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1、1 第四章 内燃机的换气过程 是内燃机排出本循环的已燃气体和为下一循环 吸入新鲜充量的进排气过程。 内燃机的换气过程: 二冲程汽油机 2 第四章 内燃机的换气过程 减少进排气流动阻力损失； 提高充量系数的措施及方法； 为燃烧提供一个合适的缸内气体流场 换气过程对内燃机的性能有重大影响，进行 的好，可以提高动力性和经济性。 研究目的： 3 第四章 内燃机的换气过程 4-1四冲程内燃机的换气过程 分为三个阶段：排气阶段、气门叠开、进气阶段 4 4-1四冲程内燃机的换气过程 配气相位配气相位 5 4-1四冲程内燃机的换气过程 6 一、排气过程： 排气门开启到完全关闭的全过程 排气过程分类： 、按燃气
2、对活塞做功的性质分： ）自由排气 ）强制排气 、按排气流动的性质分： ）超临界排气 ）亚临界排气 4-1四冲程内燃机的换气过程 7 、排气提前角：内燃机的排气门在膨胀行 程到达下止点前的某一曲轴转角位置提前开启 的角度。(从排气门开启到下止点曲轴转过的角 度称作排气提前角) 4-1四冲程内燃机的换气过程 排气门提前开启的原因： a. 利用此时气缸内的高压在极短的时间内排除大量的废气 。 b .气门开启流通截面积是逐渐增大的，开启的速度有限， 不能瞬间达到最大。为了减小活塞回程时有效功的消耗。 3=30-80CA 8 、排气迟闭角：排气门在上止点后关闭的角度 。 (从上止点到排气门关闭曲轴转过的
3、角度称作排 气迟闭角) 4-1四冲程内燃机的换气过程 排气迟闭的原因： 一方面可以避免因排气流动截面积过早减小而造成的排 气阻力的增加，使活塞强制排气所消耗的推出功与缸内的残 余废气量增加； 另一方面还可以利用排气管内气体流动的惯性在迟闭角 内继续从气缸内排出一部分废气，以减少缸内的残余废气量 。 排气门迟闭角为4= 1070 CA。 9 二、进气过程：进气门开启到完全关闭的全 过程 4-1四冲程内燃机的换气过程 1.进气提前：为了使得在进气过程开始时，流通 截面增大，以减少进气过程的阻力，增加进入气缸的 新鲜充量，减少进气功的消耗。进气门一般也在上止 点前提前开启，称为进气提前。 进气提前角
4、1= 1040 CA 。 10 2.进气迟闭：可以避免因进气流动截面积过早减 小而造成的进气阻力的增加，使活塞强制进气所消 耗的功增加；同时，也为了利用在吸气过程中形成 的进气管内气流的流动惯性，实现气缸的过量充气 ，进气门需要迟闭。 迟闭角2=20-60 CA 4-1四冲程内燃机的换气过程 11 三、气门叠开和燃烧室扫气过程 在上止点附近进、排气门同时开启，这一现象 称为气门叠开，相应的角度是气门叠开角，它是 排气迟闭角与进气提前角之和1 + 4 。 4-1四冲程内燃机的换气过程 特点： 1.进气管、气缸、排气管三者相通，有利于 扫气，增加充量。 2.新鲜冲量的冷却有利于降低缸内温度。 12
5、 气门叠开角的确定： 1.点燃式内燃机：靠节气门来调节功率，进气管内压 力总是小于大气压，叠开角过大时高温废气有可能倒流进 入进气管，引起进气管回火，故这种发动机采用气门叠开 角比较小的。 4-1四冲程内燃机的换气过程 3.增压柴油机：p进p，新鲜充量进气管通过燃烧室 后流入排气管中，以达到扫除残余气体的目的，还有助于 降低受热零件表面的温度。可采用较大的叠开角，一般为 80140CA。 2.自然吸气柴油机： p进p允许采用较大的气门叠 开角，增强扫气效果，提高充量质量，提高性能。气门 叠开角 2050CA。 13 4-四冲程内燃机的换气损失 换气损失：定义为理论循环换气功与实际循环换气功之差
6、 。 包括:排气门早开所造成的膨胀功损失（W）、活塞强制排气的 推出功损失（X）、缸内负压造成的吸气功损失（Y）三部分。 14 4-四冲程内燃机的换气损失 15 4-四冲程内燃机的换气损失 一、排气损失 膨胀损失 ：从排气门提前开启到下止点这一时 期，由于提前排气造成了缸内压力下降，使膨胀功 减少。 推出损失：活塞由下止点向上止点的强制排气 行程所消耗的功。 排气损失：膨胀损失与推出损失之和。 16 4-2 四冲程内燃机的换气损失 发动机转速一定时，排气提前角较小时，膨胀损失功W小，但 活塞排气推出功X将会增加，反之亦然！所以存在最佳排气提前角 使排气损失最小！ 发动机排气提前角一定时，随发动
7、机转速的提高，排气时间变短，膨胀损失功W减少，排气推 出功X变大，总的排气损失呈增加的趋势！所以转速提高排气提前角应增大，或采用双气门排气。 17 4-2四冲程内燃机的换气损失 二、进气损失：与理论循环相比，内燃机在进气过程中所造 成的功的减少 。 平均进气损失明显小于排气损失，但进气损失除了影响发动机的有用功，更重要的是影响发动机 的充量系数，对发动机的性能有显著的影响。所以，应采取措施（如加大进气门流通面积、正确设 计进气管路径、适当降低活塞速度），减少进气损失，提高发动机充量系数，改善发动机的性能。 18 4-2四冲程内燃机的换气损失 三、泵气功与泵气损失 泵气损失：是指缸内气体对活塞在
8、强制排气行程和吸气行 程所做的功，面积十所表示的功损失。 泵气功:自然吸气发动机 Wp=(十)Lp Lp比例系数 增压发动机 Wp=(pb-pT)Vs-(十)Lp 19 一、四冲程内燃机的充量系数 4-3 提高内燃机充量系数的措施 充量系数：定义每循环实际进入气缸的新鲜充量 m1与以进气管内状态充满气缸的工作容积的理论充 量msh之比。 当发动机的结构等参数确定后，发动机的理论进气 量msh是一定量，提高充量系数的措施主要应使上式 中的 的积最大和 最小。所以可通过以下措施 来提高发动机的充量系数。 20 4-3 提高内燃机冲量系数的措施 二、提高冲量系数的技术措施： （一）降低进气系统流动阻
9、力(主要影响因素)： 进气系统的流动阻力分为两类： 沿程阻力管道摩擦阻力。 局部阻力由流通截面大小、形状以及流动方向变化 ，在局部产生涡流损失所引起的，这是流动阻力产生的主要 部分。 主要发生在空气滤清器、流道转弯、进气门座圈等处。 降低进气系统的流动阻力措施： （1）增大进气门流通面积增大进气门直径；增加气门数 目 （2）合理设计进气道及气门的结构 （3）减少空气滤清器的阻力 21 4-3 提高内燃机冲量系数的措施 22 4-3 提高内燃机冲量系数的措施 采用4气门或5气门进排气方案的优点：a.增加了进排气的流动面积，减少了流动阻力损 失。b.对于汽油机，此时可将火花塞布置在中央，缩短火焰传
10、播距离，提高发动机的抗爆性，从而 可提高发动机的压缩比，提高燃油经济性；对于柴油机来说，可以将直喷式喷油器布置在中央，有 利于混合气的形成及空气的利用。因此现代小型高速发动机越来越多地才采用多气门方案。 右边下图2L排量的4气门发动机与同排量2气门发动机性能比较 ：功率提高了1530%，转矩提高了5%10%，经济性也有改善。 23 4-3 提高内燃机冲量系数的措施 （二）采用可变配气系统技术 配气相位和发动机转速对充量系数有较大的影响。 可变配气系统按照驱动方式 可分为：机械式和电子控制 无凸轮机构两类。 后一类可完全满足可变要求 ，但目前还处于研究阶段， 如GM和FEV公司推出的无凸轮 电磁
11、气门驱动机构以及Ford 公司的液压气门驱动机构。 前一类已经商业化了，可分 为可变凸轮机构（VCS）和可 变气门正时（VVT）及其组合 ，统称为Variable valve Actuation。其基本可实现可 变气门正时、可变气门升程 和可变气门持续角等功能。 24 4-3 提高内燃机冲量系数的措施 .可变凸轮机构（Variable Camshaft System） 通过两套凸轮或摇臂来实现气门升程与持续角的变化，即 在高速时采用高速凸轮，气门升程与持续角都较大，而在低速 时切换到低速凸轮，升程与持续角均较小。 25 4-3 提高内燃机冲量系数的措施 .可变气门正时（Variable Val
12、ve Timing） 进排气门通过两根凸轮轴单独驱动的，通过一套特殊的机 构根据发动机的工况将进气凸轮轴转过一定的角度，从而达到 改变进气相位的目的。 26 4-3 提高内燃机冲量系数的措施 （三）、合理利用进气谐振 进气管长度的增加或管径的减小，可使充量系数的峰值向发动机低速一侧移动，反之则向高速 移动，这一现象称为进气谐振的结果。 27 4-3 提高内燃机冲量系数的措施 为了追求最佳的充量系数值，采用可变进气系统（VIS），以充 分利用进气谐振作用，使发动机的高速与低速性能都达到最优。比较 常见的可变进气系统是通过改变进气管长度或流通截面的方式来实现 。下图是采用改变流通截面积来实现可变进
13、气的，低速时关闭控制阀 ，气体从主进气道流入发动机；高速时则打开。 28 4-3 提高内燃机冲量系数的措施 （四）降低排气系统的流动阻力： 降低排气系统阻力的目的： 可以使气缸内的残余废气压力下降，这样不仅 减小了残余废气系数，提高充量系数，而且可以减 小泵气损失，提高发动机的热效率。 排气系统的设计原则： 是降低排气背压，减小排气噪声。 对于高速多缸发动机，为避免排气压力波的相互干 涉，用多枝型排气管或多排气管结构来代替单排气 管，这样可以获得较好的低速转矩和充量系数。 29 4-3 提高内燃机冲量系数的措施 （五）减少对进气充量的加热 为了避免或减少高温进气的加热，发动机机 均采用进、排气
14、管在气缸盖两侧布置的方案。高 速内燃机采用增压及中冷技术进一步提高增压压 力、降低热负荷，可提高内燃机的动力性、经济 性和排放特性。 在进气过程中，进入气缸的新鲜充量不可避免 地被各种高温表面加热，从而导致温度升高，缸 内进气密度下降，充量系数减少。 应该指出，前面谈到的提高内燃机充量系数， 主要是针对发动机全负荷工况而言。 30 4-内燃机的增压 4-内燃机的增压 增压技术：增加进气密度，以增加进入的空气质量，得到最大的 输出升功率。 一、概述 增压技术萌生于19世纪末！ 在20世纪初得到初步应用和发展！ 20世纪中叶，柴油机的涡轮增压技 术开始大规模地应用，并逐渐推广 到汽油机！ 目前绝大部分的大功率柴油机，半 数以上的车用柴油机以及相当比例 的高性能汽油机均采用了增压技术 。 增压后功率一般可提高40%-60%甚 至更多，经济性也有所提高 1.内燃机的增压方式 按照空气被压缩方式不同， 可分为机械增压、排气涡轮增 压、气波增压、复合增压4种。 31 4-内燃机的增压 Mechanical super charging Exhaust turbo charging with inter cooling Turbo-compound system 32 4-内燃机的增压 33 4-内燃机的增
