第六章 内燃机的换气过程§6.1四冲程内燃机的换气过程§6.2提高充气效率的措施§6.3二冲程内燃机的换气过程6.1 四冲程内燃机的换气过程换气过程－将燃烧产物排出气缸和把新鲜充量充 入气缸的过程主要任务：尽量将燃烧产物排除干净，尽可能多 地充入新鲜充量一、换气过程分析根据换气过程的特征，可将四冲程内燃机的换气 过程分为： （一）自由排气阶段 （二）强制排气阶段 （三）进气阶段 （四）气门重叠和燃烧室扫气（一）自由排气阶段自由排气阶段－自排气门在b′点开启时 至缸内压力p和排气管内 压力pr相等时止，其特 点是利用缸内和排气管 内的压差排气分析：（1）排气门刚开启，超临界流动状态2）排气门流通截面积不断增大，亚临界流动状态 注意：一般情况下，排气门都在下止点前某一曲轴转角 提前开启，称为“排气提前”相应的曲轴转角称为 排气提前角，其范围约在下止点前30～60℃A二）强制排气阶段强制排气阶段－自缸内气体压力和排气 管内气体压力相等时起 至排气门关闭的点r″止 ，其特点是依靠活塞强 制推挤将燃气排除气缸 注意：（1）一般情况下，排气门在上止点后关闭，称为“ 排气延迟”相应的曲轴转角称为排气延迟角，其范 围约在上止点后10～80 ℃A 。
2）排气延迟期间，可以利用排气系统内的气流惯 性从气缸中抽吸废气，但要防止废气倒流入气缸3）废气从气缸向排气管的流动刚停止，倒流还没 有发生的时刻，是排气门关闭的理想时刻三）进气阶段进气阶段－自进气门在点r′开启时起 至点g″关闭时止，其特 点是下行的活塞把充量 吸入气缸注意：（1）一般情况下，进气门在上止点前10～70 ℃A 开 启，称为“进气提前”，相应的曲轴转角称为进气提 前角2）一般情况下，进气门在下止点后30～60 ℃A关 闭，称为“进气延迟”，相应的曲轴转角称为进气延 迟角3）对于某一确定转速，只有一个最佳进气延迟角 ；转速越高，最佳进气延迟角越大四）气门重叠和燃烧室扫气活塞在上止点附近时进排 气门同时开启，称为“气门重 叠”，进气提前角和排气延迟 角的和称为气门重叠角缸内形成的空间就是活塞 在上止点附近形成的燃烧室空 间，也称为燃烧室扫气注意：（1）气门重叠期间，新鲜充量在压力差作用下流入 气缸，与缸内残余废气混合后，部分可以直接进入排 气管；（2）内燃机换气形式不同，气门重叠角的大小也不 同；（3）气门重叠角较大时，应注意避免气门和活塞发 生碰撞二、换气过程的损失和泵气功内燃机的理想循环不考虑换气过程，无任何换气损失 。
内燃机的实际循环中工质必须更换，有换气损失 （一）换气损失换气过程的损失为进气损失和排气损失之和，其 大小主要取决于进、排气系统流动阻力的大小和配气 正时对于增压内燃机还与废气涡轮增压器的匹配有关 1、排气损失从排气门提前开启，到吸气行程开始、气缸内达到或接近 进气管压力之前，这一阶段所损失的功称为排气损失W－自由排气损失，是排气门提前开启引起的膨胀功的减少；X－强制排气损失，是活塞把燃气推出气缸所消耗的功2、进气损失进气过程中缸内气体的压力低于进气管内气体的 压力，损失的功相当于Y所表示的面积，称为进气损 失n进气损失与排气损失的比较（1）进气损失明显小于排气损失2）进气损失不仅体现在进气过程所消耗的功上， 更重要的是体现在进气过程中所吸入新鲜充量的多少 上二）泵气功四冲程内燃机，在进气行程和排气行程中缸内气 体对活塞做功的代数和就称为泵气功l常用平均泵气压力表示泵气功的大小，其定义为：l自然吸气内燃机，泵气功为负l增压内燃机，泵气功为正l二冲程内燃机，泵气功为零泵气功就是示功图下方进、排气曲线所包围的面 积X+Y-U注意：泵气功并不包括全部换气损失三、换气过程的评价参数1、残余燃气系数γr2、补充进气比ξ3、充气效率ηv4、扫气系数φs5、平均进气马赫数M1、残余燃气系数γr残余燃气系数－进气过程结束时，气缸内的残余 燃气质量mr与气缸内的新鲜空气质量之比mL，即2、补充进气比ξ补充进气比－进气门关闭时气缸内的混合气质量 mg与进气过程到下止点时气缸内的混合气质量mg′之 比，即说明：补充进气比表示进气门延迟关闭期间补充进气 对气缸充量的影响。
3、充气效率（或充气系数）ηv充气效率－进气过程结束时，实际进入气缸的新 鲜空气质量mL与在进气状态下能充满气缸工作容积的 新鲜空气质量ms之比，即说明：充气效率是衡量进入气缸充量的多少和换气过 程的完善程度的参数注意：对于非增压内燃机，进气状态取大气状态；对 于增压内燃机，进气状态取增压器或中冷器之后的进 气管状态4、扫气系数φs扫气系数－每循环流经气缸总的空气质量mk与 进气过程结束时实际进入气缸的新鲜空气质量mL之 比，即说明：扫气系数是衡量扫气过程中新鲜空气利用程度 的参数，一般在1.4～2.0之间选取5、平均进气马赫数Maim平均进气马赫数－进气门开启截面Fv处的平均流 速vvm与该处的音速a之比，即式中，Tv－进气门开启截面处的气体温度；Fvte－进气门有效时间截面值式中， Fvte－进气门有效时间截面值；Fvtm－平均有效时间截面值；φ1、φ2－进、排气门开启和关闭时刻，对应的 曲轴转角说明：（1）平均进气马赫数考虑了进气过程的主要影响因 素，是表示进气流动的特征参数2） Maim接近0.5时进气门周 围的流动到达临界状态，进气 总管内产生气流阻塞现象3）为保证进缸充量的数量，一般不允许Maim大于 或等于0.5。
6.2 提高充气效率的措施可知：影响充气效率的主要参数是进气过程到下止点时充量的压力pg′和温度Tg′，残余燃气系数γr和补充进气比ξ相应地提高充气效率的措施主要从四方面着手：（1）降低进气系统的阻力损失，以增加pg′；（2）降低排气系统的阻力损失，以降低γr；（3）减少高温零件在进气过程中对新鲜充量的加热 ，以降低Tg′，提高ρg′；（4）合理利用换气过程的动态效应，提高ξ，以增加 pg′；此外，涡轮增压加中冷技术，也是提高ηv的有效 措施一、降低进气系统流通阻力进气流通阻力包括管道摩擦阻力和局部阻力1）内燃机的流道不长，壁面较光滑，其摩擦阻力 不大；（2）局部阻力是进气系统主要流动损失一）降低进气门处的流动损失1、增大进气门处流通面积2、改善气门和气门座处的气体流动特性 二）减少进气管道和空气滤清器的阻力（1）对于进气总管和支管，应保证其有足够的流通 截面，并合理设计通道型线，避免急转弯和流通截面 积突变而产生阻力2）对空气虑清器，应该在保证虑清效果的前提下 ，尽可能减小流通阻力3）对于增压中冷内燃机，应注意设计流阻低、冷 却效果好的中冷器二、降低排气系统流通阻力降低排气阻力，可以减少换气过程的排气损失， 使缸内残余燃气压力下降，有利于提高充气效率和排 气能量的利用。
三、减少对进气充量的加热新鲜充量在进气过程中，受到受热零件的加热， 使进气终了时的充量温度Tg上升，密度ρg下降，从而 导致充气效率下降1）柴油机均采用进、排气管在气缸盖两侧布置的 方案2）汽油机常采用进、排气管同侧布置方案，但也有 一些高速汽油机，为获得较高的ηv，而采用进、排气 管在气缸盖两侧布置的方案3）增压及中冷不仅可提高内燃机的动力性、经济 性和排放性能，而且还可提高ηv四、合理利用换气过程中的动态效应（一）进排气管中的动态效应（二）可变进、排气系统（三）谐振充气系统（四）可变配气机构（一）进排气管中的动态效应1、进气管中的动态效应2、排气管中的动态效应3、多缸内燃机中的动态效应（二）可变进、排气系统1、可变进气管长度进气系统2、可变进气道截面进气系统3、可变排气道截面排气系统1、可变进气管长度进气系统一个长度固定的进气管，只能在一定的转速范围 内有较好的动态充气效果：较短的进气管，在高速时充气效果较好，较长的 进气管，在低速时充气效果较好可变长度的进气管，可使内燃机在较宽的转速范 围内都有较好的充气效果2、可变进气道截面进气系统低速时，较小的进气道流通截面，使气体流速增 加，有较好的动态充气效果，ηv较高；高速时，较大 的进气道流通截面，使气体的流动阻力减小，ηv也较 高。
3、可变排气道截面排气系统可变节流阀的开启度随汽油机转速而变化，以便 提供最优的流通截面，在气门重叠期间，在排气门处 产生负压，利用惯性清扫燃气，多进新鲜充量，提高 ηv，从而改善怠速稳定性和高速、强化汽油机的低中 速范围内的扭矩特性三）谐振充气系统谐振充气系统是将一组 点火间隔相等的气缸，通过 较短的进气管和谐振箱连接 在一起，在进气波动的频率 和进气系统固有频率相等时 ，取得较好的充气效果注意：（1）为了保证各缸的进气不发生干扰，谐振充气系 统一般要求气缸的点火间隔为240°CA2）对于不可变进气系统，谐振充气只有在很窄的 转速范围内才有较好的充气效果；对于可变进气系统 ，谐振充气可在较大的转速范围内具有较好的充气效 果图（a），两个谐振箱由两个谐振管连接在一起，其中一个谐 振管可以关闭当这个谐振管打开时，谐振管的截面增加，谐 振频率提离图（b），气波充气和谐振充气相结合，在中、低转速时，中 间阀门关闭，进气系统是两个谐振转速较低的谐振充气系统； 在高转速时，阀门打开，进气系统是短进气道的气波充气系统 四）可变配气机构功能：配气机构专门对发动机充量交换过程进行控制 任务：尽量将燃烧产物排除干净，尽可能多地充入新鲜充量。
现象：提前开启、延迟关闭 特性参数：气门开启相位、气门开启持续角度和气门升程 1、可变气门正时可变气门正时：配气相位可以根据转速和负荷的不同进行调节 注意：不能改变气门开启持续时间，只能控制气门提前打开或 推迟关闭的时刻 要求：低速和怠速时，气门重叠角减小，可改善低速转矩表现 ；高速时，气门重叠角增大，可获得较大的峰值功率 例如：宝马公司的双可变配气相位系统（Double Vanos system ） 优点： 结构简单成本低，连续可变 VVT， 改善了整个转速范 围段的转矩输出 缺点：不能。