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1、发动机原理第三章 发动机的换气过程 发动机的排气过程和进气过程统称为换气过程。换气过程的任务是将气缸内废气排除干净，并充入尽可能多的新鲜气量-在柴油机中是空气；在汽油机中是燃油与空气的混合气（可燃混合气），这是保证发动机动力性的重要条件。燃料在气缸内完全燃烧需要一定量的空气，完全燃烧时汽油与空气的体积比约为 1：10000，而柴油与空气的体积比还要更大一些。由此可见，可燃混合气中燃料所占容积比例很小，所以充入气缸的混合气燃烧放热量的大小，主要取决于充入缸内的空气量多少。每循环进入气缸的空气量多，既可多供给一些燃料，又可以提高燃料的完全燃烧程度。提高发动机的扭矩和功率。此外，换气过程有功率损失使
2、热效率降低。换气过程的好坏对发动机零件的热复合、排气冒烟、大气污染等也有一定影响。为了不断提高发动机性能，必须深入研究换气过程的进行情况，分析影响充气量的各种因素，找出提高充气量和减少换气损失的方向与措施。3.1四行程发动机的换气过程 一、换气过程四行程发动机配气机构均采用气门换气方案，其换气过程是排气门开启到进气门关闭的整个时期，约占曲轴转角 380490。根据气体流动特点和进排气门运动规律，换气过程可分为自由排气、强制排气、惯性排气、准备进气、正常进气和惯性进气六个阶段，如图 3-1 所示。图 3-1 换气过程气缸压力、排气管压力、进排气门流通截面积的变化 (a)气缸压力、排气管压力随曲轴
3、转角 的变化曲线 (b)进排气门相对流通截面积随曲轴转角 的变化曲线(c)四行程发动机进、排气门开闭时间 1. 自由排气阶段从排气门在下止点前开启到活塞行至下止点这个时期称自由排气阶段。该阶段曲轴转过的角度称为排气提前角，一般为 4080轴转角。由于配气机构惯性力的限制，气门开启与关闭不能太快，需要一定时间，如果活塞到下止点时排气门才开始开启，在开启初期开度极小，废气不能通畅流出，气缸内压力下降缓慢，不能实现充分排气，而且在活塞向上止点回行时会形成较大的反压力，增加排气行程所消耗的功。为此，排气门必须在下止点前开启（图 3-1 中 b点），这时气缸废气压力较高，可利用废气自身的压力自行排出。从
4、图 3-1 中可见，此阶段气缸内压力大于排气管压力两倍以上，排气的流动处于超临界状态，读者参考工程热学气体的流动和压缩章节）此时通过排气门口的废气流速，等于该状态下的音速，废气流量只与气缸内的气体状态及气门最小开启截面积有关，而与排气管内压力 p 无关。并且因排气流甚高，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。随着废气大量排出及活塞向下止点移动，气缸内压力迅速下降，当缸内压力与排气管内压力之比下降到 2 以下时，排气流动转入亚临界状态，废气流速降低，产生的噪声较小。此时排出的废气量由缸内及排气管内的压力差来决定。压力差越大排出废气越多。当到某一时刻缸内与排气管内压力相等，自由排
5、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。由此可见，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，在高速发动机中，排气提前角要大一些。但不宜过大，否则会使排气损失加大。由于排气系统阻力的影响，当活塞到下至点 b 时，气缸内压仍高于大气压力。2.强制排气阶段自由排气以后，由于排气门节流的影响，气缸内平均压力与排气管内平均压力之差较小，因此不能再自行流出，而是靠活塞从下止点向上止点移动时的推力强制排出废气，由上行活塞强制推出的这个时期称为强制排气阶段。此阶段虽
6、然持续时间较长，但因缸内废气压力逐渐接近大气压力，故该阶段排除废气只占总气量的一小部分。3.惯性排气阶段从活塞由上止点下行至排气门关闭这个时期称为惯性排气段，该阶段的曲轴角称为排气迟闭角，一般为 1030。强制排气以后，气缸内压力仍稍高于大气压力，如果此时排气门继续保持开启状态，则利用气缸内外的压力差和废气流动惯性可继续排气，所以排气门都在上止点后才关闭，用以延长排气时间以便进一步排除废气。4.准备进气阶段为了增加进气量 ，进气门必须在上止点前，排气尚未结束时就开始开启，以保证活塞下行进气开始时，就有较大的进气通道截面，为进气作好准备，从进气 门开始开启到活塞行至上止点这个时期称为准备进气阶段
7、。该阶段曲轴转过的角度称为进气提前角，一般为 1030曲轴转角。由于进气提前角较小，进气门通道截面也小，再加气缸内残余废气压力高于大气压力，所以在此阶段中新鲜气体一般不能进入气缸。5.正常进气阶段准备进气阶段后，活塞由上止点开始下行，初期由于气缸内残余废气压力 pr 仍高于大气压力 p0 ，新鲜气体不能冲入气缸，只有将残余废气由 r 点膨胀到 r点，使压力由 pr 下降到 pr后，新鲜气体才能冲入气缸。由于进气门早开，此时进气门通道截面已开启较大，所以保证了大量新气进入气缸内，但因进气系统有阻力，所以在活塞移到下止点时，气缸内压力 p 仍低于大气压力。6.惯性进气阶段从活塞由下止点向上行至进气
8、门关闭这个时期称为惯性进气阶段。该阶段中曲轴转过的角度称为进气迟闭角，一般为 4080曲轴转角。在进气过程活塞到下止点的瞬间，进气门口仍有一定的流速，进气门迟闭就可以利用新鲜气体流动惯性和气缸内外压力差，继续进气，所以进气门都在下止点之后才关闭，使冲气量增加。由于排气门迟闭和进气门早开，因此在上止点附近将出现进、排气门同时开启的状态，称为气门重叠或气门叠开，气门叠开时曲轴转过的角度称为气门叠开角或重叠角，一般为 2080曲轴转角。由于气门重叠角小，进气门升起高度不大，且废气又具有一定惯性，所以废气不会倒流入气管中，为此在气门叠开期间因进气管、气缸、排气管连通在一起，可以利用气流的压差和惯性清除
9、残余废气，增加进气量。在换气过程中，由于活塞移动速度不均匀，气门通道截面也时时变化，使气流速度的变化很复杂。同时气缸内压力变化是波动的，进而引起进、排气管内压力变化也是波动的。因此，利用进气管的动态效应可以提高进气量。二、换气损失换气损失由排气损失和进气损失两部分组成，如图 3-2 所示；1 排气损失排气损失是从排气门提前打开，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。它可分为：1） 自由排气损失（图 3-2 中面积 w），是由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。随着排气提前角增大，自由排气损失面积 w 增
10、加，强制排气损失面积 y 减小，如排气提前角减少则强制排气损失面积增加。所以最有利的排气提前应使面积（w+y）之和最小。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。2 进气损失进气损失主要是进气过程中，因进气系统的阻力而引起的功的损失。如图中面积 x 所示。它与排气损失相比相对较小。排气损失与进气损失之和称换气损失，即图中面积(w+y+x)。在实际循环示功图中把面积(x+y-d)相当的负功，称为泵气损失。这部分损失放在机械损失中加以考虑。3.2 充量与充量系数 换气过程常用的评价指标是：循环充量、充量系数和单位时间充量。一、充量 充量即充气量，它表示充入发动机气缸内新鲜气体
11、的质量，常用每循环充量和单位时间充量来表示。1 每循环充量每循环充量是指发动机在每一个循环的进气过程中，实际进入气缸的新鲜气体（空气或可燃混合气）的质量，即循环实际充量，用 G 表示。前已分析，由于排起系统存在阻力，当排气门关闭时，气缸内尚有一部分残余废气存在，所占气缸容积为 vr ，压力为 pr ，温度为 Tr ，则其质量为：(kg) 式中: r 残余废气密度。在准备进气阶段，由于气门开度很小，气缸内残余废气压力又高于大气压力，新鲜气体不能立即进入气缸。只有到正常进气阶段新鲜气体才能进入气缸，直到活塞达下止点后进气门关闭为止，此阶段进入气缸的新鲜气量即为循环充量。在进气门关闭进气终了时，气缸
12、内既有新鲜气体，又有残余气体，所占容量为 v 、压力为 pc 、温度为 Tc ，气缸内气体的总质量为：(kg)则充入气缸的新鲜气体质量为：(3-1)为了衡量残余废气量的多少，引如残余废气系数的概念。残余废气系数是指每循环残留在气缸内的废气质量 与新鲜气体质量 之比，用 表示，即：于是气缸内气体总质量可表示为：(kg)则气缸内新鲜气体的质量又可表示为：(kg) (3-2)2.单位时间充量单位时间充量指每小时进入气缸的新鲜气体的质量，用 Gh 表示，即（kg/h） (3-3)式中: n 发动机转速，r/min；i 气缸数。循环充量增大，则每循环燃烧的燃料便可增多，因此直接影响发动机的平均有效压力和
13、扭矩。而单位时间充量，它决定发电机单位时间燃烧的燃烧量，因而直接影响发动机的功率。循环充量 G 与单位时间充量 Gh 随发动机转速变化的趋势是不同的，如图 3-4 所示。由图可见，如果循环充量 G 保持不变，则转速增高时，单位时间充量将成直线的增加（图中虚线），发动机功率也不会增加。但是，实际上由于进气系统阻力的影响，当转速增高时，循环充量显著减少，而单位时间充量的增加也逐渐变缓。当转速增到某一数值后，循环充量达到最大值，而且在此转速后单位时间充量基本保持一定。这是因为通过气门口的气体流速达到音速时，单位时间充量达到极限的缘故。3.2 充量与充量系数 (双击鼠标自动滚屏) 上一页 下一页二、
14、充量系数发动机在换气过程中，每循环进入气缸的实际充量 G 与进气状态下充满气缸工作容积为 vs ，与在进气状态下充满气缸工作容积的理论充量 G0 的比值，称为充量系数，用 c 表示，即 ：所谓进气状态，是指空气滤清器后进气管内的气体状态。为了测量方便，在非增压发动机上一般都采用当时的大气状态。在增压发动机上采用增压器出口的状态。若大气压力及温度分别为 p0 及 T0 ，气缸工作容积的理论充量 G0 为：(3-5)将式（3-1）、（3-5）代入式（3-4）得：式中: T0 、 p0 大气温度及压力；Tc 、 pc 进气终了时的气体温度及压力；Tr 、 pr 残余废气的温度及压力； c 压缩比；
15、r 残余废气系数。由式(3-6）及（3-7）看出，充量系数与发动机气缸容积无关，因而可用来评价不同排量发动机换气过程的良好程度。 c 值越大，说明每循环实际充量越多，每循环可燃烧的燃料随之增加，因而单位气缸工作容积的有效功和发动机功率，扭矩也越大，则发动机动力性越好，所以希望 c 值高些。一般非增压发动机在全负荷工况工作时， c 值大致范围是：汽油机顶置气门0.750.85侧置气门0.700.80柴油机0.750.90实际内燃机充量系数可用试验方法直接测定。一般试验中，用流量计测出内燃机每小时实际充气量(m 3/h)。而理论充气量由下式算出：(m 3/h)式中: vs 气缸工作容积，L；i 气缸数；n 内燃机转速，r/min 。3.2 充量与充量系数 (双击鼠标自动滚屏) 上一页 下一页三、充量系数与发动机功率、扭矩的关系充量系数与发动机功率、扭矩的关系，可通过下列计算进一步看出，随 c 值的提高，发动机的功率及扭矩都得到提高。如果将发动机的进气过程采用当时的大气状态，其理论充量为：(kg)则每循环的实际充量： (kg)1kg 燃油实际供给的空气量为 at L0 ，实际充量为 G 时应供给的循环供油量为： (kg)式中: at 过量空气系数 ；L0 1kg 燃料完全燃烧所需的理论空气量。则每循环燃油燃烧放出的热量为: (
