汽車發(fā)動機原理第二章發(fā)動機的換氣過程

1、第二章第二章 發(fā)動機的換氣過程發(fā)動機的換氣過程Process in Engine Exchanging Gas 第一節(jié)第一節(jié) 四沖程發(fā)動機的換氣過程四沖程發(fā)動機的換氣過程第二節(jié)第二節(jié) 四沖程發(fā)動機的充量系數四沖程發(fā)動機的充量系數第三節(jié)第三節(jié) 提高發(fā)動機充量系數的措施提高發(fā)動機充量系數的措施 作業(yè)及復習題作業(yè)及復習題下止點上止點第一節(jié)第一節(jié) 四沖程發(fā)動機的換氣過程四沖程發(fā)動機的換氣過程一、一、換氣過程換氣過程： 四沖程發(fā)動機的換氣過程包括四沖程發(fā)動機的換氣過程包括從排氣門從排氣門開啟到進氣門關閉開啟到進氣門關閉的整個時期。約占的整個時期。約占410 480曲軸轉角。曲軸轉角。p25 換氣過程可分

2、作換氣過程可分作自由排氣自由排氣、強制排氣、強制排氣、進氣進氣和和燃燒室掃氣燃燒室掃氣四個階段。四個階段。1、自由排氣階段、自由排氣階段 從排氣門開啟到氣缸壓力接近于排氣管內壓力的從排氣門開啟到氣缸壓力接近于排氣管內壓力的時期，稱為時期，稱為。 排氣提前角排氣提前角：從排氣門開啟到活塞行至下止點：從排氣門開啟到活塞行至下止點所對應的曲軸轉角稱為，一般為所對應的曲軸轉角稱為，一般為3080曲軸轉角。曲軸轉角。2 2、強制排氣階段、強制排氣階段 自由排氣階段結束后，氣缸內的廢氣將被上自由排氣階段結束后，氣缸內的廢氣將被上行活塞強制推出，這一過程就是行活塞強制推出，這一過程就是。 排氣遲閉角排氣遲閉

3、角：從上：從上止點止點到排氣門完全關閉終了所到排氣門完全關閉終了所對應的曲軸轉角，一般為對應的曲軸轉角，一般為1035曲軸轉角。曲軸轉角。3 3、進氣過程、進氣過程從進氣門開啟到關閉的全過程從進氣門開啟到關閉的全過程準備進氣準備進氣：進氣提前角一般為進氣提前角一般為004040(CA)(CA)。正常進氣正常進氣 ：新鮮氣體充入氣缸。：新鮮氣體充入氣缸。慣性進氣慣性進氣：進氣遲閉角一般為進氣遲閉角一般為40407070(CA)(CA)。4 4、氣門重疊和燃燒室掃氣過程、氣門重疊和燃燒室掃氣過程 在排氣行程上止點附近出現進、排氣門同時開啟在排氣行程上止點附近出現進、排氣門同時開啟的特殊現象，稱為的

4、特殊現象，稱為，相應的角度是氣門重，相應的角度是氣門重疊角，它是排氣遲閉角與疊角，它是排氣遲閉角與 進氣提前角之和。進氣提前角之和。氣門重疊角的選擇以新鮮氣門重疊角的選擇以新鮮充量不流入排氣管為原則充量不流入排氣管為原則。 增壓柴油機增壓柴油機的氣門重疊角的氣門重疊角一般為一般為80160(CA)； 非增壓柴油機非增壓柴油機的氣門疊開的氣門疊開角在角在2060(CA)范圍內。范圍內。二、排氣損失二、排氣損失從排氣門提前開啟，直到進氣行程開始、缸內壓力到達大氣壓力之前, 所損失的循環(huán)功。 a.自由排氣損失自由排氣損失W：由于排氣門提前打開而引起的膨脹功的減少。 b.強制排氣損失強制排氣損失Y：活

5、塞上行強制推出廢氣所消耗的功。 三、進氣損失三、進氣損失X 進氣損失進氣損失主要是指進氣過程中，因進氣系統(tǒng)的阻力面引起的功的損失，與排氣損失相比進氣損失較小小。合理調整配氣定時，加大進氣門的流通截面、合理調整配氣定時，加大進氣門的流通截面、正確設計進氣管及進氣道的流動路徑以及降正確設計進氣管及進氣道的流動路徑以及降低活塞平均速度等低活塞平均速度等，都會使進氣損失減少。，都會使進氣損失減少。 排氣損失與進氣損排氣損失與進氣損失之和稱為失之和稱為換氣損換氣損失失 (W十十Y十十X) 。 泵氣損失泵氣損失（X+Y-uX+Y-u）：）：在實際循環(huán)示功圖在實際循環(huán)示功圖中把面積中把面積(x+y- u u

6、)相相當的負功稱為泵氣當的負功稱為泵氣損失。這部分損失損失。這部分損失放在放在機械損失機械損失中加中加以考慮。以考慮。第二節(jié)第二節(jié) 四沖程發(fā)動機的充量系數四沖程發(fā)動機的充量系數 換氣的目的是盡量排凈廢氣，最大限度充入新氣，以完善燃燒，提高效率。 評價發(fā)動機的換氣質量，可用充量系充量系數數(充量效率、容積效率充量效率、容積效率) 、殘余廢氣系數來衡量。一、一、充量系數充量系數c 定義定義：內燃機每缸每循環(huán)實際進入氣缸的新內燃機每缸每循環(huán)實際進入氣缸的新鮮空氣質量與進氣狀態(tài)下理論計算充滿氣缸鮮空氣質量與進氣狀態(tài)下理論計算充滿氣缸工作容積的空氣質量比值。工作容積的空氣質量比值。進氣狀態(tài)：進氣狀態(tài)：指

7、指空氣濾清器后進氣管內的氣體空氣濾清器后進氣管內的氣體狀態(tài)狀態(tài)，即，即進入氣缸前氣體的熱力學狀態(tài)，如進入氣缸前氣體的熱力學狀態(tài)，如溫度與壓力等。溫度與壓力等。 非增壓：通常取為非增壓：通常取為當地的大氣狀態(tài)當地的大氣狀態(tài)。 增增 壓：增壓器壓：增壓器出口狀態(tài)出口狀態(tài)。式中： ma 實際進入氣缸的新鮮空氣質量V1 實際進入氣缸的新鮮空氣在進氣狀態(tài) 下的體積ms 進氣狀態(tài)下理論計算充滿氣缸工作容 積的空氣質量Vs 氣缸工作容積ssacVVmm11充量系數充量系數一般非增壓發(fā)動機在全負荷時的一般非增壓發(fā)動機在全負荷時的c c汽油機汽油機頂置氣門：頂置氣門：0.750.85側置氣門：側置氣門：0.70

8、0.80柴油機柴油機0.750.90二、影響充氣效率的因素二、影響充氣效率的因素:1進氣終了時缸內壓力進氣終了時缸內壓力Pa Pa對對c c有重要影響，有重要影響，Pa愈高，愈高，c c值愈大值愈大 Pa=PsPa式中，pa為氣體流動時，克服進氣系統(tǒng)阻力 而引起的壓降(kPa)。一般可寫成 式中 管道阻力系數； 進氣狀態(tài)下氣體的密度； V管道內氣體的流速（m/s）。22vpa 可見，pa主要取決于各段管道的阻力系數和氣體流速。若 大、 V高時，pa增加，使pa下降。管道阻力系數、轉速和負荷對進氣壓力的管道阻力系數、轉速和負荷對進氣壓力的影響影響1）管道阻力系數）管道阻力系數管道阻力大，管道阻力

9、系數大，管道阻力大，管道阻力系數大， pa大，大，Pa降低。降低。2）管道內氣體的流速）管道內氣體的流速 負荷減小，發(fā)動機轉速高，氣體流速增負荷減小，發(fā)動機轉速高，氣體流速增加，加， pa大，引起大，引起Pa下降。下降。 2進氣終了的溫度進氣終了的溫度Ta Ta高于進氣狀態(tài)溫度， Ta越高，充入氣缸的工質密度越小，c值愈低。引起引起Ta升高的原因升高的原因是: 1）新鮮工質進入發(fā)動機與高溫零件接觸而 被加熱。 2）新鮮工質與高溫殘余廢氣混合而被加熱。轉速和負荷對轉速和負荷對Ta的影響的影響 1）轉速：當負荷不變而轉速增加時，由于新鮮工質與缸壁等接觸時間短，傳熱量少，所以Ta稍有下降。 2）負荷

10、：當轉速不變而增加發(fā)動機負荷時，缸壁等零件溫度升高，Ta有所上升。措施措施： 將高溫排氣管與進氣管分置于氣缸兩側， 控制進氣預熱，適當加大氣門疊開角等， 降低Ta。3.殘余廢氣系數殘余廢氣系數 1） 增加，增加， c c降低降低，燃燒惡化，油耗、排放增加， 2）壓縮比提高，殘余廢氣系數減小。 3）排氣壓力高，廢氣多，充氣效率降低。 4）排氣系統(tǒng)阻力大，排氣壓力高，廢氣多。4進排氣相位角進排氣相位角 由于進氣門遲閉而 1 ,新鮮充量的容積減小,但Pa值卻可能因有氣流慣性而使進氣有所增加,合適的配氣定時應考慮Pa具有最大值。5壓縮比壓縮比 壓縮比增加,壓縮容積減小,殘余廢氣量隨之減小,因而c c有

11、所增加。6. 進氣狀態(tài)進氣狀態(tài)進氣溫度升高，進氣壓力下降均會使進入氣缸充量的密度減小，絕對進氣量減少，對充量系數影響不大。 提高充量系數措施提高充量系數措施降低進氣系統(tǒng)的阻力降低進氣系統(tǒng)的阻力降低排氣系統(tǒng)流通阻力降低排氣系統(tǒng)流通阻力減少對進氣充量的加熱減少對進氣充量的加熱合理選擇進、排氣相位角合理選擇進、排氣相位角諧振進氣與可變進氣支管諧振進氣與可變進氣支管第三節(jié)第三節(jié) 提高發(fā)動機充量系數的措施提高發(fā)動機充量系數的措施一一、降低進氣系統(tǒng)的流動阻力降低進氣系統(tǒng)的流動阻力 1降低進氣門處的流動損失降低進氣門處的流動損失進氣馬赫數：進氣門處氣流平均速度進氣馬赫數：進氣門處氣流平均速度與該處聲速之比與

12、該處聲速之比mVmVM 進氣馬赫數反映氣體流動對充量系數進氣馬赫數反映氣體流動對充量系數的影響。的影響。 當當M超過一定數值時，大約在超過一定數值時，大約在0.5左右，左右，充量系數充量系數急劇下降。急劇下降。 改善改善氣門處氣門處流體流體動力性能動力性能減少進氣道的阻力：減少進氣道的阻力：氣道通路斷面應有足夠的面積，各斷面要避免突變。氣道通路斷面應有足夠的面積，各斷面要避免突變。進氣道內部過渡圓角半徑應大一些，避免急劇轉彎等。進氣道內部過渡圓角半徑應大一些，避免急劇轉彎等。 減少進氣管的阻力：減少進氣管的阻力：進氣管必須保證足夠的流通截面積，管道表面光潔，進氣管必須保證足夠的流通截面積，管道

13、表面光潔，避免急轉彎及流通截面突變，以減少阻力。為保證各氣缸避免急轉彎及流通截面突變，以減少阻力。為保證各氣缸進氣均勻，各缸進氣管獨立，長度盡可能一致。進氣管的進氣均勻，各缸進氣管獨立，長度盡可能一致。進氣管的整體走勢和內壁斷面形狀要滿足使新鮮充量在氣缸中形成整體走勢和內壁斷面形狀要滿足使新鮮充量在氣缸中形成渦流的要求。渦流的要求。減少空氣濾清器的阻力：減少空氣濾清器的阻力：加大通過斷面，改進濾清性能，創(chuàng)制低阻高效濾清器加大通過斷面，改進濾清性能，創(chuàng)制低阻高效濾清器等。在使用中要經常清洗濾清器，特別要避免紙芯的油污等。在使用中要經常清洗濾清器，特別要避免紙芯的油污堵塞，及時更換濾芯等。堵塞，及

14、時更換濾芯等。減少進氣道、進氣管和空氣濾清器的阻力減少進氣道、進氣管和空氣濾清器的阻力二二、降低進氣系統(tǒng)的流動阻力降低進氣系統(tǒng)的流動阻力新鮮充量在吸入過程中，受到進氣管、新鮮充量在吸入過程中，受到進氣管、進氣道、氣門、氣缸壁和活塞等一系列受進氣道、氣門、氣缸壁和活塞等一系列受熱零件的加熱，引起溫升。熱零件的加熱，引起溫升。進排氣管兩側分開布置，可以避免或進排氣管兩側分開布置，可以避免或減少高溫排氣管對進氣的加熱，有利提高減少高溫排氣管對進氣的加熱，有利提高充量系數。充量系數。 三三、降低排氣系統(tǒng)的流動阻力降低排氣系統(tǒng)的流動阻力降低排氣系統(tǒng)流通阻力，使氣缸內廢氣降低排氣系統(tǒng)流通阻力，使氣缸內廢氣

15、壓力下降，減少泵氣功。壓力下降，減少泵氣功。 將排氣道的一部分做成擴壓形，降低了將排氣道的一部分做成擴壓形，降低了氣缸內與排氣管內的壓力差，降低了氣缸內氣缸內與排氣管內的壓力差，降低了氣缸內廢氣壓力，降低泵氣功。廢氣壓力，降低泵氣功。 選擇良好的排氣支管的流型，避免排氣選擇良好的排氣支管的流型，避免排氣道內截面突變、急轉彎和凸臺，有助于降低道內截面突變、急轉彎和凸臺，有助于降低整個流通阻力。整個流通阻力。 在滿足必要的消聲效果要求下，降低消在滿足必要的消聲效果要求下，降低消聲器的流通阻力。聲器的流通阻力。 四四、合理選擇進排氣相位角合理選擇進排氣相位角 轉速一定，存在相應的最佳進氣門遲閉轉速一

16、定，存在相應的最佳進氣門遲閉角度。角度。 利用氣門可變正時技術，在全部轉速范利用氣門可變正時技術，在全部轉速范圍內提高充量系數。圍內提高充量系數。具體措施：具體措施： 、。 、(VCS，Variable Camshaft System) 、(VVT，Variable Valve Timing )。五五、諧振進氣與可變進氣歧管諧振進氣與可變進氣歧管 諧振進氣和可變進氣歧管，都是利用進諧振進氣和可變進氣歧管，都是利用進氣管的動態(tài)效應來提高充量系數。氣管的動態(tài)效應來提高充量系數。具體措施：具體措施： 、適當調整進氣管長度、直徑等進氣系統(tǒng)適當調整進氣管長度、直徑等進氣系統(tǒng)參數。參數。 。 、雙通道可變進氣歧管。雙通道可變進氣歧管。 可變長度進氣管可變長度進氣管 雙通道可變長度進氣管雙通道可變長度進氣管 1空氣濾清器空氣濾清器 2節(jié)氣門節(jié)氣門 3轉換閥轉換閥4轉換閥控制裝置轉換閥控制裝置 5發(fā)動機電子控制單元發(fā)動機電子控制單元1短進氣通道短進氣通道 2旋轉閥旋轉閥 3長進氣道長進氣道 4噴油器噴油器 5進氣道進氣道 6進