发动机原理与汽车理论_第二章发动机的换气过程(2)

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1、1,发动机原理与汽车理论,2,课程内容概述,第一章 发动机原理基础知识 第二章 发动机的换气过程 第三章 汽油机的燃料与燃烧 第四章 柴油机的燃料与燃烧 第五章 燃气发动机的燃料与燃烧 第六章 发动机的特性 第七章 汽车的动力性 第八章 汽车的制动性 第九章 汽车的使用经济性 第十章 汽车的操纵稳定性 第十一章 汽车的舒适性 第十二章 汽车的通过性 第十三章 汽车性能的合理使用,3,第二章 发动机的换气过程,第一节 四冲程发动机的换气过程 第二节 影响换气过程的因素 第三节 换气过程对发动机性能的影响 第四节 改善换气过程的措施 第五节 发动机的进气控制 第六节 发动机的进气增压,4,第三节

2、换气过程对发动机性能影响,充气效率、指示热效率、机械效率三者并称为发动机的三大效率。 一、理论空气量和过量空气系数 二、三大效率与发动机功率和转矩的关系,5,理论空气量和过量空气系数,1理论空气量：指1kg的燃料完全燃烧时所需的最低空气量。(汽油：14.7；柴油:14.5 ) 2过量空气系数：指燃烧1kg燃料实际供给的空气量L与理论空气量L0的比值。,at1 稀混合气； at1 浓混合气； at =1 理论（标准）混合气。,6,三大效率与发动机功率和转矩的关系,式中：K1、K2对一定的发动机为比例常数 。且K2=9550 K1 。 影响发动机动力性指标（Pe和Me）的参数主要有：过量空气系数、

3、充气效率、指示热效率和机械效率。 提高充气效率是提高发动机动力性的重要措施之一。,7,第四节 改善换气过程的措施,一、减小进气阻力 二、减小排气阻力 三、降低进气温度 四、合理选择配气相位,8,一、减小进气阻力,1减小进气门处的阻力系数： 加大进气门直径: 采用多气门结构: 适当增加进气门升程:改进配气凸轮线型； 适当降低活塞运行速度:减小活塞行程。 2减小空气滤清器的阻力系数：定期维护、适时更换。 3减小进气管道的阻力系数：尽可能采用圆形截面、增大进气道尺寸、减小弯道和流通截面变化、采用进气控制系统。,9,二、减小排气阻力,1.减小排气门处的阻力：采用加大排气门升程或多排气门结构。 2.减小

4、排气管道的阻力：应采用渐扩型，保证排出的气体充分膨胀，降低汽缸与排气管内的压力差，使汽缸压力迅速下降。,10,三、降低进气温度,1.在结构布置上，减小进气管受热； 2.加强对冷却系统的维护，防止发动机过热； 3.热空气供给装置。,11,四、合理选择配气相位,1.对配气相位角度的要求 (1)进气迟后角一定，在某一转速下充气效率最高。,12,（2）发动机转速变化时，在较低的转速范围内，采用较小的进气门迟后关闭角，可获得较高的充气效率和有效功率。 （3）改变进气门迟后关闭角度，可改变v和Pe随转速的变化关系，从而改变发动机的速度特性 。,13,2可变配气相位控制系统 （1）本田公司VTEC。,a)低

5、速小负荷时； b)高速大负荷时 1-主凸轮；2-次凸轮；3-次摇臂；4-复位弹簧；5-阻挡活塞；6-同步活塞B；7-同步活塞A；8-正时活塞；9-主摇臂；10-中间摇臂；11-油液,14,（2）大众公司可变进气相位控制系统。,1-正时电磁阀；2-液压缸；3-排气凸轮轴；4-进气凸轮轴；5-正时调节器,15,（3）宝马公司VCC系统。,1-凸轮；2-气门摇臂；3-挺杆；4-气门；5-气门弹簧；6-齿扇；7-偏心轴； 8-中置摇臂轴；9-中置摇臂,16,（4）丰田公司VVTL-i控制系统。,丰田公司VVTL-i控制机构,17,丰田公司进气门升程控制机构 1-进气门；2-摇臂；3-滚轮；4-低速凸轮

6、；5-高速凸轮；6-油道；7-滑销；8-滑块,18,第五节 发动机的进气控制,一、汽油机的进气控制 二、柴油机的进气控制,19,一、汽油机的进气控制,汽油机的进气控制通常采用动力阀式，动力阀式进气控制系统通过控制发动机进气道的空气流通截面大小，来适应发动机不同转速和负荷时的进气量需求，从而改善发动机的动力性。 动力阀式进气控制系统的工作原理如下图：,20,二、柴油机的进气控制,1进气节流控制 （1）直流电动机型进气节流控制系统(图2-14) 。 （2）电控气动型进气节流控制系统 (图2-15)。,21,2进气涡流控制 （1）喷气式进气涡流控制(图2-16) 。 （2）双气道式进气涡流控制(图2

7、-17) 。 （3）气道分隔式进气涡流控制(图2-18) 。 （4）导气屏式进气涡流控制 (图2-19) 。 （5）旁通气道式进气涡流控制 (图2-20) 。 （6）气道转换式进气涡流控制装置 (图2-21) 。,22,23,24,25,26,27,28,一、进气增压的目的及其评价 二、进气增压系统的类型 三、进气增压对发动机的影响 四、进气增压控制,第六节 发动机的进气控制,29,一、进气增压的目的及其评定,1.增压的目的 1)降低发动机的质量、体积和制造成本。 2)提高热效率，降低油耗率。 3)降低排放污染和噪声。 4)可补偿高原功率损失。 5)提高整机使用经济性。 6)改善发动机的特性。

8、,30,2.进气增压的评定指标 增压度：增压后功率的提高量与增压前功率之比。 增压比：增压后的气体压力与增压前的气体压力之比。,31,二、进气增压系统的类型,按增压比的不同，增压发动机可分为： 1）低增压:b1.6 （pme=7001000kPa ）； 2）中增压:1.6b2.5（pme=1000 1500kPa）； 3）高增压:b 2.5（pme=1500kPa以上）。 按增压器装置的结构原理不同，增压发动机可分为： 1）机械增压系统； 2）废气涡轮增压系统； 3）气波增压系统； 4）谐波进气增压系统； 5）复合增压系统。,32,机械增压系统,结构特征：压气机的动力直接来源于发动机曲轴。 特

9、点：对排气系统没有干扰，可用于高排气背压的特殊场合（如水下）；驱动压气机会消耗发动机功率，使机械效率下降和油耗增加；转速变化直接导致压气机流量变化，加速响应性较好。,33,废气涡轮增压,结构特征：涡轮和压气机叶轮同轴，构成涡轮增压器，增压器和发动机之间没有任何机械联系。废气驱动涡轮，带动叶轮，实现进气增压。 特点：利用排气能量，不消耗发动机功率；高速性能优越，低速性能不佳；结构紧凑，工作可靠；废气在涡轮中可以充分膨胀，排气噪声低；由于气体流动回路长，加速响应性能差。,34,汽车发动机上一般装用的是径流式废气涡轮增压器。径流式废气涡轮增压器的结构如图2-24所示，其组成可分为五部分：涡轮机、压气

10、机、支承装置、密封装置、润滑与冷却装置。,废气涡轮增压,35,废气涡轮增压器的涡轮机主要由进气涡壳、喷嘴环、涡轮等组成，其工作原理如图2-25所示。,废气涡轮增压,36,废气涡轮增压器的压气机主要由进气道、叶轮、扩压器和出气涡壳组成，如图2-26所示。,废气涡轮增压,37,废气涡轮增压器的支承装置包括轴承、护板、止推盘等，其作用是使转子轴可靠地定位在中间壳上，并限制转子轴工作时的轴向和径向活动范围。增压器中采用的支承轴承一般为浮动轴承，如图2-27所示。,废气涡轮增压,38,废气涡轮增压主要特点如下： （1）利用废气能量进行增压，有利于改善整机的动力性和经济性。 （2）废气涡轮增压器的出口压力

11、一般为180200kPa，最高可达300kPa。 （3）废气涡轮增压系统的结构简单，工作可靠，增压效果好，增压度可达0.30.5，所以废气涡轮增压应用较广泛。 （4）在非增压发动机上采用废气涡轮增压不需作很大的改装，废气涡轮增压器也适合专业厂家大批量生产，有利于保证较高的质量和较低的成本，对废气涡轮增压的广泛应用也提供了有利条件。 （5）采用废气涡轮增压后，会使发动机的起动性和加速性变差，机械负荷和热负荷增加。,废气涡轮增压,39,1-汽缸；2-中冷器；3-进气管；4-曲轴；5-液力偶合器；6-传动齿轮；7-低压动力涡轮；8-废气涡轮；9-压气机；10-排气管,废气涡轮增压,40,气波增压系统

12、,结构特征：曲轴通过传动带驱动转子旋转，利用高压废气的脉冲气波，使低压空气被压缩、加速，变成高压空气后被压入汽缸。 特点：驱动转子消耗的功率小（1%）；结构简单，加工方便；起到EGR作用，降低排放；但质量、尺寸大。,41,谐波进气增压系统,谐波增压是利用进气管内气流惯性产生的压力波动来实现进气增压。由于增压强度较小，所以应用在汽油机上。,42,组合式增压系统,一种机械增压和废气涡轮增压组合使用。综合了两者的优点，高速时利用涡轮增压，起动时采用机械增压，部分负荷时机械增压贡献大。 另一种在废气涡轮增压基础上，加装一套低压动力涡轮系统。,43,三、进气增压对发动机的影响,1进气增压对柴油机的影响

13、2进气增压对汽油机的影响,44,1进气增压对柴油机的影响,对柴油机的不利影响表现在： 1）机械负荷和热负荷加大：燃烧最高压力和温度提高 2）低速和加速时排气管冒烟： 低速时，由于增压效果较差，供气量不足；加速时，气流惯性作用，压气机供气滞后，都使混合气过浓，排气管冒烟。,45,1进气增压对柴油机的影响,结构上必须采取以下措施： 1）适当调整和改进燃料供给系统 ：保证喷油持续时间不变（如加大喷油泵柱塞直径、加大喷油器喷孔直径、提高喷油压力等）；同时适当减小喷油提前角（抑制燃烧最高压力和温度，降低机械负荷和热负荷）。 2）适当调整配气相位：适当增加气门叠开角，降低发动机热负荷。试验表明：气门叠开角

14、每增加10，活塞的平均温度下降4。 3）适当减小压缩比： 压缩比减小，降低燃烧最高压力和温度。压缩比减小过多，冷起动困难，经济性变差。一般减小12个单位。,46,4）对增压空气冷却：采用中冷器对增压后的空气进行冷却。一方面提高进气密度，使发动机功率提高；另一方面降低进气终了的温度和循环的平均温度，从而降低排气终了温度、热负荷及NOX排量。 5）强化冷却系统：增大机油散热器面积；调整水泵容量、提高水泵转速；增大散热水箱面积，降低机械负荷和热负荷。,47,2进气增压对汽油机的影响,对汽油机的不利影响表现在： （1）爆燃倾向加大：汽油机增压后，由于压缩始点压力和温度升高，促使爆燃发生，必须采取降低压

15、缩比、推迟点火时刻等技术措施。负面影响：热效率下降、排温过高等。 （2）热负荷加大：汽油机的过量空气系数小，其燃烧温度高，排气温度比柴油机高（300），增压后汽油机的整体温度更高；同时，汽油机气门叠开角不大，扫气作用不明显，所以增压后的汽油机在排气门、活塞等处的热负荷均高于柴油机。,48,1增压压力控制系统 （1）旁通阀式增压压力控制（图2-32和图2-33）。 （2）节流阀式增压压力控制（图2-34）。 （3）可调叶片式增压压力控制（图2-35和图2-36 ）。 2增压空气供给量控制,四、进气增压控制,49,1增压压力控制系统,（1）旁通阀式增压压力控制。,50,1增压压力控制系统,（2）节流阀式增压压力控制。,51,1增压压力控制系统,（3）可调叶片式增压压力控制。,52,2增压空气供给量控制,53,本章作业,根据充气效率公式(如下)，分析进气终了压力和温度、排气终了压力和温度、大气压力和温度和配气相位对充气效率的影响。,