內(nèi)燃機原理 第4章

內(nèi)燃機原理沈陽航空工業(yè)學院動力與能源工程學院徐讓書第4章內(nèi)燃機的換氣過程第1節(jié)四沖程內(nèi)燃機的換氣過程第2節(jié)四沖程內(nèi)燃機的換氣損失第3節(jié)提高內(nèi)燃機充量系數(shù)的措施第4節(jié)二沖程內(nèi)燃機的換氣第1節(jié)四沖程內(nèi)燃機的換氣過程上止點下止點下止點排開進開排關(guān)進關(guān)自由排氣強制排氣超臨界流動P/MPa流通截面比f/fmaxφφ1.00.10.20.30.4氣門疊開排氣管內(nèi)壓力一、自由排氣階段由于受配氣機構(gòu)的結(jié)構(gòu)限制，氣門在開啟過程中只能逐漸加大其流通截面。如果排氣門剛好在膨脹行程下止點時開啟，則排氣門流通截面增加過緩，氣缸壓力下降遲緩，活塞在向上止點回行時將造成較大的反壓力，增加排氣行程消耗的功。內(nèi)燃機的排氣門在活塞到達下止點前提前開啟，稱為排氣提前。排氣提前角為30o~80o(CA)。把從排氣門開啟到氣缸壓力達到排氣背壓（排氣管內(nèi)壓力）的時期，稱為自由排氣階段。在自由排氣階段初期排氣管壓力與氣缸壓力之比小于臨界值，流動呈現(xiàn)超臨界狀態(tài)，缸內(nèi)氣體以當?shù)芈曀倭鬟^排氣門。此時，排氣質(zhì)量流量只取決于缸內(nèi)氣體狀態(tài)和排氣門有效開啟截面的大小，與排氣管內(nèi)的氣體狀態(tài)無關(guān)。在自由排氣階段后期排氣管壓力與氣缸壓力之比超過臨界值，氣體流動逐漸進入亞臨界狀態(tài)；直到氣缸壓力與排氣管內(nèi)的氣體壓力接近相等，自由排氣階段結(jié)束。在該階段中流出的氣體質(zhì)量，不僅與排氣門的有效流通截面有關(guān)，還與缸內(nèi)和排氣管內(nèi)的壓力差有關(guān)。第1節(jié)四沖程內(nèi)燃機的換氣過程第1節(jié)四沖程內(nèi)燃機的換氣過程自由排氣階段中排出的廢氣量與內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速無關(guān)，在高速時，同樣的排氣時間對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角將大為增加。為使氣缸壓力及時下降，必須加大排氣提前角，否則將使氣消耗功增加。二、強制排氣階段自由排氣階段結(jié)束后，氣缸內(nèi)的廢氣將被上行活塞強制推出，直到排氣門關(guān)閉，這一過程就是強制排氣階段。缸內(nèi)的氣體壓力略高于排氣管內(nèi)的平均壓力，而且氣體流速越高，壓力差也就越大。由于氣體在排氣管內(nèi)的壓力波動，有可能形成壓力逆差，即氣缸壓力低于排氣管內(nèi)的壓力。排氣門流通截面開始逐漸減小，氣體流經(jīng)氣門的節(jié)流作用加強，因而在上止點附近，氣缸壓力再次升高。排氣門應(yīng)當在上止點后一定角度時關(guān)閉，這就是排氣遲閉。排氣遲閉期間，可以利用缸內(nèi)氣體流動慣性從氣缸內(nèi)抽吸部分廢氣，實現(xiàn)過后排氣，但由于到達上止點后活塞已開始下行，氣缸容積不斷增加，過大的排氣遲閉會導致廢氣倒流。當廢氣從氣缸流出的流動過程剛剛停止時，就是理想的排氣門關(guān)閉時刻，排氣門遲閉角為10o~70o(CA)。第1節(jié)四沖程內(nèi)燃機的換氣過程三、進氣過程進氣門一般也在上止點前提前開啟，稱為進氣提前，進氣提前角為10o~40o(CA)。為了利用在吸氣過程中形成的進氣管內(nèi)氣流的流動慣性，實現(xiàn)氣缸的過后充氣，進氣門不在下止點關(guān)閉，而是在下止點過后的一定角度時延遲關(guān)閉，即進氣遲閉。進氣遲閉角一般為20o~60o(CA)。高速時氣流流動的慣性大，進氣遲閉角應(yīng)相應(yīng)大一些。過大的進氣遲閉角，會使得低速時發(fā)生缸內(nèi)氣流倒流進入進氣管的現(xiàn)象，也會影響有效壓縮比，從而影響壓縮終了溫度，使發(fā)動機的冷起動困難。合理的進氣定時是十分重要的。四、氣門疊開和燃燒室掃氣在排氣行程上止點附近進、排氣門同時開啟，通常稱為氣門疊開。在氣門疊開期間，如果進氣管壓力大于排氣管壓力，新鮮充量壓力差的作用下流入氣缸，與缸內(nèi)殘余廢氣進行混合后，部分可以直接排入排氣管中。有利于掃除缸內(nèi)的殘余廢氣，增加氣缸充量，達到掃氣目的；可以降低燃燒室內(nèi)氣缸蓋、排氣門、活塞頂、缸套的溫度，對于受熱嚴重且冷卻困難的關(guān)鍵零件，效果是顯著的。汽油機氣門疊開角比較小。非增壓柴油機中采用較大的氣門疊開角，一般在20o~50o(CA)范圍內(nèi)。增壓柴油機采用比較大的氣門疊開角，一般為80o~140o(CA)。第1節(jié)四沖程內(nèi)燃機的換氣過程第4章內(nèi)燃機的換氣過程第1節(jié)四沖程內(nèi)燃機的換氣過程第2節(jié)四沖程內(nèi)燃機的換氣損失第3節(jié)提高內(nèi)燃機充量系數(shù)的措施第4節(jié)二沖程內(nèi)燃機的換氣第2節(jié)四沖程內(nèi)燃機的換氣損失換氣損失定義為理論循環(huán)換氣功與實際循環(huán)換氣功之差。一、排氣損失膨脹損失——隨著排氣提前角的增大而增加，隨轉(zhuǎn)速增高而增加。推出損失——隨著排氣提前角的增大而減小，隨轉(zhuǎn)速增高而較為明顯增加。最有利的排氣提前角應(yīng)當使兩者之和為最小。減小排氣損失的方法：合理的排氣正時、增大排氣門流通面積。二、進氣損失進氣過程對內(nèi)燃機性能的影響不僅體現(xiàn)在進氣損失功上，更重要的是體現(xiàn)在所吸入新鮮充量的多少上。三、泵氣功與泵氣損失非增壓內(nèi)燃機的泵氣損失是由p－V圖中換氣過程封閉曲線面積所代表的負功來表示的，以Wp表示泵氣損失，有 Wp＝(x+y－u)Lp Lp為示功圖的比例系數(shù)。增壓內(nèi)燃機的泵氣損失是由增壓壓力和渦輪排氣壓力所圍成的矩形面積與實際換氣過程所圍成的封閉曲線面積之差： Wp＝

[(pb－pT)Vs

－(x+y－u)]Lp

活塞行程上止點下止點P/MPa90

7560

40

P/MPa排氣提前角n=3400rpm3200280024002000排氣提前角90

80

70

60

50

40

平均排氣損失壓力平均進氣損失壓力n膨脹損失功推出損失功排氣損失功第4章內(nèi)燃機的換氣過程第1節(jié)四沖程內(nèi)燃機的換氣過程第2節(jié)四沖程內(nèi)燃機的換氣損失第3節(jié)提高內(nèi)燃機充量系數(shù)的措施第4節(jié)二沖程內(nèi)燃機的換氣第3節(jié)提高充量系數(shù)的措施一、充量系數(shù)進氣門關(guān)閉時（以下標a表示）缸內(nèi)氣體的總質(zhì)量為ma＝

m1+mr＝(1+φr)m1 Φr為殘余廢氣系數(shù)根據(jù)充量系數(shù)的定義，可得

下標s表示進氣管內(nèi)的狀態(tài)。二、提高充量系數(shù)的措施在發(fā)動機的結(jié)構(gòu)確定的前提下，提高充量系數(shù)的措施為以下幾點：1)降低進氣系統(tǒng)的阻力損失，提高氣缸內(nèi)進氣終了時的壓力pa，這是提高充量系數(shù)最有效的措施。2)降低排氣系統(tǒng)的阻力損失，以減小缸內(nèi)的殘余廢氣系數(shù)φr。3)減少高溫零件在進氣系統(tǒng)中對新鮮充量的加熱，以降低進氣終了時的充量溫度Ta。(一)降低進氣系統(tǒng)的流動阻力(二)降低排氣系統(tǒng)的流動阻力(三)減少對進氣充量的加熱第3節(jié)提高充量系數(shù)的措施(一)降低進氣系統(tǒng)的流動阻力進氣系統(tǒng)的流動阻力可分為沿程阻力，即是管道摩擦阻力，與管長和管內(nèi)流動面上的表面質(zhì)量有關(guān)；進氣流動中，由于管道較短，壁面比較光滑，沿程阻力并不大；局部阻力，它是由于流通截面大小、形狀以及流動方向變化，在局部產(chǎn)生渦流損失所引起的。局部阻力是流道中的主要損失，它由一系列的局部阻力疊加而成，尤其在進氣門座處、空氣濾清器和流道轉(zhuǎn)彎處，流動損失更為明顯。降低這些地方的局部阻力損失，對降低進氣系統(tǒng)的流動阻力，提高充量系數(shù)有顯著的意義。措施：1.降低進氣門處的流動損失2.采用可變進氣系統(tǒng)技術(shù)3.減少進氣管和空氣濾清器的阻力4.進氣管內(nèi)動力效應(yīng)1.降低進氣門處的流動損失進氣門座處的流通截面，是進氣流道中截面最小、流速最高的地方，該處的局部阻力最大，與阻力系數(shù)ξ有關(guān)和該處的流動速度vs的平方成正比，即減小進氣門流通截面處流動損失的具體措施：(1)加大進氣門直徑(2)增加進氣門數(shù)目增加進氣門數(shù)，可以取得與加大進氣門直徑同樣的效果，即增大了進氣門的有效流通截面積。(3)改進凸輪廓線設(shè)計(4)采用較小的S/D值(5)合理設(shè)計進氣道及氣門的結(jié)構(gòu)改善進氣門座、進氣道以及氣門頭部的結(jié)構(gòu)降低進氣門處的流動損失，可以從降低氣門座處的流速和改善氣門座處的流動情況以提高流量系數(shù)入手解決。過高的氣體流速，會發(fā)生氣體阻塞現(xiàn)象。第3節(jié)提高充量系數(shù)的措施第3節(jié)提高充量系數(shù)的措施定義平均進氣馬赫數(shù)Ma

為進氣門座處氣流的平均速度；cs為進氣門流通截面處的氣體聲速；μsm為進氣門開啟期間的平均流量系數(shù)。進氣平均馬赫數(shù)Ma綜合了進氣門大小、形狀、升程規(guī)律以及活塞速度等因素，其大小與發(fā)動機轉(zhuǎn)速成正比。小型四沖程發(fā)動機當Ma超過0.5后，充量系數(shù)急劇下降。這一結(jié)論，對于設(shè)計和評價氣門機構(gòu)是很有用的。不同氣門傾斜角度的比較不同氣門數(shù)目的比較第3節(jié)提高充量系數(shù)的措施不同進氣門數(shù)目和傾斜角度的進氣門流通截面積進氣門數(shù)目直徑(mm)傾斜角(o)流通截面積(mm2)占氣缸截面積的比值(%)128061312.21322080416.013635101820.2224090518.022820122624.4320094218.832420135727.0第3節(jié)提高充量系數(shù)的措施DOHC四氣門發(fā)動機的優(yōu)缺點比較a)進、排氣面積大，充量系數(shù)提高，同時泵氣損失小，有利于提高動力性能b)利于將火花塞或噴油器布置在中央，有利于提高壓縮比（對點燃式內(nèi)燃機）和改善燃油霧化質(zhì)量（對壓燃式內(nèi)燃機），降低油耗，提高經(jīng)濟性c)可減輕氣門系統(tǒng)運動零部件的質(zhì)量，適應(yīng)高速運轉(zhuǎn)的要求a)氣門機構(gòu)的零部件數(shù)目增加，使制造及維修成本增加b)頂置凸輪軸使缸蓋高度增加，發(fā)動機的高度尺寸加大第3節(jié)提高充量系數(shù)的措施2.采用可變進氣系統(tǒng)技術(shù)從獲得最大充量系數(shù)的角度出發(fā)，理想的配氣系統(tǒng)應(yīng)當要滿足以下要求：1)低速時采用較小的氣門疊開角及較小的氣門升程，防止出現(xiàn)缸內(nèi)新鮮無量向進氣系統(tǒng)的倒流，以便增加轉(zhuǎn)矩，提高燃油經(jīng)濟性。2)高速時應(yīng)具有最大的氣門升程和進氣門遲閉角，以減小流動阻力，充分利用過后充氣，提高充量系數(shù)，以滿足動力性要求。3)配合以上變化，對進氣門從開啟到關(guān)閉的持續(xù)期（又稱作用角）也應(yīng)進行調(diào)整，以實現(xiàn)最佳的進氣定時。(1)可變凸輪機構(gòu)VCS(2)可變氣門定時VVT第3節(jié)提高充量系數(shù)的措施3.減少進氣管和空氣濾清器的阻力4.進氣管內(nèi)動力效應(yīng)諧振或稱調(diào)諧可變進氣系統(tǒng)進氣管長度進氣管截面積（二）降低排氣系統(tǒng)的流動阻力減小排氣門處的流動阻力排氣道應(yīng)是漸擴型的，以保證排氣充分膨脹排氣管排氣管諧振排氣歧管流型與結(jié)構(gòu)消音器減少對進氣充量的加熱進排氣管的布置進氣加熱進氣冷卻第3節(jié)提高充量系數(shù)的措施諧振長進氣歧管排氣消聲器第3節(jié)提高充量系數(shù)的措施可變進氣系統(tǒng)第3節(jié)提高充量系數(shù)的措施第3節(jié)提高充量系數(shù)的措施第3節(jié)提高充量系數(shù)的措施第4章內(nèi)燃機的換氣過程第1節(jié)四沖程內(nèi)燃機的換氣過程第2節(jié)四沖程內(nèi)燃機的換氣損失第3節(jié)提高內(nèi)燃機充量系數(shù)的措施第4節(jié)二沖程內(nèi)燃機的換氣第4節(jié)二沖程內(nèi)燃機的換氣二沖程內(nèi)燃機的換氣過程自由排氣階段掃氣與強制排氣階段過后排氣或過后充氣階段二沖程內(nèi)燃機換氣過程的問題換氣過程時間段，氣門疊開角大，換氣質(zhì)量差，空氣消耗量大進、排氣過程同時進行，空氣與殘余廢氣易摻混，殘余廢氣量多掃氣消耗功大二沖程汽油機的HC排放高變工況性能差換氣質(zhì)量的評價有關(guān)換氣過程的評