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1、第二章 内燃机的换气过程,主要内容：四冲程内燃机的充气过程、充气效率；充气效率的影响因素以及提高的措施等内容。 重 点：换气过程、配气定时和影响充气系数因素及提高措施。 难 点：提高充气效率的措施。,换气过程：内燃机更换气缸内工质的过程，即气缸内排出废气和充入新鲜充量的整个阶段，统称为换气过程。 换气过程的质量对内燃机动力性、经济性和排放指标有重要的影响。,第一节 四冲程内燃机的换气过程,一、换气过程 包括从上一循环排气门开启直到下一循环进气门关闭的整个时间，约占410480CA。 根据气流的特点，换气过程可分为自由排气、强制排气、进气和燃烧室扫气4个阶段进行研究。,a)汽缸压力p、排气管压力
2、pr随曲轴转角的变化情况 b）进排气门相对流通截面积随曲轴转角的变化曲线 c）汽缸压力随汽缸容积的变化曲线,1.自由排气阶段 排气门打开， p pr p = pr 靠缸内压力将气体挤出气缸，其中p缸内压力, pr 排气管内压力。 占排出废气量的60%以上。,（1）超临界状态,废气以当地声速 C 流出。,通过排气门口废气的流速等于该状态下的声速（m/s）,废气流量与排气管内压力pr无关，只与气缸内的气体状态及气门开启截面积有关。,式中 K绝热指数； T气体的绝对温度； R气体常数Nm/（kgK）。,伴有刺耳的噪声，排气系统有消声器。,（2）亚临界状态,废气量决定于缸内及排气管内的压力差。,自由排
3、气结束：下止点后1030 ，占排气时间1/3，但流速高，60%多的废气排出。排气提前角30 80 。,为了利用高速气流的惯性排气。 设置排气迟闭角，一般为1035曲轴转角。,2 强制排气阶段：活塞上行强制推出废气。,正常进气 ：活塞下行残余废气膨胀，新鲜气体充入气缸。,惯性进气。进气迟闭角：一般为4070曲轴转角。,准备进气。进气提前角：一般为040曲轴转角。,3 进气过程,4 气门叠开和燃烧室扫气 气门叠角：由于内燃机配气定时，排气门在上止点后迟闭和进气门在上止点前开启，因此在上止点前后存在进排气门同时开着的现象。,气阀叠开角： 非增压：2060 CA。 太大（引起） 废气回流进气道。 太小
4、 扫气作用不明显。 增压：110140 CA。 进气管p, 扫气明显, 气阀叠开角可以增大很多。如6135型柴油机：非增压：40, 增压：124。,扫气的作用： 1 清除废气, 增加气缸内的新鲜充量。 2 降低排气温度。 3 降低热负荷最严重处（如气阀、活塞等）的温度。但注意不应产生废气倒流现象。,二、换气损失和泵气损失 换气损失：理论循环换气功与实际循环换气功之差。 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，废气开始排出，直到进气行程开始，气缸内压力达到进气管内压力前，这段过程所损失的循环功。它又可分为两部分：,（1）自由排气损失：排气门提前打开而引起的膨胀功的减少。
5、（2）强制排气损失：活塞推出废气所消耗的功。,随着排气提前角的增大，自由排气损失面积w增加，而强制排气损失面积x减少，因而最有利的排气提前角应使面积（w+x）为最小！ a-最合适 b-过早 c-过晚 d-排气门面积过小,因此，减少排气损失的措施是： 减小排气系统阻力 及排气门处的流动损失。 其中排气消声系统的结构及布置对排气阻力影响最大。,进气损失：因进气系统的阻力而引起的功的损失。,2进气损失,三、进、排气相位角及对性能影响,（一） 配气相位角：进排气门相对于上下止点早开、晚关的角度 （1）排气提前角eo 使废气排出通畅。 最佳值：排气损失最小。 转速相同自由排气时间所对应的转角 eo。 （
6、2）排气晚关角ec 惯性排气 最佳值：缸内压力接近排气门背压时关闭。 ec惯性利用不足，ec废气倒流。nec （3）进气提前角ao: ao回火，ao进气不足 （4）进气晚关角ac: 最佳：缸压接近进气门背压。 nac。,（二）气门叠开角,（1）非增压汽油机 对早开较敏感，因废气倒流回火，负荷愈小，真空度愈大，回火，则叠开角小些，约为040。 （2）非增压柴油机 无回火现象，可大些，约为060。 （3）增压柴油机 进气压力高于排气背压，扫气作用， 80160。 废气排出干净，冷却高温机件，热负荷降低。,第二章 作业1,1.什么是换气过程，据图说明其换气过程的4个阶段。 2.画出换气损失示功图，说
7、明换气损失的组成？,第二节 四冲程内燃机的充气效率,一、充气效率 （一）定义 由于有进气阻力等因素的影响, 实际进入气缸中的新鲜充量必然小于理论上进气状态下充满工作容积的新鲜充量。二者之比称为充气效率, 即,进气状态： 非增压，大气状态；增压，增压器出口状态。,严格地说，充气效率应为,更合理。这样，在后面将要讲到的大气修正中，不同的压力和温度下进气量的比值就等于其充气效率之比,值高，代表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。,（二） 实际测量 实际发动机充气效率可直接测定，用流量计测出发动机每小时实际充气量 ,理论充其量 由下式计算,充气效率是衡量换气过程
8、进行的完善程度的重要指标。,二、充气效率的分析式 充入气缸的新鲜充量 = 缸内气体的总质量缸内残余废气质量 （一） 进气门关闭时缸内气体的总质量 其中 余隙容积； 进气门关闭时缸内工作容积； 进气终了缸内气体密度。,（二） 排气门关闭时缸内残余废气的质量 其中 排气门关闭时缸内容积； 排气门关闭时缸内残余废气密度。 （三） 充入气缸的新鲜充量 其中 进气状态下气体密度。,（四） 充气效率的分析式,其中,压缩比；,有效压缩比；,考虑到进排气门迟闭角的影响，令 则充气效率表达为： 将气体状态方程 代入，得：,残余废气系数：指进气过程结束时气缸内残余废气量与气缸中新鲜充量的比值。,第三节 影响充气效
9、率的各种因素,一 、进气终了压力Pa （一） 进气阻力 ：由于进气系统的阻力而引起气体流动时的压降。, , ,管道阻力系数； 进气状态下气体的密度（kg/m3）； v管道内气体流速（m/s）。,以汽车下坡为例,二 、进气终了温度 （一） 转速 负荷一定：n 综合 、 的影响， n 。 （二） 负荷 转速一定：负荷 热负荷 柴油机：进、排气管分置。 避免排气管对进气管加热，使 汽油机：进、排气管同置。 虽然 ，但燃油受热蒸发快，可以改善混合气形成。,三、压缩比与残余废气系数 残余废气量 排气门处的阻力 ，所以 n 低负荷 节气门开度 新鲜充量 四、配气定时 由于进气门迟闭，导致减少新鲜充量的容积
10、，使1。但实际上Pa值却可能因气流惯性而进气有所增加，因而合适的进气配气定时应使Pa具有最大值。,五、进气（大气）状态 Ps Pa，且Ps/ Pa基本不变，对充气效率影响不大。 实际上：Ts升高，Ps下降，均使s减少，即进气量减少。反之，进气量增加。,第四节 提高充气效率的措施,进气系统：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、进气道和进气门等所组成。,一、减少进气系统的阻力,1.时面值,（一）、进气门,气门开启断面与对应开启时间的乘积。,在时间微元dt内通过气门的气体流量为,整个开启时间的气体流量,在整个进气系统中，进气门处的流通截面积最小且截面变化最大，因此，增大此处的
11、流通能力并减小流动损失，一直是人们关注的重点。,称为气门的时面值，,它表示气体流过气门的通过能力。,称为气门的角面值。,特定发动机中，角面值一般不随转速而变化。,2. 进气马赫数,反映流动对充气效率的影响，是分析充气效率的一个特征数。,（1）采用多气门机构； （2）减小活塞平均速度 短行程发动机可n的理论依据； （3）改善气门处的气体流动， 提高流量系数； （4）合理的配气相位等。,进气门直径增大,扩大气流通路截面积，v提高。 双气门（一进一排）：进气门直径可达活塞直径的45%50%，面积占活塞面积的20%25%，进气门比排气门大15%20%。 受结构限制，进一步增大比例已很困难。 采用多气门
12、（35个）机构。4气门，进气门总面积达活塞面积的30%， 4气门与2气门比v Ttq ，且M远小于0.5，n标定Pe Ne可70% Ttq可30% 。 故四气门机构是汽车发电机高功率化的有力措施。,3.气门直径和气门数,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2进2排结构，缸径小于80mm时采用3进2排结构，可获得最大开启面积，进气体积流量可大幅度增加。,多气门结构 ：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。,对小排量发动机5气门进气面积更大，且气门机构惯量小。 多气门方案：火花塞或喷油器可布置在气缸中心线上，有利于提高压缩比（汽
13、油机）或混合气形成质量（柴油机）；可减小系统运动件质量以适应转速提高的要求；两个以上进气门还适于灵活控制进气涡流，有利于燃烧和排放控制。 多气门结构复杂，顶置凸轮结构使发动机总高度增加。 利大于弊，近代继汽油机之后，柴油机选用该结构也日益增多。,气门升程增加、改进凸轮型线、减小运动件质量、增加零件刚度，在惯性力允许条件下使气门开闭尽可能快，以增大时面值，提高充气效率。,4.气门升程,五气门（3）,5.减少气门处的流动损失,应注意改善气门处流体动力性能，如气门头部到杆身的过度形状，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。,基本要求： 保证足够的流通面积，避免急转弯及截面突变，
14、改善表面的光洁程度。 汽油机：进气管应考虑燃料的雾化、蒸发、分配、压力波的利用等。 柴油机：进气道形成进气涡流。 高转速、大功率时，进气管宜短粗； 中、低速经济性考虑，进气管宜细长。,（二）、进气道和进气管,一） 进气管 1 表面光洁度和流通面积 表面光洁度，流通面积 沿程阻力 2 转弯和节流阻力 转弯半径R，截面突变 3 截面形状 考虑汽油机的雾化，蒸发，则 管壁面积 沉积 蒸发 混合气分配不均匀 截面形状 圆形 矩形 D形 流动阻力 小 大 中 底部蒸发 小 中 大 柴油机不存在底部蒸发问题，故多采用流动阻力小的圆形进气管。,二） 进气道 转弯半径R，表面光洁度 ，各管口与垫片孔口对中 流
15、动阻力 设计时还要考虑组织进气涡流，以改善混合气形成和燃烧。欲得到高速高功率进气管道直径宜选的大些，中低速需考虑经济性，进气管道直径宜选小些，故必须根据需要协调处理。,（三）、空气滤清器 空气滤清器阻力随结构而不同，他必须在保证滤清效果的前提下尽可能减少阻力，例如，可以加大通过面积、改进性能、创制低阻高效的滤清器。使用中要经常清洗，及时更换。 通道面积，除尘效果 流动阻力 ,二、合理选择配气定时,合理选择配气定时，保证最好的充气效果，改善发动机性能，是非常重要的问题。包括： （一） 进气迟闭角 （二）排气提前角 （三）气门叠开角,进气迟闭角一定时，,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。,（一）进气迟闭角,高转速发动机其进气迟闭角大。 改变进气迟闭角可以改变,进气迟闭角增大：,最大值下降。,最大值对应的转速增加;,随转速变化,的趋向，调整发动机扭矩曲
