%~30%， 转矩增大约 5%~10%。经 济性能也得到 改善。
对于D＜80mm的点燃式内燃机，若采用两进、
两排的4气门结构在气缸盖缸中间部位往往难以布置 即便是最小尺寸的火花塞，这时只好适当缩小进气 门直径。若采用三进二排的气门结构，既能充分利 用气缸外围尺寸，又能利用气缸中心布置火花塞。 图4—7是采用5气门(三个进气门，两个排气门)的 发动机与4气门发动机的比较情况，可见其高速性能 进一步改善。对于排量较小(1.5L以下)的4缸小型轿 车用汽油机来说，也有采用2进、1排的3气门结构， 这样既能发挥多气门的优越性，结构又相对简单。
Inlet Valve
五 气 门 布 置
R
R
(3)合理设计进气道及气门的结构
• 一般在高速内燃机中，均利用气道使进气在其中发 生弯曲和旋转，以便在气缸中形成定向的空气运动， 以利于燃烧的进行。但这势必影响气门的流量系数， 增大流动损失，因此，在设计及制造中，应尽可能 保证气道内壁面的过渡圆滑、平稳，避免气流急转 弯现象 • 在进气门头部以及气门座面处设计合理的形状，对 改善气流的流动阻力也有十分显著的效果。