章 發(fā)動機的換氣過程2015

1發(fā)動機原理第三章發(fā)動機的換氣過程本章目的：了解換氣過程的情況，分析影響充氣量的因素，尋找提高充氣量的途徑。2023/12/222§3.1四行程發(fā)動機的換氣過程

作用：盡可能排除缸內(nèi)廢氣并充入盡可能多的新鮮工質(zhì)。每循環(huán)進入氣缸的新鮮工質(zhì)量對性能影響：影響到汽車的經(jīng)濟性、排放、噪聲及乘坐的舒適性等。要求：盡可能合理地延長換氣時間：發(fā)動機換氣過程包括排氣過程和進氣過程。理論上進排氣各占180°（合計360°

）曲軸轉(zhuǎn)角。實際上由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速高，一個行程的歷時只有

60/（6000*2）＝0.005s=5ms，∵時間短→充氣不足，排氣不凈→Pe↓?！嘁M量延長進、排氣時間（換氣過程)，即擴大進、排氣的曲軸轉(zhuǎn)角。組成：從排氣門開啟--進氣門關(guān)閉的整個時期，約占410o～480o曲軸轉(zhuǎn)角。一般分作自由排氣、強制排氣、進氣和氣門疊開四個階段。2023/12/223配氣定時（配氣相位）：

進、排氣門開、關(guān)的曲軸轉(zhuǎn)角時刻稱為配氣定時（相位），用相對上、下止點的曲軸轉(zhuǎn)角的環(huán)形圖來表示則稱為配氣定時圖。主要階段及特點如下：2023/12/224配氣定時（配氣相位）圖1、排氣提前角γ=30°～80°

：從排氣門打開到下止點這段曲軸轉(zhuǎn)角。作用：①在活塞上行時排氣門有足夠大的開啟面積，減小排氣阻力；②高溫廢氣迅速排出可減小發(fā)動機熱負荷；2、排氣遲閉角δ=10°～35°：從上止點到排氣門完全關(guān)閉這段曲軸轉(zhuǎn)角。作用：利用壓力差和廢氣流慣性盡可能排凈出廢氣。3、進氣提前角α=0°～40°：從進氣門打開到上止點這段曲軸轉(zhuǎn)角。作用：在活塞下行時進氣門有足夠大的開啟面積，新鮮工質(zhì)可以順利流入氣缸；冷卻燃燒室壁面以降低Ta提高充氣效率。2023/12/2254、進氣門遲閉角β=40°

～70°

：從下止點到進氣門關(guān)閉這段曲軸轉(zhuǎn)角。作用：利用高速氣流的慣性和壓力差在下止點后繼續(xù)充氣，增加進氣量。5、氣門疊開δ+α

：由于排氣門的遲閉和進氣門早開，存在進、排氣門同時打開的狀態(tài)，稱為氣門疊開（氣門重疊）。作用：掃氣，清除殘余廢氣，減小殘余廢氣系數(shù)；降低高溫零件的溫度（降低Ta提高ηv）但要保證不應(yīng)產(chǎn)生廢氣倒流現(xiàn)象。δ+α范圍：增壓發(fā)動機可達80°～160°；非增壓發(fā)動機一般為20°～80°。2023/12/226換氣過程詳解一、排氣過程

【180°+γ(30°～80°)+δ

（10°～35°）】≈（220°～295°）

排氣形式分類（按速度）：超臨界排氣：廢氣流量與排氣管內(nèi)壓力無關(guān)，只決定于氣缸內(nèi)氣體的狀態(tài)和氣門有效開啟面積。排氣初期：排氣為超臨界狀態(tài)，此時缸內(nèi)廢氣壓力約為0.2～0.5MPa，Pb/Pr>1.9（臨界值），廢氣以當(dāng)?shù)芈曀賑（m／s）流過排氣門開啟截面。

排氣提前角排氣遲后角當(dāng)Tr=700～1100K時，可達500～700m/s2023/12/227亞臨界排氣：隨著廢氣排出、缸內(nèi)壓力的下降排氣流動轉(zhuǎn)入亞臨界排氣，此時廢氣流量決定于氣缸內(nèi)和排氣管內(nèi)的壓力差，和氣門有效開啟面積排氣形式分類（按做功）：自由排氣階段：從排氣門打開到氣缸壓力接近排氣管壓力的這個時期。特點：自由排氣階段排出廢氣量與轉(zhuǎn)速無關(guān)，時間雖短但占60%以上。自由排氣結(jié)束的標志為:Pb=Pr；在Pr＝C，Tr＝C，Vr＝C強制排氣階段：克服排氣系統(tǒng)阻力活塞強制推出廢氣（一般從下止點算起）。2023/12/228二、進氣過程：進氣門開啟~關(guān)閉作用：活塞下行、缸內(nèi)容積增加、缸內(nèi)壓力下降。環(huán)境壓力－缸內(nèi)壓力>進氣系統(tǒng)阻力，吸入新鮮工質(zhì)。提前角：0~40°CA

足夠開啟面積，

阻力；遲關(guān)角：40~70°CA

利用氣流慣性，多進氣

隨發(fā)動機工況變化，設(shè)計或控制最佳進氣遲關(guān)角，對改善發(fā)動機性能至關(guān)重要

(180o+α(0-40o)+β（40-70o）≈220-390°)2023/12/229W:自由排氣損失：由實際循環(huán)線外側(cè)、理論循環(huán)線內(nèi)側(cè)、Va的平行線所組成的面積，在計算指示功時不記錄此部分面積。是實際循環(huán)相對于理論循環(huán)損失的部分，僅作為換氣損失而不是泵氣損失的組成部分。Y：強制排氣損失，由排氣線、P0線、Va的平行線組成的面積。是理論循環(huán)與實際循環(huán)損失的一部分，也在實際循環(huán)中作為負功。X：進氣損失：進氣線、壓縮線、P0線組成的面積。是換氣、泵氣損失的組成部分。

進氣損失→X三、換氣損失自由排氣損失→W；（W+X+Y）排氣損失強制排氣損失→Y。

（X+Y-d）的面積稱作泵氣損失在所有損失中排氣損失為絕大部分，因此適當(dāng)匹配排氣提前角，使得W+Y的面積最小可以降低換氣損失，從而提高發(fā)動機的性能2023/12/2210§3.2四行程發(fā)動機的充氣效率一、充氣效率定義：充氣效率：實際進入氣缸的新鮮工質(zhì)量（m1）與進氣狀態(tài)下充滿氣缸工作容積的新鮮工質(zhì)量（ms）的比值。測量方法：充氣效率可直接測定，用空氣流量計測出發(fā)動機每小時實際充氣量m1（kg/h）理論充氣量ms（kg/h）由下面的公式算出：式中：Vs——氣缸工作容積（m3）；

i——氣缸數(shù)；

n——發(fā)動機轉(zhuǎn)速（r／min）。

ρs——進氣狀態(tài)下氣體密度式中：m1、V1——實際進入氣缸的新鮮工質(zhì)的質(zhì)量、體積（進氣狀態(tài)）；

ms、Vs——進氣狀態(tài)下充滿工作容積的新鮮工質(zhì)的質(zhì)量、氣缸工作容積。進氣狀態(tài)s：非增壓發(fā)動機指節(jié)流閥前；增壓發(fā)動機，指增壓器壓氣機出口的狀態(tài)。意義：ηv↑→m1

↑→Q1

↑→pme

↑→PL

↑→Pe↑，即動力性可以提高2023/12/2211二、影響充氣效率的因素：公式推導(dǎo)1、設(shè)進氣完成后缸內(nèi)殘余廢氣質(zhì)量為mr，進入新鮮工質(zhì)質(zhì)量為m1

，則進氣終了缸內(nèi)總工質(zhì)質(zhì)量ma=m1+mr

，令殘余廢氣系數(shù)r=mr/m1

，則有

m1=ma/（1+r）2、令進氣終了時氣缸內(nèi)的總?cè)莘eV?a（有效進氣容積）與氣缸總?cè)莘eVa的比值為ξ<1（有效進氣體積系數(shù)，因為進氣遲閉角，ξ<1）3、有4、因為PV＝mRT，有P/RT=m/V＝ρ；Va/Vc=ε，Vs/Vc=(Va-Vc)/Vc=ε-15、將3式分子分母同除以Vc，且對于理想氣體有Ra為常數(shù)，可以推出

2023/12/2212二、影響充氣效率的因素：可見，影響充氣效率的因素有：環(huán)境溫度和壓力Ts,Ps、進氣終了的氣缸溫度和壓力Ta,Pa、殘余廢氣系數(shù)r、壓縮比ε及氣門正時引起的有效進氣體積系數(shù)ξ等。進氣終了的壓力pa式中，為氣體流動時，克服進氣系統(tǒng)阻力而引起的壓降（kPa）。

其中：λ——管道阻力系數(shù)；

ρ——進氣狀態(tài)下氣體的密度（kg／ms）；

v——管道內(nèi)氣體的流速（m/s）?？梢?，△pa主要取決于管道阻力系數(shù)與氣體的流速。2023/12/2213二、影響充氣效率的因素1、轉(zhuǎn)速的影響若n↑→

（λ+v）↑→△pa

↑→pa↓→ηv

↓（對比汽、柴充氣效率圖、Pa圖）兩端低（自然中間就高了），出現(xiàn)的峰值轉(zhuǎn)速決定于進氣遲關(guān)角。低速時，由于進氣流速低、慣性小，活塞上行時進氣反流。高速時，時間短，進氣慣性沒完全利用，同時進氣阻力降增加，下降更劇烈柴油機無節(jié)氣門λ小，所以充氣效率高且下降平坦。柴油機汽油機2023/12/22142、負荷的影響（n一定）汽油機（量調(diào)節(jié)），負荷↓→（節(jié)氣門?。鱬a↑→pa↓→ηv↓。負荷↑→Pa增加（系數(shù)、速度），Ta略微增加，充氣效率增加。柴油機（質(zhì)調(diào)節(jié)）負荷↑→pa不變，Ta↑→ηv基本不變或略微下降2023/12/22153、進氣終了的溫度aT：

aT=T0+aDT

aT>T0的原因是：

①高溫零件加熱；

②殘余廢氣加熱；

③進氣預(yù)熱。

ˉˉ?-?DTvaahr

\在條件允許的情況下，應(yīng)力求降低aT值。例如，將高溫排氣管與進氣管分置于氣缸兩側(cè)，控制進氣預(yù)熱，適當(dāng)加大氣門疊開角等，均有利于降低aT

影響因素：

負荷--DT?a

ˉDT-?an（接觸時間短）

2023/12/22165、壓縮比ε

ε↑→Vc↓→殘余廢氣量↓→ηv↑4、2023/12/22176、配氣定時由于進氣門遲閉，有效容積系數(shù)ξ<1

，新鮮充量的容積減小，但pa值卻可能因有氣流慣性而使pa↑，合適的配氣定時應(yīng)考慮ξ*pa具有最大值。下圖隨進氣遲關(guān)角的增加峰值的外包絡(luò)線逐漸下降（ξ↓）隨進氣遲關(guān)角的增加峰值越靠近高速區(qū)域。合理匹配β可以改變發(fā)動機的扭矩特性，功率特性。進氣遲關(guān)角β↑nηv2023/12/22187、進氣或大氣狀態(tài)Ts、Ps環(huán)境溫度Ts隨環(huán)境溫度的增加，環(huán)境溫度與缸壁等熱部件的溫差減小，Ts/Ta↑，充氣效率有所增加。一般情況下，充氣效率與（Ts/Ta）m

成正比，m≈0.25-0.3.轉(zhuǎn)速增加，作用時間短Ts/Ta增加；負荷增加缸壁溫度增加，Ts/Ta減小。環(huán)境壓力Ps對充氣效率沒有影響。Pa=ps-1/2λ*v2*ρs，兩端同除以Ps，可見，Pa/Ps在溫度相同的情況下為常數(shù)，充氣效率不變。則，冬天與夏天相比，冬天的充氣效率低，但功率大，m1增加，動力性提高。高原時（溫度不變），充氣效率不變，動力性下降（Pa下降）。2023/12/2219§3.3提高充氣效率的措施從影響因素出發(fā)，提高充氣效率的措施主要有：減小進氣系統(tǒng)阻力：提高pa合理匹配配氣相位：綜合優(yōu)化有效容積比和慣性進氣。減小排氣系統(tǒng)阻力：降低殘余廢氣系數(shù)減小進氣加熱：降低Ta2023/12/2220一、減小進氣系統(tǒng)的阻力（Pa）一）減小進氣門處的阻力在整個進氣系統(tǒng)中，進氣門處的流通截面最小且截面變化最大，因此增大此處的流通能力并減小流動損失一直是人們關(guān)注的重點。1、時面值、角面值（氣門開啟豐度）定義：整個氣門開啟過程中開啟面積對時間、角度的積分稱為時面值、角面值。代表了氣門總的開啟面積，也可以反應(yīng)氣門開啟的豐滿程度φ（流通能力）。

與凸輪升程規(guī)律（氣門升程規(guī)律）、氣門密封錐角有關(guān)。一般的角面值不變化（凸輪一定、氣門升程規(guī)律一定），而時間變短，時面值下降，換氣過程就相對困難（阻力系數(shù)λ增加）。在具體的發(fā)動機中，角面值一般不隨轉(zhuǎn)速而變化，則高轉(zhuǎn)速時，時面值減小。

=

=6nt；f：dt內(nèi)氣門開啟的面積2023/12/222、進氣馬赫數(shù)Ma：進氣馬赫數(shù)Ma是進氣門處氣體的平均速度與該處聲速c的比值。平均流速vm：實際進入氣缸的新鮮充量與進氣門有效時面值F（t）之比，式中μm

——進氣門開啟期間的平均流量系數(shù)；

Fm——進氣門平均開啟面積；

t0、tc——進氣門開、關(guān)時間；

φ0

、φc——進氣門開、關(guān)角度。式中：F——活塞面積；

Cm——活塞平均速度；

D、d——活塞與進氣閥盤的直徑。2023/12/22222、進氣馬赫數(shù)Ma：根據(jù)試驗可知，在正常的配氣條件下，當(dāng)Ma超過一定數(shù)值（0.5左右）時，會形成氣阻，無法進入更多氣體，便急劇下降。即使提高轉(zhuǎn)速，因單位時間充氣量無法增加，功率也不能增加。因此，必須注意控制Ma值。它反映流動對充氣效率的影響，成為分析充氣效率的一個特征數(shù)。由式知，增大氣門的相對通過面積；改善氣門處的氣體流動；合理的配氣相位，是限制Ma值、提高ηv的有效方法，對于高速發(fā)動機尤為重要。2023/12/22233、氣門直徑和氣門數(shù)進氣門直徑↑→氣流通路截面積↑→ηv↑。在雙氣門（一進一排）進氣門直徑/活塞直徑=45%～50%；進氣門比排氣門直徑大15-20%進氣門面積/活塞面積=0.2～0.25。多氣門結(jié)構(gòu)缸徑大于80mm時，采用二進二排結(jié)構(gòu)；缸徑小于80mm時，采用三進二排結(jié)構(gòu)，可獲得最大開啟面積。四氣門機與兩氣門機相比，功率可提高70%，最大扭矩可提高30%。

4、氣門升程規(guī)律適當(dāng)增加氣門升程，改進凸輪型線，減小運動件質(zhì)量，增加零件剛度，在慣性力允許條件下使氣門開閉得盡可能快，從而增大時面值，提高通過能力。最大氣門升程與閥盤直徑之比L/D＝0.26～0.28。5、減少氣門處的流動損失氣門頭部與桿部的過渡要盡量保證流線型，防止產(chǎn)生流動渦流（阻力）；薄壁化（喇叭口）；氣門封面錐角走向（小角度時面值會大，大角度承壓面積減?。?023/12/2224二）、進氣道和進氣管為減少進氣道內(nèi)的阻力應(yīng)避免急劇拐彎；（廣、直、勻、光）過渡回角應(yīng)選擇大一些；截管道各面變化要平緩；表面光潔度要高。進氣管截面一般有三種：圓形、矩形及D字形。截面相同時，圓形阻力最小?？勺冞M氣管長，諧波進氣（根據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速不同，自動調(diào)整進氣管長度，從而能夠充分利用進氣過程中較高的進氣諧波，提高充氣系數(shù)）。一般原則為低速、大扭矩時細長（在阻力變化不大情況下提高慣性）、高速時短粗（慣性不變的情況下減小阻力系數(shù)）。三）、空氣濾清器空氣濾清器阻力隨結(jié)構(gòu)而不同。它必須在保證濾清效果的前提下，盡可能減小阻力，如加大通過斷面，改過濾清器性能。在使用中，應(yīng)經(jīng)常清洗濾清器，及時更換濾芯。2023/12/2225二、合理選擇配氣定時（ξ、γ、Ta）利用進氣遲關(guān)角來優(yōu)化匹配最大值對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，從而優(yōu)化最大功率點、最大扭矩點；利用氣門疊開角掃氣減小殘余廢氣系數(shù)并降低熱負荷、減小NOx排放，且保證不倒流。合理選擇配氣定時，保證最好的充氣效果，改善發(fā)動機性能，是非常重要的問題。

1)ηv曲線相當(dāng)于在一定的配氣定時下，隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系。當(dāng)n↑→①氣流慣性↑若進氣門遲閉角不變→使一部分可以利用氣流慣性進入氣缸的氣體被關(guān)在氣缸之外；ηv

↓當(dāng)n↓→氣流慣性又可能使一部分氣體被推回進氣管→

ηv

↓（進氣倒流）

ηv是在某一轉(zhuǎn)速下達到最高值，說明在這個轉(zhuǎn)速下工作，能最好地利用氣流的慣性充氣。

n1n22023/12/2226二、合理選擇配氣定時（ξ、γ、Ta）2)改變進氣遲閉角，可以改變ηv隨轉(zhuǎn)速變化的趨向，可用以調(diào)整發(fā)動機外特性的扭矩曲線，滿足不同的使用要求。加大進氣門遲閉角，高轉(zhuǎn)速時ηv增加，有利于最大功率的提高，但對低速和中速性能則不利。減小過氣遲閉角，能防止低速倒流，有利于提高最大扭矩，但降低了最大功率。因此，對于配氣定時不能改變的發(fā)動機，應(yīng)根據(jù)常用工況確定進氣遲閉角。

n1n22023/12/2227VVT-I(VariableValveTiming-intelligent)系統(tǒng)：特點：隨n可連續(xù)改變進氣凸輪軸相對曲軸的位置

改變配氣相位。1-油壓控制閥2-VVT-i皮帶輪

3-螺旋齒輪4-曲軸位置傳感器5-機油泵6-凸輪轉(zhuǎn)角傳感器系統(tǒng)組成：2023/12/2228合理選擇配氣定時（ξ、γ、Ta

）合理的排氣提前角應(yīng)當(dāng)在保證排氣損失最小的前提下，盡量晚開排氣門，以加大膨脹比，提高熱效率。當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時，相應(yīng)的自由排氣時間減小，為降低排氣損失，應(yīng)增加排氣提前角。在氣門疊開期間，可以利用排氣管的壓力波減小殘余廢氣系數(shù)，ηv增加，新鮮工質(zhì)流過高溫零件，降低熱負荷，減少NOX，故應(yīng)安排適當(dāng)?shù)臍忾T疊開角。車用汽油發(fā)動機的使用轉(zhuǎn)速范圍寬廣，當(dāng)發(fā)動機在低速、小負荷時，進氣管真空度大，且同樣的疊開角相當(dāng)?shù)臅r間長，會產(chǎn)生廢氣倒流，故為改善低速性能及怠速穩(wěn)定性，要求氣門疊開角??；2023/12/2229三進氣管長度及氣流的動態(tài)效應(yīng)進氣管對

v的影響：進氣管長度

進氣系統(tǒng)阻力；波動效應(yīng)

管道內(nèi)壓力波動

可變進氣管長度：從

進氣阻力角度，越短越好，但氣管長度

低速充氣效率

，且峰值

。

低速區(qū)：氣流速度低，流動損失不明顯；動態(tài)波動效應(yīng)

v

高速區(qū)：氣流速度高，流動損失明顯，

v

2023/12/22動態(tài)效應(yīng)：慣性效應(yīng)波動效應(yīng)

用發(fā)動機間歇進排氣產(chǎn)生的進排氣管內(nèi)壓力波

v慣性效應(yīng)：利用進氣行程中產(chǎn)生的壓力波，在進氣門關(guān)閉之前進氣門處出現(xiàn)正壓波

v的效果。慣性效應(yīng)原理1-活塞(手)2-氣缸容積（彈簧6）3-進氣閥4-進氣管氣體質(zhì)量（重塊5）壓力波：活塞運動時氣缸容積變化而產(chǎn)生負壓引起活塞：激振源；缸內(nèi)容積：彈簧;管內(nèi)氣流柱：慣性質(zhì)量。

2023/12/22本次進氣行程中，進氣壓力波的固有頻率：當(dāng)轉(zhuǎn)速為n時，進氣頻率

：c：進氣管內(nèi)氣體的聲速；L：進氣管當(dāng)量長度則定義慣性效應(yīng)的波動次數(shù)

：由此確定慣性增壓n所對應(yīng)的進氣管長度L2023/12/22(2)波動效應(yīng)：利用進氣門關(guān)閉后的進氣管內(nèi)壓力波，來提高氣缸進氣量的效果。進氣管長度調(diào)節(jié)，故需與慣性效應(yīng)同時考慮。進氣門關(guān)閉：氣門處向外傳正壓波，至管端反射;管端開口邊界:反相，負壓波；負壓波至氣門處

反射負壓；負壓波至管端

反射正壓波。周而復(fù)始。正壓波與進氣過程重合時可提高充氣效率2023/12/22波動效應(yīng)：氣體壓力波在進氣管道內(nèi)2個來回完成一次振動，其固有頻率為：故，波動效應(yīng)的波動次數(shù)為：當(dāng)qb=1,2,…時波動效應(yīng)與進氣同步,氣門開啟期與負壓波重合，

v

當(dāng)qb=1.5,2.5,…時,氣門開啟期間與正壓波重合，

v

2023/12/223）慣性可變諧振增壓進氣系統(tǒng)動態(tài)效應(yīng)是進氣管內(nèi)壓力波的諧振結(jié)果

諧振效果同側(cè)的1/3/5缸和2/4/6缸各采用獨立進氣共振管、穩(wěn)壓箱和各自的進氣支管。穩(wěn)壓箱和各進氣支管長度構(gòu)成該氣缸慣性增壓系統(tǒng)。長進氣管2、穩(wěn)壓箱以及各氣缸構(gòu)成各自的共振系統(tǒng)。圖3-21慣性可變共振諧振管1-雙節(jié)氣門2-共振管長3-慣性增壓4-切換閥5、7-共振增壓6-進氣支管慣性增壓共振管2023/12/2235減小排氣系統(tǒng)阻力（r）選擇合理的排氣消音器和后處理器結(jié)構(gòu)（排氣管合格的國標為動力性下降小于5%），也是為了減小殘余廢氣系數(shù)。減少進氣加熱（Ta）進排氣管分布在兩側(cè)4）、排氣管的波動效應(yīng)2023/12/22§3.5EGR系統(tǒng)（廢氣再循環(huán)）殘余廢氣系數(shù)：評價氣缸換氣的完善程度

EGR：調(diào)節(jié)混合氣成分，

混合氣總熱容

控制燃燒速率，

Tz，有效降低NOx。一、EGR率定義：無EGR時進入氣缸的空氣流量有EGR時進入氣缸的空氣流量EGR流量定義2：EGR混合后的CO2濃度流經(jīng)EGR管氣體的度

CO2濃度大氣中的CO2濃度專用測試設(shè)備定義1：2023/12/22二、EGR對發(fā)動機性能的影響汽油機實施EGR：進氣流量

，但噴油量也

，

A/F保持不變。

EGR的作用：

加熱混合氣，與殘余廢氣一起稀釋混合氣，工質(zhì)的總熱容，

燃燒速度，著火落后期i，Tz

，NOx

汽油機實施EGR率=0%~25%時，NOx排放量可降低50%~70%左右。2023/12/22柴油機實施EGR：

進入氣缸的空氣量

噴油量不變

混合氣變濃；結(jié)果

缸內(nèi)氧和氮濃度；同時廢氣的惰性作用

混合氣熱容

，抑制燃燒，

Tz。

柴油機廢氣中含氧量>>汽油機，而CO2含量少，

可實施較大EGR率=40%~50%。柴油機實施EGR后，在保持經(jīng)濟性的前提下，可有效降低NOx