《《内燃机的换气过程》PPT课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《内燃机的换气过程》PPT课件（96页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第四章内燃机的换气过程第一节四冲程内燃机的换气过程第二节四冲程内燃机的换气损失第三节提高内燃机充量系数的措施第四节内燃机的增压第五节二冲程内燃机的换气第一节四冲程内燃机的换气过程一、排气过程二、进气过程三、气门叠开和燃烧室扫气过程第一节四冲程内燃机的换气过程图4-1四冲程内燃机换气过程的示意图a) 配气相位与低压p-V示功图b) 气门升程与p-示功图IVO进气门开启角IVC进气门关闭角EVO排气门开启角EVC排气门关闭角余隙容积气缸工作容积一、排气过程由于受配气机构及其运动规律的限制，排气门不可能瞬时完全打开。在排气门开启的最初一段时间(曲轴转角)内，气门升程小，排气流通截面积小，废气排出的流
2、量小。如果排气门刚好在膨胀行程的下止点才开始打开，则由于排气不畅造成气缸压力下降迟缓，活塞在向上止点运动强制排气时，将增加排气冲程所消耗的活塞推出功。所以内燃机的排气门都在膨胀行程到达下止点前的某一曲轴转角位置提前开启，这一角度称为排气提前角。排气提前角的范围为3080(CA)，视发动机的工作方式、转速、增压与否而定，一般汽油机的排气提前角小些，柴油机的大些，增压柴油机的更大一些。二、进气过程从进气门开启到关闭，内燃机吸入新鲜充量的整个过程称为进气过程。为了增加进入气缸的新鲜充量，进气门在吸气上止点前要提前开启，在吸气下止点后应推迟关闭。进气门提前开启的角度称为进气提前角，一般在上止点前104
3、0(CA)之间。三、气门叠开和燃烧室扫气过程四冲程内燃机换气过程还存在一个特殊的阶段：在进排气上止点前后，由于进气门的提前开启与排气门的延迟关闭，使内燃机从进气门开启到排气门关闭这段曲轴转角内，出现进排气门同时开启的状态，这一现象称为气门叠开。气门叠开所对应的曲轴转角叫气门叠开角，等于排气迟闭角与进气提前角之和。内燃机的形式不同，对气门叠开角大小的要求也有所差异。第二节四冲程内燃机的换气损失一、排气损失二、进气损失三、泵气功与泵气损失第二节四冲程内燃机的换气损失图4-2四冲程内燃机的换气损失示意图a) 自然吸气内燃机理论换气过程b) 自然吸气内燃机实际换气过程c) 增压内燃机理论换气过程d)
4、增压内燃机实际换气过程W膨胀损失X推出损失Y吸气损失一、排气损失图4-3排气提前角和转速对排气损失的影响a) 转速不变时排气提前角的影响b) 排气提前角不变时转速的影响二、进气损失图4-4换气损失随内燃机转速的变化三、泵气功与泵气损失泵气功是指缸内气体对活塞在强制排气行程和吸气行程所做的功，泵气损失则是指与理论循环相比，发动机的活塞在泵气过程所造成的功的损失2。从图4-2可以看出，对于自然吸气发动机，它的泵气功的大小可用图中面积Y+X表示，对整个循环来说为负功，泵气损失在数值上等于它的泵气功。对于增压发动机，由于进气压力高于排气背压，因此它的泵气功大于零，其泵气损失依然可以用图中面积X+Y来表
5、示，其值为负。第三节提高内燃机充量系数的措施一、四冲程内燃机的充量系数二、提高充量系数的技术措施一、四冲程内燃机的充量系数1) 降低进气系统的阻力损失，提高气缸内进气终了压力pa。2) 降低排气系统的阻力损失，减小缸内的残余废气系数r。3) 减少高温零件在进气过程中对新鲜充量的加热，以降低进气终了时的充量温4) 合理的配气正时和气门升程规律，在减小mr的同时增加m1，即增加pa，减小r。二、提高充量系数的技术措施虽然充量系数的表达式中不直接反映进气流动过程，但所有损失恰恰是由于流动造成的。按进气系统流动阻力的性质可分为两类，一类是沿程阻力，即管道摩擦阻力，它与流速、管长、管壁表面质量等有关；另
6、一类是局部阻力，它是由于流通截面的大小、形状以及流动方向的变化造成局部产生涡流所引起的损失。在内燃机进气流动中，由于进气的管道粗短，壁面比较光滑，其沿程阻力并不大，进气流动的局部阻力损失是主要损失，是一系列不同的局部阻力叠加而成，尤其是在空气滤清器、流道转弯处和进气门座圈处，因此，降低这些部位的局部阻力损失，对降低进气系统的流动阻力，提高充量系数有显著的作用。图4-5充量系数与平均进气马赫数的关系图4-6不同进气门数的方案比较I进气门E排气门1) 低速时，采用较小的气门叠开角以及较小的气门升程，防止出现缸内新鲜充量向进气系统的倒流，以增加低速转矩，提高燃油经济性。2) 高速时应具有最大的气门升
7、程和进气门迟闭角，以最大限度地减小流动阻力，并充分利用过后充气，提高充量系数，满足发动机高速时动力性的要求。3) 配合以上变化，进气门从开启到关闭的进气持续角也进行相应地调整，以实现不同工况下最佳的气门正时，将泵气损失降到最低。图4-9发动机转速和进气迟闭角对充量系数的影响图4-10气门正时和升程变化示意图a) 固定的气门正时和气门升程b) 气门正时不变，气门升程可变c) 气门正时可变，气门升程不变d) 气门正时和气门升程均可变图4-11三段式凸轮可变配气系统i-VTEC发动机的外特性图4-12进气管对充量系数的影响a) 进气管长度的影响b) 进气管管径的影响图4-13可变进气系统及其对发动机
8、性能的影响降低排气系统阻力，可以使气缸内的残余废气压力下降，这样不仅减小了残余废气系数，提高充量系数，而且可以减少泵气损失，提高发动机的热效率。排气系统的设计原则是降低排气背压，减小排气噪声。与进气系统一样，排气流通截面最小处是排气门座处，此处的流速最高，压降最大，故在设计时应保证排气门处的良好流体动力性能。排气道应当是渐扩型，以保证排出气体的充分膨胀。排气管也存在谐振现象，所希望的谐振效果是使排气门处的压力降低，以利于排气。良好的歧管流型与结构也有助于降低排气流动阻力，特别是对于高速多缸发动机，为避免排气压力波的互相干涉，用多枝型排气管或多排气管结构来替代单排气管，可以获得良好的低速转矩与充
9、量系数。在排气管中往往还有消声器和排气后处理器(催化转化器)，设计时应在保证良好的消声与降污效果的前提下，尽可能降低流动阻力。在进气过程中，进入气缸的新鲜充量不可避免地被各种高温表面加热，从而导致温度升高，使缸内进气密度下降，充量系数减小。进气温升主要受发动机的结构与运行参数的影响，如进气管结构、发动机转速、负荷、冷却水温度及冷却水道设计等。为提高充量系数，应尽量减少对进气的加热。第四节内燃机的增压一、内燃机增压技术概述二、涡轮增压器的工作特性三、排气涡轮增压系统简介四、涡轮增压器与内燃机的匹配五、汽油机的增压技术六、机械增压一、内燃机增压技术概述(1)机械增压发动机输出轴直接驱动机械增压装置
10、(如螺杆式、离心式、滑片式、涡旋式、转子活塞式等压缩机)，实现对进气的压缩。(2)排气涡轮增压压气机与涡轮同轴相连，构成涡轮增压器，涡轮在排气能量的推动下旋转，带动压气机工作，实现对进气增压。(1)机械增压发动机输出轴直接驱动机械增压装置(如螺杆式、离心式、滑片式、涡旋式、转子活塞式等压缩机)，实现对进气的压缩。(2)排气涡轮增压图4-14内燃机增压的几种基本形式a)机械增压b)一级涡轮增压c) 二级涡轮增压d)复合增压E发动机C压气机T涡轮机优势1) 增压器的质量与尺寸相对发动机而言都很小，增压可以使发动机在总质量和体积基本不变的条件下，输出功率得到大幅度的提高，升功率、比质量功率和比体积功
11、率都有较大增加，因而可以降低单位功率的造价，提高材料的利用率，对于大型柴油机而言，经济效益更加突出。2) 与自然吸气内燃机相比，排气可以在涡轮中得到进一步膨胀，因而排气噪声有所降低。3) 内燃机增压后有利于高原稀薄空气条件下恢复功率，使之达到或接近平原性能。4) 柴油机增压后，缸内温度和压力水平提高，可以使滞燃期缩短，有利于降低压力升高率和燃烧噪声。5) 增压柴油机一般采用较大的过量空气系数，HC、CO和碳烟排放降低。6) 技术适用性广，适用于从低速到高速的二冲程和四冲程的各种缸径的发动机。代价1) 增压后缸内工作压力和温度明显提高，机械负荷及热负荷加大，内燃机的可靠性和耐久性受到考验。2)
12、低速时由于排气能量不足，可能会使发动机的低速转矩受到一定影响，对工程机械和车用造成不利影响。3) 由于在涡轮增压器中，从排气能量的变化到新的进气压力的建立需要一定的时间，所以内燃机的加速响应性能较自然吸气机型差。4) 增压发动机性能的进一步优化，受到增压器及中冷器的限制，其中增压器的问题集中在材料的机械强度、耐热性能、润滑、效率等方面，而对中冷器的要求是体积小、质量轻、效率高。二、涡轮增压器的工作特性(一) 离心式压气机的工作特性(二) 径流式涡轮机的工作原理二、涡轮增压器的工作特性图4-15径流式涡轮增压器结构图1压气机蜗壳2压气机叶轮3推力轴承4压气机端密封座5挡油板6中间壳体7浮动轴承8
13、涡轮叶轮9涡轮蜗壳(一) 离心式压气机的工作特性图4-16离心式压气机工作过程简图a) 离心式压气机简图b) 空气沿压气机通道的参数变化1进气道2工作轮3扩压器4蜗壳图4-17压气机和涡轮机前后气体状态焓熵图a) 压气机中的焓熵变化b) 涡轮中的焓熵变化图4-18离心式压气机的流量特性1) 离心式压气机的特性曲线在相同转速的条件下，压气机增压比b和效率b随压气机流量qmb的变化关系，称为压气机的流量特性，简称为压气机的特性。2) 压气机的喘振与堵塞在图4-18中，还有一条压气机的喘振线，是压气机稳定工作的边界。3) 压气机的通用特性压气机特性曲线中的参数，都是在一定的大气状态下测得的。图4-1
14、9压气机损失分析图图4-20压气机的通用特性曲线(二) 径流式涡轮机的工作原理(二) 径流式涡轮机的工作原理图4-21径流式涡轮机的工作简图1进气蜗壳2喷嘴环3工作轮4出气道径流式涡轮机主要是由进气蜗壳1、喷嘴环2、工作轮3以及出气道4等组成，如图4-21所示。涡轮机的工作原理与压气机正好相反，内燃机排气由进气蜗壳1流入喷嘴环2，喷嘴环是由周向均匀安装、带有一定倾角的多个叶片组成，叶片之间形成渐缩通道，内燃机高温排气流过喷嘴环时被加速，压力、温度下降，速度大大增加，一部分排气能量转化为气流的动能。部分小型涡轮常设计为无叶喷嘴环结构。与压气机相反，涡轮机将排气能量通过喷嘴部分转化为动能，并在叶轮
15、中进一步膨胀，推动涡轮叶片旋转，从而将排气能量转化为机械功图4-22涡轮机的通用特性曲线三、排气涡轮增压系统简介(一) 定压涡轮增压系统(二) 脉冲涡轮增压系统(三) 定压系统与脉冲系统的比较(四)可变增压系统三、排气涡轮增压系统简介图4-23涡轮增压系统的两种基本形式a) 定压系统b) 脉冲系统(一) 定压涡轮增压系统图4-24定压涡轮增压柴油机的理论示功图(二) 脉冲涡轮增压系统脉冲涡轮增压系统(简称脉冲系统)旨在提高在定压系统中损失能量(面积5-b-e)的利用率。这种方案的特点是排气管做得短而细，排气系统容积要尽可能小，使排气能直接迅速地进入涡轮机中膨胀做功，减少节流损失。此外，为减少各
16、缸排气压力波的相互干扰，往往采用两根或更多排气支管将相邻发火气缸的排气相互隔开。图4-24b中，发火顺序为1-5-3-6-2-4，缸1、2、3共用一根排气管，缸4、5、6共用另一根排气管，例如当缸1开始排气后，排气管内的压力pT能够迅速升高到接近缸内气体压力p1，因而减少了排气的节流损失，而在缸1排气过程中，同一排气管内其他气缸尚无排气门打开，与另一排气管中缸5排气也不产生排气压力波的相互干扰。随着排气流入涡轮，缸内和排气管内压力pT迅速下降，待到同一排气管内相邻发火间隔的缸3开始排气时，缸1排气门已经关闭，缸3的排气压力波不会影响缸1的排气过程。随着缸3排气的进行，管内的压力pT又迅速升高，而后又降低，于是形成了排气管内的压力周期性脉动。由于排气管内的压力周期性脉动，造成涡轮进口压力的周期性脉动，涡轮是在进口压力有较大波动的情况下工作的，所以称为脉冲涡轮增压系统。(三) 定压系统与脉冲系统的比较脉冲系统中，由于排气节流所造成的排气能量的损失比定压系统的小，同时还考虑了对排气脉冲能量的利用，而在定压系统中，脉冲能量由于排气管容积大而几乎损失殆尽，所以脉冲增压对排气能量的利用比定压增压要
