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1、05aa2,第三章,第一节 四冲程发动机的换气过程 第二节 四冲程发动机的充气效率 第三节 提高发动机充气效率的措施 第四节 二冲程发动机的换气过程 第五节 工程应用实例(文摘),05aa2,第一节 四冲程发动机的换气过程,一、换气过程 二、换气损失与泵气损失,05aa2,一、换气过程,(一)自由排气阶段 (二)强制排气阶段 (三)进气过程 (四)进、排气门早开、晚关，气门重叠和燃烧室扫气,05aa2,一、换气过程,图- 换气过程中气缸压力、排气管压力、 进、排气门流通截面积的变化 )气缸压力、排气管压力随曲轴转角的变化曲线 )进、排气门相对流通截面积随曲轴转角的变化曲线 )气缸压力随气缸容积
2、的变化曲线,05aa2,(一)自由排气阶段,1.超临界状态流动 2.亚临界状态流动,05aa2,1.超临界状态流动,从图-可见，排气门开启是在活塞运动到下止点前(CA)，此时气缸内废气压力较高，约为.，气缸压力与排气管压力之比大于临界值1.9。,05aa2,2.亚临界状态流动,随着气体大量流出，缸内压力迅速下降，气体流速小于声速，转入亚音速流动状态，此时废气流量决定于气缸内和排气管内的压力差。到某一时刻缸内压力与排气管内压力相近时，自由排气阶段结束。自由排气约在下止点后()结束。 自由排气阶段虽然时间不长，因速度高，此阶段排出的废气量达以上。,05aa2,(二)强制排气阶段,此阶段废气被上行活
3、塞推出。因为要克服排气系统阻力，缸内压力略高于排气管内压力约左右。流速越高，压差越大，消耗功亦越多。排气过程一直进行到上止点之后(CA)，排气门才完全关闭。,05aa2,(三)进气过程,为保证活塞下行时进气门有足够的开启面积，新鲜工质可以顺利进入气缸，一般进气门在上止点前40()开始打开，到下死点后()关闭，延续时间为()。,05aa2,(四)进、排气门早开、晚关，气门重叠和燃烧室扫气,1.配气相位 2.气门重叠和燃烧室扫气,05aa2,1.配气相位,图-2 四冲程内燃机配气相位 (外圈表示增压机型),05aa2,2.气门重叠和燃烧室扫气,由于排气门晚关和进气门提前打开，因而存在进、排气门同时
4、开启的现象，称为气门重叠。在气门重叠开启期内，可利用气流压差和惯性清除残余废气，增加新鲜充量。特别是增压发动机，由于进气压力高和较长的气门重叠时间，可以更好地利用新鲜充量来帮助清除废气和降低燃烧室热区零件的温度，称为燃烧室扫气。,05aa2,二、换气损失与泵气损失,1.排气损失 2.进气损失x 3.泵气损失,05aa2,1.排气损失,(1)自由排气损失w 因排气门早开，排气压力线从点开始离开理想循环的膨胀线引起膨胀功的损失。 (2)强制排气损失y 它是活塞将废气推出所消耗的功。,05aa2,2.进气损失x,进气损失是由于进气系统阻力的存在，使进气过程气缸压力低于进气管压力造成的损失，进气损失比
5、排气损失要小。,05aa2,3.泵气损失,图-3 四冲程发动机换气损失 )非增压发动机 )增压发动机 注：w自由排气损失 强迫排气损失 进气损失 w换气损失 泵气损失,05aa2,第二节 四冲程发动机的充气效率,一、充气效率 二、影响充气效率的因素及其分析,05aa2,一、充气效率,充气效率是评价发动机换气过程完善程度的指标。 充气效率是实际进入气缸的新鲜充量与进气状态下充满气缸工作容积的新鲜充量之比。,05aa2,二、影响充气效率的因素及其分析,(一)充气效率的表达式 (二)影响充气效率的因素,05aa2,(一)充气效率的表达式,1)进气门关闭时缸内气体的总质量 2)在排气门关闭时缸内残余废
6、气的质量 3)充入气缸新鲜充量的质量,05aa2,(二)影响充气效率的因素,1.进气终了状态压力的影响 2.进气终了温度的影响 3.残余废气系数 4.配气相位的影响 5.压缩比的影响,05aa2,1.进气终了状态压力的影响,图-4 不同节气门开度、不同转速时的进气终了气体压力,05aa2,1.进气终了状态压力的影响,图-5 三种国产发动机充气 效率随转速的变化关系 1495型柴油机 2CA-型越野 汽车汽油机 3CA-72型小客车汽油机,05aa2,2.进气终了温度的影响,转速和负荷都对有影响，在负荷不变时，转速越高，工质被加热的时间缩短，降低。在转速不变时，负荷加大，缸壁温度升高，提高。,0
7、5aa2,3.残余废气系数,气缸中残余废气增加，使降低，燃烧恶化，燃油消耗率高，排放差。排气系统阻力大，废气流动困难，使得排气压力提高，残余废气增加，充气效率降低。,05aa2,4.配气相位的影响,配气相位的影响主要是进气门迟闭角的变化，迟闭角增加，会使新鲜充气量的容积减小，但是，却可能因为新鲜充气量的惯性进气而增加。应该选择合适的配气定时，使具有最大值。,05aa2,5.压缩比的影响,提高压缩比，使气缸余隙减小，残余废气量减少，从而提高。,05aa2,第三节 提高发动机充气效率的措施,一、减少进气系统的流动损失 二、减小对新鲜充量的加热 三、减小排气系统的阻力 四、合理地选择配气相位,05a
8、a2,一、减少进气系统的流动损失,(一)减少进气门座处的流动损失。 (二)减小整个进气管道的流动阻力,05aa2,(一)减少进气门座处的流动损失。,1.增大进气门直径，选择合适的排气门直径 2.增加气门的数目 3.改善进气门处流体动力性能，减少气门处流动损失 4.采取较小的值(短行程),05aa2,1.增大进气门直径，选择合适的排气门直径,图-6 充气效率与平均进气马赫数的关系 )发动机、缸() )发动机、1缸、.() L1，L2、及S1，S2为不同进气门角度、面积值,05aa2,2.增加气门的数目,图-7 气门数对平均有效压力的影响,05aa2,3.改善进气门处流体动力性能，减少气门处流动损
9、失,图-8 S对的影响,05aa2,(二)减小整个进气管道的流动阻力,1.进气道 2.进气管 3.空气滤清器 4.化油器,05aa2,1.进气道,气缸盖内的进气道形状复杂，因受气门导管凸台的影响，使截面形状急剧变化，进气阻力较大。对进气道除考虑尽量减小阻力外，还要保证进气道的形状能够使新鲜充量在气缸内形成涡流，以利于混和气的形成和燃烧。减小阻力和形成进气涡流二者是矛盾的，同时满足十分困难。,05aa2,2.进气管,进气管应有足够的流通截面，表面光洁，避免急转弯和流通截面的突然变化。汽油机为了保证燃料的雾化和蒸发，需保证进气有较高的流速，同时为满足车用汽油机经常在低负荷下工作，常需将进气管做得较
10、小。多缸机中，进气歧管的结构与布局对充气效率及充量均匀分配有较大的影响，应给予注意。,05aa2,3.空气滤清器,空气滤清器的阻力，随结构而不同。另外阻力的大小也随着使用时间的延长而加大。微孔纸质滤芯原始阻力最小，但积尘后，阻力增长较快。油浴式空气滤清器阻力较大，使用中要注意清洗。空气滤清器上有报警指示器，当滤芯积尘，阻力过大时，指示灯发亮。,05aa2,4.化油器,化油器喉管截面较小，使进气阻力增加，但是这有利于燃料的雾化，二者是相互矛盾的，为解决这个问题，往往采用多喉管式化油器，这既能减小流动阻力，又利于燃料的雾化。另外，增压发动机应尽量减小中冷器的流动阻力。,05aa2,二、减小对新鲜充
11、量的加热,对新鲜充量的加热和很多因素有关，其中大部分属于运转因素。凡能降低活塞、气门等热区零件的温度和减小接触面积的措施都有利于减小对新鲜充量的加热。增压发动机的燃烧室扫气、油冷活塞以及柴油机进、排气管分别置于缸盖两侧，都是有利措施。,05aa2,三、减小排气系统的阻力,减小排气系统中排气门座、排气道、排气管、消音器的阻力，对降低排气压力、减少残余废气系数均有利。减少排气系统的阻力虽然效果不如减小进气系统阻力那么有效，但设计中仍需给予注意。,05aa2,四、合理地选择配气相位,(一)进气门迟闭角 (二)进、排气门重叠角 (三)排气提前角 (四)配气相位的选择,05aa2,四、合理地选择配气相位
12、,图-9 进气门迟闭角对和的影响,05aa2,(一)进气门迟闭角,进气门迟闭角是利用气流的过后充气现象来增加每循环气缸充量的。当发动机转速较低(Ma较小)时，进气门迟闭角不能过大，否则新鲜充量被向上止点运动的活塞推回到进气管，这是因为活塞到下止点时，缸内压力与进气管压力相近。,05aa2,(二)进、排气门重叠角,高速非增压柴油机进、排气门重叠角一般在。试验表明，重叠角在以下，基本没有燃烧室扫气作用。有重叠角比无重叠角时充气效率高，这是由于进气门早开，排气门晚关，使进气初期和排气后期的节流损失减小的缘故。,05aa2,(三)排气提前角,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
13、气门，以加大膨胀比，提高热效率。,05aa2,(四)配气相位的选择,1)充气效率高，以保证发动机的动力性能。 2)必要的燃烧室扫气，以保证降低高温零件的热负荷，使发动机运行可靠。 3)合适的排气温度。 4)良好的充气效率特性()，以适应转矩特性的要求。 5)较小的换气损失，以保证发动机的经济性。,05aa2,第四节 二冲程发动机的换气过程,一、换气过程和示功图 二、二冲程发动机换气系统的基本类型 三、换气质量的评价 四、二冲程发动机主要换气系数的选择,05aa2,一、换气过程和示功图,(1)曲轴箱扫气 用曲轴箱扫气在活塞下行时，其反面压缩新鲜充量，起扫气泵的作用，扫气压力可达。 (2)采用单独
14、的扫气泵 这种方法大多数采用转子泵或离心泵，由发动机驱动。 (3)利用废气涡轮增压 这种方式的扫气压力为，甚至更高些。,05aa2,(1)曲轴箱扫气,用曲轴箱扫气在活塞下行时，其反面压缩新鲜充量，起扫气泵的作用，扫气压力可达。,05aa2,(2)采用单独的扫气泵,图-0 二冲程发动机示功图,05aa2,(3)利用废气涡轮增压,1)二冲程发动机换气过程经历()，仅为四冲程发动机换气过程时间的左右。 2)扫气消耗功大。 3)二冲程汽油机的排放高。,05aa2,二、二冲程发动机换气系统的基本类型,(1)横流扫气 如图-所示，这种类型的扫气口和排气口布置在气缸圆周的两对面。 (2)回流扫气 如图-所示
15、，此类型的扫气口与排气口位于气缸同侧。 (3)直流扫气 如图-所示，这种气口气门的换气方式，其特点是扫气气流沿气缸轴线运动，换气品质最好。,05aa2,(2)回流扫气,图-2 回流扫气,05aa2,(3)直流扫气,图-3 直流扫气,05aa2,三、换气质量的评价,1.扫气效率 2.过量扫气系数,05aa2,1.扫气效率,换气后留在气缸内新鲜充量之质量换气后留在气缸内气体总质量 是衡量扫气效果优劣的主要指标。越大，扫气效果越好，极限情况是，此时，意味着完全扫气，没有残余废气。,05aa2,2.过量扫气系数,图-4 各种扫气形成的扫气效率 1完全扫气 2直流扫气 3回流扫气 4横流扫气,05aa2,四、二冲程发动机主要换气系数的选择,1.扫气空气压力 2.过量扫气系数 3.扫气效率,05aa2,1.扫气空气压力,提高扫气压力，会提高压缩始点压力，平均指示压力也会增加。同时，可以降低扫气口的高度，减少行程损失。在直流扫气方案中存在一个最佳值。不同类型柴油机的大致范围如下：大功率低速船
