换气过程排气过程进气过程 换气过程的任务 排除废气充入尽可能多的新鲜工质 研究的内容换气过程的进行情况 分析影响充气量的各种因素 提高充气量 减少换气损失方向与措施找出第二章 内燃机的换气过程 第二章 内燃机的换气过程n第一节 四冲程内燃机的换气过程n第二节 四冲程内燃机的充气效率n第三节 影响充气效率的各种因素n第四节 提高充气效率的措施n第五节 进气管内的动力效应n第六节 二冲程内燃机的换气过程 一、换气过程 四冲程内燃机的换气过程包括从排气门开启到进气门关闭的整个时期，约占410º~480º曲轴转角 进、排气门开、关的曲轴转角及其相对于上、下止点的关系，称为配气相位换气过程自由排气强制排气进气气门叠开和燃烧室扫气第一节 四冲程内燃机的换气过程第二章 内燃机的换气过程 1．自由排气阶段 排气门开启到汽缸压力接近了排气管压力的这一时期，称为自由排气阶段 排气提前角：从排气门开启到活塞行至下止点所对应的曲轴转角，一般为30º~80º曲轴转角第二章 内燃机的换气过程第一节 四冲程内燃机的换气过程 自由排气阶段超临界状态亚临界状态 （1）超临界状态 排气门开启时，气缸内废气压力较高（），缸内压力与排气管压力之比＞1.9，排气流动处于超临界状态，可利用废气自身的压力自行排出。
第二章 内燃机的换气过程第一节 四冲程内燃机的换气过程 通过排气门最小截面处的流速等于该状态下的音速C 式中： K——绝热指数； T——气体的绝对温度,K； R——气体常数〔N•m/（kg·K）〕 在超临界排气时期，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并且因排气流速甚高，在排气过程中伴有刺耳的噪声，所以排气系统必须装有消声器第二章 内燃机的换气过程第一节 四冲程内燃机的换气过程 排出的废气量决定于气缸内及排气管内的压力差压力差越大排出废气越多当到某一时刻气缸内与排气管内压力相等，自由排气阶段结束（一般下止点后10º~30º曲轴转角） 自由排气阶段虽然历程很短，但因排气流速甚高，排出废气量达60%以上 （2）亚临界状态 缸内压力与排气管内压力之比下降到1.9以下时，排气流动转入亚临界状态，废气流速降低，产生的噪音较小。
高速发动机排气提前角要大一些：在自由排气阶段中，排出废气量与转速无关转速高时，在同样的排气时间所相当的曲轴转角增大但不宜过大，否则会使排气损失加大第二章 内燃机的换气过程第一节 四冲程内燃机的换气过程 2．强制排气阶段：活塞上行强制推出废气 缸内平均压力高于排气管平均压力：克服排气门、排气道处的阻力，一般高出10kpa左右气体的流速越高，此压差越大，消耗的功越多 惯性排气排气迟闭角，一般为10º~35º曲轴转角第二章 内燃机的换气过程第一节 四冲程内燃机的换气过程 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40º～70º曲轴转角 准备进气 进气提前角：一般为0º~40º曲轴转角 3.3.进气过程第二章 内燃机的换气过程第一节 四冲程内燃机的换气过程 4. 气门叠开 ：进、排气门同时开启 作用：由于进气管、气缸、排气管互相连通，可以利用气流的压差、惯性或进、排气管压力波的帮助，清除残余废气，增加进气量，降低高温零件的温度，但注意不应产生废气倒流现象。
叠开角：进、排气门同时开启时对应的曲轴转角，一般为20º～80º曲轴转角在增压发动机可达80º~160º的曲轴转角因其进气压力高 第二章 内燃机的换气过程第一节 四冲程内燃机的换气过程 二、换气损失和泵气损失换气损失由排气损失和进气损失两部分组成第二章 内燃机的换气过程第一节 四冲程内燃机的换气过程 1. 排气损失 排气损失是从排气门提前打开，直到进气行程开始，气缸内压力达到进气管内压力之前，循环功的损失 （1）自由排气损失（图中面积W），是由于排气门提前打开而引起的膨胀功的减少 （2）强制排气损失（图中面积Y），是活塞上行强制推出废气所消耗的功 第二章 内燃机的换气过程第一节 四冲程内燃机的换气过程 减少排气损失的主要措施是：减小排气系统阻力和排气门处的流动损失 随着排气提前角增大，自由排气损失面积增加，强制排气损失面积减小，如图中b曲线；如排气提前角减少则强制排气损失面积增加，如图中c曲线所以最有利的排气提前角应使面积（W+Y）之和最小第二章 内燃机的换气过程第一节 四冲程内燃机的换气过程 2．进气损失进气损失：因进气系统的阻力而引起的功的损失。
第二章 内燃机的换气过程第一节 四冲程内燃机的换气过程 3．换气损失和泵气损失 排气损失与进气损失之和称换 气 损 失 ， 即 图 中 面 积(W+X+Y) 在实际循环示功图计算中，已经用丰满系数φi修圆理论示功图的棱角，所以φi中已包括部分换气损失，故泵气损失为换气损失的一部分，即图中面积(Y+X－d)第二章 内燃机的换气过程第一节 四冲程内燃机的换气过程 一、充气效率充气效率ηηv v ：实际进入气缸的新鲜工质质量与进气状态下充满气缸工作容积的新鲜工质质量的比值进气状态： 非增压发动机指当时、当地的大气状态； 增压发动机，指增压器压气机出口的状态 充气效率ηηv v值高，说明每循环进入一定汽缸容积的新鲜工质量多，则内燃机的功率和转矩大，动力性好第二章 内燃机的换气过程第二节 四冲程内燃机的充气效率 充气效率的实验测定 实际内燃机充气效率可用实验方法直接测定对于非增压内燃机，可视燃烧室没有扫气，用流量计（如标准孔板）来实测内燃机吸入的总充气量V（m3/h）。
而理论充气量Vsh可由下式算出： （m m3 3/h/h）式中：V Vh h————汽缸工作容积，L L； i——i——发动机的汽缸数； n——n——发动机的转速，r/minr/min由此可得实验测定的充气效率值为 第二章 内燃机的换气过程第二节 四冲程内燃机的充气效率 二、充气效率的分析式1、设进气完成后缸内残余废气质量为mγ ，进入新鲜工质质量为m1 ，则进气终了缸内总工质质量ma= m1 + mγ ， 残余废气系数 γ 是指进气过程结束时汽缸内残余废气量与汽缸中新鲜工质的比值 令残余废气系数γ = mγ/ m1 ，则有 m1 = ma /（1+ γ ）2、令进气终了时气缸内的总容积（有效进气容积）与气缸总容积Va的比值为ξξ<1（有效进气体积系数，因为进气迟闭角， ξξ<1）第二章 内燃机的换气过程第二节 四冲程内燃机的充气效率 3、有4、因为pV＝mRT，有p/RT=m/V＝ρ；Va/Vc=ε，Vs/Vc=(Va-Vc)/Vc= ε-15、将3式分子分母同除以Vc，且对于理想气体有R为常数，可以推出可见，影响充气效率的因素有：进气温度和压力Ts、ps，进气终了的气缸温度和压力Ta、pa，残余废气系数γ、压缩比ε及气门正时引起的有效进气体积系数ξξ等。
第二章 内燃机的换气过程第二节 四冲程内燃机的充气效率 一、进气终了压力pa式中， 为气体流动时，克服进气系统阻力而引起的压降（kPa） 其中： λλ ——管道阻力系数； ρρ ——进气状态下气体的密度，kg／m3； v ——管道内气体的流速，m/s可见，△△pa主要取决于管道阻力系数与气体的流速第二章 内燃机的换气过程第三节 影响充气效率的各种因素 ①①负荷不变，转速变化时转速↑,则△△pa ↑↑,从而pa ↓，ηv ↓②②转速不变,负荷变化时 b.b.柴油机 △△pa 基本不变,从而pa基本不变，ηv基本不变（负荷调节为“质调节”）a.a.汽油机 负荷↓,则△△pa ↑,从而pa ↓ ，ηv ↓ （负荷调节为“量调节”）不同转速下的进气压力第二章 内燃机的换气过程第三节 影响充气效率的各种因素 汽油机进气压力随转速和负荷的变化 汽油机在不同节气门开度下，进气终了压力pa随转速的变化关系：①①当节气门开度一定时（图中某一条曲线），转速增加pa下降。
②②当节气门开度逐渐减小时（图中不同曲线），pa不仅下降，而且节气门保持的开度越小，pa随转速增加而下降的越快第二章 内燃机的换气过程第三节 影响充气效率的各种因素 二、进气终了的温度Ta 进气终了的温度Ta高于进气状态温度引起Ta升高的原因是: 1）新鲜工质进入发动机与高温零件接触而被加热 2）新鲜工质与高温残余废气混合而被加热 3）在化油器式汽油机上，为了使液体燃料在进气管中蒸发，以便均匀地与空气混合而进入气缸，一般都采用废气或冷却水热量对进气管加热，故空气经过进气管时受热而温度升高降低Ta的措施：将高温排气管与进气管分置于气缸两侧，控制进气预热，适当加大气门叠开角等，均有利于降低TaTa ↑,则ρa ↓,那么ηv ↓第二章 内燃机的换气过程第三节 影响充气效率的各种因素 转速和负荷对Ta的影响 1）转速： 当负荷不变而转速增加时，由于新鲜工质与缸壁等接触时间短，传热量少，所以Ta稍有下降 2）负荷：当转速不变而增加发动机负荷时，缸壁等零件温度升高，Ta有所上升第二章 内燃机的换气过程第三节 影响充气效率的各种因素 即：ε↑→Vc ↓→残余废气量↓→ ηv↑三、压缩比 ε 和残余废气系数γ 压缩比增加, ,压缩容积减小, ,残余废气量随之减小, ,因而有充气效率所增加。
当排气终了废气压力 升高时，残余废气密度增加， 上升， 下降，燃烧恶化，油耗、排放增加 特别是汽油机在低负荷运转时，因节气门开度小，新鲜工质减少，使残余废气系数增加，混合气中的大量残余废气，导致燃烧过程减慢，使汽油机在低负荷时工作不稳定，经济性能和排放性能都变差第二章 内燃机的换气过程第三节 影响充气效率的各种因素 四、配气定时n由于进气门迟闭，有效容积系数ξ<1ξ<1 ，新鲜充量的容积减小，但pa值却可能因有气流惯性而使pa ↑，合适的配气定时应考虑ξ* ξ* pa具有最大值n下图随进气迟关角的增加峰值的外包络线逐渐下降（ξξ↓）n随进气迟关角的增加峰值越靠近高速区域n合理匹配ββ可以改变发动机的扭矩特性，功率特性进气迟关角β↑nηv第二章 内燃机的换气过程第三节 影响充气效率的各种因素 五、进气（或大气）状态 进气温度Ts（或T0）升高，新鲜工质和汽缸壁的温差减小，加热相对减小，充气效率有所增加 进气压力ps(或p0)下降，若进气温度和进气系统的阻力不变，pa随之下降，且pa/ps的比值基本不变，对充气效率影响不大。
但实际情况是Ts升高， ps下降，均使进气密度减小，因此进气量减少这与上述的ηv增大的结论并不矛盾，因为ηv的定义是相对于进气状态而言第二章 内燃机的换气过程第三节 影响充气效率的各种因素 1、进气马赫数M：进气马赫数M是进气门处气体的平均速度与该处声速的比值平均流速vm：实际进入气缸的新鲜充量与进气门有效时面值F（t）之比，式中 μm ——进气门开启期间的平均流量系数； Fm ——进气门平均开启面积； t0、tc——进气门开、关时间； φ0 、 φc——进气门开、关角度第二章 内燃机的换气过程第四节 提高充气效率的措施一、减少进气门处的流动损失 在进气系统中，进气门处的通道截面最小而且截面变更大，整个进气系统的流动损失大部分在此处 式中： F——活塞面积； Cm——活塞平均速度； D、d——活塞与进气阀盘的直径 第二章 内燃机的换气过程第四节 提高充气效率的措施 根据试验可知，在正常的配气条件下，当M超过一定数值（0.5左右）时，会形成气阻，无法进入更多气体，充气效率急剧下降。
即使提高转速，因单位时间充气量无法增加，功率也不能增加 因此，必须注意控制M值它反映流动对充气效率的影响，成为分析充气效率的一个特征数第二章 内燃机的换气过程第四节 提高充气效率的措施 增大气门的相对通过面积；改善气门处的气体流动，提高流量系数；合理的配气相位，是限制M值、提高ηv的有效方法，这对于高速发动机尤为重要 2.气门直径和气门数 进气门直径增大，气流通路截面积增加，ηηv提高 双气门（一进一排）：进气门直径可达活塞直径的45%~50%，气门与活塞面积之比为0.2~0.25，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第二章 内燃机的换气过程第四节 提高充气效率的措施 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 第二章 内燃机的换气过程第四节 提高充气效率的措施 四气门机与二气门机相比，功率可提高70%，扭矩可提高30%，故是汽车发动机高功率化的有力措施第二章 内燃机的换气过程第四节 提高充气效率的措施 3.3.气门升程 适当增加气门升程、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。
最大气门升程与阀盘直径之比L/d取0.26~0.28第二章 内燃机的换气过程第四节 提高充气效率的措施 4、减少气门处的流动损失 气门头部与杆部的过渡要尽量保证流线型，防止产生流动涡流（阻力）；薄壁化（喇叭口）；气门封面锥角走向（小角度时面值会大，大角度承压面积减小）第二章 内燃机的换气过程第四节 提高充气效率的措施 二、进气道和进气管 保证足够的流通面积，避免转弯及截面突变，改善表面的光洁程度汽油机：燃料的雾化、蒸发、分配、压力波的利用柴油机：形成进气涡流 高转速、大功率时，进气管宜短粗； 中、低速，进气管宜细长 三、空气滤清器 应经常清洗滤清器，及时更换滤芯第二章 内燃机的换气过程第四节 提高充气效率的措施 四、减少对新鲜工质的热传导 进气管受热对提高充气效率不利，因此进气管要避免被加热，通常都将进气管和排气管分开布置于汽缸体的两侧增压内燃机组织燃烧室扫气、采用油冷活塞等都是有效措施 五、减小排气系统对气流的阻力 排气系统包括排气门 、排气管道和消声器。
减小排气系统的阻力，对提高充气效率的效果不如改进进气系统那样显著，但减小排气门、排气管道，特别是消声器的排气阻力，除有利于提高充气效率以外，主要可以减少换气过程的排气损失功第二章 内燃机的换气过程第四节 提高充气效率的措施 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 在进、排气门开闭的四个时期中，进气门迟闭角的改变，对充气效率影响最大 若转速一定，气流动能一定，进气门迟闭最佳角度也是确定的 第二章 内燃机的换气过程第四节 提高充气效率的措施六、合理选择配气定时 排气提前角：保证排气损失最小前提下，尽量晚开排气门 转速增加，排气提前角增大 气门叠开角：可以增加循环充量，提高充气效率，降低高温零件的热负荷，减少NOxNOx 进气迟闭角增大，ηv 最大值对应的转速增加第二章 内燃机的换气过程第四节 提高充气效率的措施 小结： 在发动机的结构参数（如压缩比）确定的前提下，提高充气效率的措施可以归结为以下几点：（一）降低进气系统的阻力损失，提高气缸内进气终了时的压力1、降低进气通道的流动阻力①①加大进气门直径；②②增加进气门数目；③③合理设计进气道及气门的结构。
目的：增加气门流通截面的面积第二章 内燃机的换气过程第四节 提高充气效率的措施 2、采用可变进气系统技术 获得最大充气效率要满足以下要求： ①①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，以便增加转矩，提高燃油经济性 ②②高速时，应具有较大的气门升程和进气门迟闭角，以最大限度地减小流动阻力，充分利用过后充气，提高充气效率，以满足动力性要求 ③③配合以上变化，对进气门从开启到关闭的持续期（又称作用角）也应进行调整，以实现最佳的进气定时3、减少进气管和空气滤清器的阻力第二章 内燃机的换气过程第四节 提高充气效率的措施 （二）降低排气系统的阻力损失，以减小缸内的残余废气系数（三）减少高温零件在进气系统中对新鲜充量的加热，以降低进气终了时的充量温度（四）进气增压及增压中冷，提高进气压力第二章 内燃机的换气过程第四节 提高充气效率的措施 什么是动态效应？ 由于间歇进、排气进排气管中存在压力波，在特定的进、排气管条件下，可以利用压缩波来提高进气门关闭前的进气压力，利用膨胀波来使排气过程后期的残余废气减少，提高充气效率，这种效应称之为动态效应。
第二章 内燃机的换气过程第五节 进气管内的动力效应 设进气门开启时间为ΔtsΔts，压力波传播周期为Δt=2L/aΔt=2L/a（1 1）ΔtΔt＞ΔtsΔts时，反射波对进气无影响；（2 2）ΔtΔt＜ΔtsΔts时，反射波在进气后期到达气门口时，ηηv v提高在进气门关闭前，正压力波返回进气门，可增加ηv 第二章 内燃机的换气过程第五节 进气管内的动力效应1. 进气管惯性效应 （阶段： 进气门开进气门闭 管长L L与转速n n要合理匹配： L L太长，对ηηv没有影响；太小，多次返回的密波和疏波相互抵消 当声速c c、进气门开启的持续角ψψsese为定值时，转速上升，为获得最大惯性效应，进气管长度应随之变短；反之，则变长第二章 内燃机的换气过程第五节 进气管内的动力效应 2. 进气管波动效应 阶段：进气门闭下一循环进气门开 上循环气门处的压力波动如果到下循环进气时仍未消失的话，将会对下循环进气产生直接影响，此即为波动效应不同波动次数q=1,2,3… 正整数时，残余负波到，对ηv不利； q=1.5,2.5…，残余正波到达，对ηv有利。
正压力波与下一循环的进气过程重合，可增加ηv 第二章 内燃机的换气过程第五节 进气管内的动力效应 惯性效应由于是在同一循环中，所以衰减小，振幅大，对ηηv v的影响更大，而波动效应是经过多次反射后的波，所以衰减大，振幅小，对ηηv v的影响相对较小，所以惯性效应是主要的第二章 内燃机的换气过程第五节 进气管内的动力效应 n二冲程发动机工作过程二冲程发动机——活塞上、下共二个行程，曲轴旋转一周（360 ），完成一个工作循环的发动机仍由下述五个过程组成，即进气过程、压缩过程、燃烧过程、膨胀过程、排气过程第二章 内燃机的换气过程第六节 二冲程内燃机的换气过程 一、二冲程内燃机的换气过程及示功图（1）自由排气（先期排气）n自由排气，废气以音速流出，超临界流动，排气口开到扫气口开n排气量与排气管内的气体状态无关，只取决于缸内的状态和排气口流通截面的大小排出气体约为70—80%2）扫气过程n用新气强制排出废气，扫气口开到扫气口关流出部分新气3）额外排气阶段n扫气口关到排气口关第二章 内燃机的换气过程第六节 二冲程内燃机的换气过程 有效工作容积： Vh=Vh' -Vs=Vh ' （1-ψ ）式中：Vh '—活塞行程容积Vs—损失容积Vh—有效工作容积ψ—行程损失百分比， ψ=Vs/ Vh '实际压缩比： ε=(Vc + Vh)/ Vc 几何压缩比： ε‘=(Vc + Vh ')/ Vc ε‘=(ε- ψ)/（1- ψ ） 第二章 内燃机的换气过程第六节 二冲程内燃机的换气过程 二、扫气泵n新鲜充量均需要由专门的泵（扫气泵），提高其压力，再充入气缸，称扫气，扫气是二冲程内燃机的换气特点。
n扫气机构有三种，曲轴箱扫气，单独扫气泵与废气涡轮增压1）换气时间短（2）进排气过程同时进行（3）扫气消耗功大（4）HC排放高第二章 内燃机的换气过程第六节 二冲程内燃机的换气过程 三、扫气系统的基本形式 扫气口和排气口沿着气缸圆周布置，各在相对的一侧，扫气口沿圆周和气缸中心线都有倾斜角，控制气流方向，以提高换气质量1. 1. 横流扫气第二章 内燃机的换气过程第六节 二冲程内燃机的换气过程 排气、扫气定时关于下止点对称，扫气口比排气口先关，有额外排气阶段在气缸死角（图中A A区域）容易积存废气，容易出现新鲜充量短路，即新鲜充量直接从扫气口流向排气口，如图中B B路线1. 1. 横流扫气第二章 内燃机的换气过程第六节 二冲程内燃机的换气过程 扫气口和排气口不在气缸的两侧，在气缸的同侧扫气口沿圆周和气缸中心线也有倾斜角，但气流方向改变，废气死角和新鲜充量短路情况得到改善2. 2. 回流扫气第二章 内燃机的换气过程第六节 二冲程内燃机的换气过程 扫气效果比横流好，结构简单，制造方便，在小型二冲程发动机上获得广泛应用。
2. 2. 回流扫气第二章 内燃机的换气过程第六节 二冲程内燃机的换气过程 这种结构可以实现过后充气，没有额外排气，也没有短路，损失小，换气质量高，而且扫气口高度减小，提高有效行程直流扫气方式的缺点是结构比较复杂3. 3. 直流扫气第二章 内燃机的换气过程第六节 二冲程内燃机的换气过程 特点是进气气流旋转并沿气缸轴线运动，形成所谓气垫，故扫气口沿切向排列布置在气缸圆周气流形成气垫，减少与废气混合，并有利于推出废气 3. 3. 直流扫气第二章 内燃机的换气过程第六节 二冲程内燃机的换气过程 四、换气质量的评价指标 1.扫气效率：换气后留在汽缸内的新鲜工质质量m1与换气后汽缸内气体总质量ma的比值 η s = m1 / ma = m1 /(m1 + mγ ) 式中： mγ—残余废气质量 评价扫气效果优劣的重要参数， η s越大，扫气效果越好，极限情况是1，则mγ为0，意味着完全扫气，残余废气系数是0第二章 内燃机的换气过程第六节 二冲程内燃机的换气过程 2.过量扫气系数（给气比）：每循环由扫气泵供给汽缸的新鲜工质ms与在大气状态下充满汽缸工作容积的新鲜工质mh之比。
Φ 0= ms / mhn过量扫气系数Φ 0越大，表明用于扫气的新鲜工质消耗多，相应的扫气泵消耗功率也大n理想换气系统，在尽可能小的过量扫气系数前提下，获得尽可能高的扫气效率第二章 内燃机的换气过程第六节 二冲程内燃机的换气过程 五、二冲程发动机的应用•小型汽油机•摩托车汽油机•尺寸小，质量轻•升功率大（50%—70%）•结构简单，维修方便•换气效果差•经济性差，HC排放量大，烟度大，噪声大•热负荷高，可靠性差第二章 内燃机的换气过程第六节 二冲程内燃机的换气过程 。