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1、第二章发动机的换气过程,一、四冲程发动机的换气过程,1. 换气过程分为自由排气、强制排气、进气和气门叠开四个阶段1） 自由排气阶段从排气门打开到气缸压力接近了排气管压力的这个时期，称为自由排气阶段。到某一时刻，气缸内和排气管内的压力接近，则自由排气阶段结束。当排气门开启，废气涌向排气管时，排气管压力急剧上升，产生正压力波并在管内往复传播和反射。,1.换气过程,四冲程发动机的换气过程,从排气门开始打开到下止点这段曲轴转角，称为排气提前角，一般为3080曲轴转角。自由排气约在下止点后1030曲轴转角结束，由于此阶段废气流速很高，故排出废气量达60%以上。,2) 强制排气阶段,此阶段废气是由上行活塞
2、强制推出。由于要克服排气门、排气道处的阻力，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。气流的速度愈高，此压差愈大，耗功愈多。为了利用高速气流的惯性排除废气，排气门是在活塞过了上止点后才关闭。从上止点到排气门完全关闭这段曲轴转角，称为排气迟闭角，一般为1035曲轴转角。,3) 进气过程,进气门是在上止点前开始打开，以保证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。一般进气门提前开启角为上止点前040曲轴转角。进气门也必须在下止点后才关闭，因为需要利用高速气流的惯性，在下止点后继续充气，以增加进气量。一般进气门迟闭角为下止点后4070曲轴转角。,1.换气过程,四冲程
3、发动机的换气过程,4) 气门叠开,1.换气过程,四冲程发动机的换气过程,由于排气门的迟后关闭和进气门的提前开启，存在进、排气门同时开着的现象，称为气门叠开，此时，进气管、气缸、排气管互相连通，可以利用气流的压差、惯性或进、排气管压力波的帮助，清除残余废气，增加进气量，降低高温零件的温度，但注意不应产生废气倒流现象。在增压发动机中，因其进气压力高，可以有较大的气门叠开角。在非增压发动机中，叠开角一般为080曲轴转角，增压柴油机可达80160曲轴转角。,发动机类型不同，所占的曲轴转角也个不相同，一般是由以往的产品及试验决定的。,(1) 自由排气阶段 A排开 p p p = p 靠缸内压力将气体挤出
4、气缸，其中p缸内压力, p排气管内压力。 (2) 强制排气阶段 Bp = p p p 靠活塞上行将废气挤出气缸。 (3) 超临界排气 C排开 p = 1.9 p 在气阀最小截面处, 气体流速等于该地音速 m/s。其流量与压差 （p - p）无关, 只决定于排气阀开启面积和气体状态。 (4) 亚临界排气 Dp = 1.9 p 排闭。其流量取决于压差 （p - p）。,1.换气过程,四冲程发动机的换气过程,2.换气损失,换气损失是由排气损失和进气损失两部分组成。1）排气损失从排气门提前打开直到进气行程开始，缸内压力到达大气压力前循环功的损失，称为排气损失。它可分为：自由排气损失，它是因排气门提前打
5、开，排气压力线偏离理想循环膨胀线，引起膨胀功的减少。强制排气损失，它是活塞将废气推出所消耗的功。减小排气系统阻力及排气门处的流动损失，是降低排气损失的主要方法。,四冲程发动机的换气过程,随着排气提前角增大，自由排气损失面积增加，强制排气损失面积减小，如图中b曲线，如排气提前角减少则强制排气损失面积增加，如图中c曲线。所以最有利的排气提前角应使面积（W+Y）之和最小。,2.换气损失,四冲程发动机的换气过程,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.换气损失,四冲程发动机的换气过程,2 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而产生的损失。与排气
6、损失相比，它相对较小。如图所示，排气损失与进气损失之和称为换气损失，由面积(Y+X+W)所示。在实际示功图中，将面积(Y+X-d)所表示的负功为泵气损失。,二、四行程发动机的充气效率,充气效率v是实际进入气缸的新鲜工质量与进气状态下充满气缸工作容积的新鲜工质量的比值充气效率越大，表明发动机换气质量越好，残留于气缸内的废气越少。每循环进入一定气缸容积的新鲜工质量多，则发动机功率和扭矩可增加，动力性能好。,式中m1、V1实际进入气缸的新鲜工质的质量、体积(进气状态)；ms、Vs 进气状态下充满工作容积的新鲜工质的质量、气缸工作容积。,1.充气效率的概念,实际发动机充气效率可直接测定，用流量计测出发
7、动机每小时实际充气量(m3/h)，理论充气量V(m3/h)由下面的公式算出,式中 vs 气缸工作容积(L)；i气缸数；n发动机转速(r/min)。,四行程发动机的充气效率,1. 充气效率的概念,2. 影响充气效率的因素,影响充气效率的因素有：进气(或大气)的状态、进气终了的气缸压力和温度、残余废气系数、压缩比及气门正时等。1）进气终了的压力Pa进气终了的压力越高，充气效率越大。,四行程发动机的充气效率,2. 影响充气效率的因素,四行程发动机的充气效率,对汽油机来讲：节气门开度直接影响Pa值，当节气门开度变小， Pa不仅下降，且随转速的增加而下降的越快。当节气门开度一定时，转速增加Pa下降，充气
8、效率下降。 Pa主要取决于进气管的阻力系数和气体流速。 2）进气终了温度Ta 进气终了温度高于进气状态温度。引起Ta升高的原因是：1)新鲜工质进入发动机与高温零件接触而被加热。2)新鲜工质与高温残余废气混合而被加热。解决方法是，对于增压发动机采用进气中冷；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。,2. 影响充气效率的因素,3）残余废气系数,四行程发动机的充气效率,气缸中残余废气增多，不仅使v下降，而且使燃烧恶化。特别是在汽油机低负荷运转时，因节气门关小，新鲜充量减少，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
9、差。排气终了时，排气管内废气的压力高，说明残余废气密度大，上升。与进气过程同理，Pr主要决定于排气系统各段管路的阻力和气体流速，转速增高则Pr增加。,2. 影响充气效率的因素,四行程发动机的充气效率,4）配气正时合理的配气定时可增加v 。由于进气门迟闭而使1，新鲜充量的容积减小，但Pa值却可能因有气流惯性而使进气有所增加，合适的配气定时应考虑Pa具有最大值。 5）压缩比压缩比增加，压缩面积减小，残余废气量随之减少，因而v有所增加。 6）进气(或大气)状态进气或大气压力高，Pa也随之增加，新鲜工质密度增大，虽然变化v不大，但实际进气量增多。同理，进气或大气温度降低，Ta也随之有所下降，工质密度增
10、大，实际进气量亦增多。,三、减少进气系统的阻力,进气门在整个进气系统中，进气门处的流通截面最小且截面变化最大，因此，增大此处的流通能力并减少流动损失，一直是人们关注的重点。,非增压四行程发动机的进气系统，是由空气滤清器或加进气消声器、化油器或喷油器、节气门、进气管、进气道和进气门组成；减少各段通路的阻力，增大其流通能力，可以提高充气效率。,气门开启的三个阶段简图,三、减少进气系统的阻力,1）时面值表示气门的通过能力；与气门的形状和气门升程有关；随转速的增加，时面值变小。,为气门的时面值,dt时间内气门 的开启截面积,曲轴转角,右图给出的是角面值，不随转速变化，而时面值随速度增加而减小。,进气马
11、赫数Ma是进气门处气体的平均速度Vm与该处声速c的比值(MaVm/c)。它能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Vm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。根据一系列试验可知，在正常的配气条件下，当Ma超过一定数值(0.5左右)时，便v急剧下降，如下图所示。当v急剧下降后，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。因此，必须注意控制Ma值。解决办法：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Ma值、提高v的有效方法，这对于高速发动机尤为重要。,2）进气马赫数,减少进气系统的阻力,充气效率与平
12、均进气马赫数的关系图,2）进气马赫数,减少进气系统的阻力,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，提高效率。在双气门(一进排)结构中，进气阀盘直径可达活塞直径的45%-50%，气门与活塞面积之比为0.2-0.25，进气门比排气门一般大15%-20%，但由于受到结构限制，进一步增大比例已很困难。为了进一步增大进气门流通截面，采用了多气门结构，如下图所示。根据优化气门数和进气门开启面积的关系可知，缸径大于80mm时，采用二进二排结构；缸径小于80mm时，采用三进二排结构，可获得最大开启面积，进气体积流量可大幅度增加。由此可知，四气门机与二气门机相比，功率可提高70%，扭矩可提
13、高30%，且响应性比增压机好，故是汽车发动机高功率化的有力措施。,减少进气系统的阻力,气门数与进气门开启面积的关系,另外，多气门机构还具有易实现可变技术，改善低速、低负荷性能；布置紧凑燃烧室，火花塞(或喷油嘴)放置在燃烧室中央，从而改善燃烧，减小运动件质量，利于高速化等优点。因此，国外轿车3/4以上均采用多气门机构。,3） 气门直径和气门数,减少进气系统的阻力,四气门机与二气门机相比，功率可提高70%，扭矩可提高30%，且响应性比增压机好，故是汽车发动机高功率化的有力措施。,3） 气门直径和气门数,减少进气系统的阻力,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
14、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L/d取0.26-0.28。,4） 气门升程,减少进气系统的阻力,应注意改善气门处流体动力性能，如气门头部到杆身的过渡形状，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。下图给出综合提高气门处流通能力的措施。,5）减少气门处的流动损失,减少进气系统的阻力,2. 进气管和进气道,减少进气系统的阻力,进气道和进气管必须保证足够的流通面积，避免转弯及截面突变，改善管道表面的光洁程度等，以减小阻力，提高效率。为此，在高性能的汽油机上采用了直线型进气系统。在直线化的同时，还应合理设计气道节流和进气管长度，布置
15、适当的稳压腔容积等，以期达到高转速、高功率的目的。发动机除要求动力性外，还必须有好的经济性和排放性能。在汽油机上，进气管还必须考虑燃料的雾化、蒸发、分配以及压力波的利用等问题。在柴油机上，还要求气流通过进气道在气缸中形成进气涡流，以改善混合气形成和燃烧。,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，改进滤清器性能，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。,3.空气滤清器,减少进气系统的阻力,四、 合理选择配气定时,合理选择配气定时，可以保证最好的充气效果，改善发动机性能。在进、排气门开闭的四个时期中，进气门迟闭角的改变
16、，对充气效率影响最大。 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。确定配气定时，一般要在实机上经过反复比较试验，最后找出合适的方案。,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。,由于间歇进、排气，进、排气管存在压力波，在用特定的进气管条件下，可以利用此压力波来提高进气门关闭前的进气压力，增大充气效率，这就称之为动态效应。动态效应一般分为惯性效应与波动效应两类。,1.进气管的惯性效应,在发动机进气过程中，活塞的下行运动导致在进气管传出负压波。当负压波在进气管的开口端反射，形成正压波，向气缸传递。在一定的条件下（如一定的转速、进气管长度等），这种正压波可以使发动机进气过程即将结束进气门关闭前夕，进气门处的压力高于正常的进气压力，从而增加发动机的进气量，提高充气效率。,五、 进气管的动态效应,1. 进气管的惯性效应,
