发动机原理——第二章 发动机的换气过程

第二章发动机的换气过程

燃烧是做功之本。

燃烧需要空气与燃料。重量比容积比

燃料 1 1 液态

空气15 1000 气态

燃料受机械控制，容易加入。而汽缸容积就那么大，要想多加空气就要困难得多。因此，对发动机换气过程的研究就显得尤为重要了。

§2-1 四冲程发动机的换气过程

一配气定时

与工程热力学中介绍的不同, 进排

气门的开启、关闭也需要时间, 故

在下止点前排气－排气提前角40?～80?

在上止点后关闭－排气迟闭角10?～35?

在上止点前吸气－进气提前角0?～40?

在下止点后关闭－进气迟闭角40?～80?

进气提前角+排气迟闭角－气门叠开角

二换气过程

（一）排气过程

1 自由排气阶段A

排开p >>p’ →p = p’

靠缸内压力将气体挤出气缸，其中

p－缸内压力, p’－排气管内压力。

2 强制排气阶段B

p = p’ → p ≤p’

靠活塞上行将废气挤出气缸。

3 超临界排气C

排开→p = 1.9 p’

=m/s。其流量与压差（p - p’）在气阀最小截面处, 气体流速等于该地音速a kRT

无关, 只决定于排气阀开启面积和气体状态。

4 亚临界排气D

p = 1.9 p’ →排闭。

其流量取决于压差（p - p’）。

（二）进气过程和气门叠开角

-）使新鲜介质进入缸内。

由于节流作用, 缸内产生负压；（p p

气阀叠开角：非增压：20?～60? CA。

太大（引起）→废气回流进气道。

太小→扫气作用不明显。

增压：110?～140? CA。

进气管p↑, 扫气明显, 气阀叠开角可以增大很多。如6135

型高柴：非增压：40?, 增压：124?。

扫气的作用：

1 清除废气, 增加气缸内的新鲜充量。

2 降低排气温度。

3 降低热负荷最严重处（如气阀、活塞等）的温度。

三换气损失

理论循环换气功与实际循环换气

功之差。

如图：换气损失功－X+（Y+W）, 其中（W+Y）

为排气损失功，X为进气损失功。

（一）排气损失功Y

W是因排气门提前开启而损失的膨胀功,

称为自由排气损失。Y是活塞作用在废气上的推出功, 称为强制排气损失功。

排气提前角↑→ W↑，Y↓。

综合效果, 要求（Y+W）↓, 故（W+Y）有一个最佳值（W+Y）min。对应排气提前角亦有一个最佳值, n↑→（W+Y）min↑。

（二） 进气损失功X

进气损失功小于排气损失功，即X < Y

（三） 泵气损失功 （X+Y-D ）

在实际示功图中, 把（W+d ） 归到指示功中考虑。而把泵气损失功 （X+Y-d ） 归到机械损失中考虑。

§2-2 四冲程发动机的充气效率

一 充气效率

（一） 定义

为比较不同大小、不同类型发动机的充气品质和换气过程的完善程度, 不受气缸工作容积V h 的影响, 引入充气效率ηv 的概念。

由于有进气阻力等因素的影响, 实际进入气缸中的新鲜充量必然小于理论上进气状态下充满工作容积的新鲜充量。二者之比称为充气效率

ηv , 即

ηv =实际进入汽缸的新鲜充量进气状态下充满汽缸工作容积的新鲜充量

ηv h

G G m m V V ==≈????001 其中：??G m V ,,1－实际充量的重量，质量和体积； ??G m V 001,,－理论充量的重量，质量和体积； 进气状态：非增压：空气滤清器后进气管内的气体状态, 通常取为当地的大气

状态。

增 压：增压器出口状态。

严格地说，充气效率应为

ηv =实际进入汽缸的新鲜充量以标准大气状态充满汽缸工作容积的新鲜充量

更合理。这样，在后面将要讲到的大气修正中，不同的压力和温度下进气量的比值就等于其

充气效率之比。否则，按照前头的定义式，大气温度越高，充气效率反而会越高，讲起来似乎无法接受。而且也不具备可比性。

（二） 实际测量

ηv h V V =1'

'

理论流量

实际流量= 其中：V 1'－实际测量 [ m 3/h ]

V V L i n V i n m h h h h '[].[/]=???=10002

600033 充气效率是衡量换气过程进行得完善程度的重要指标。

柴油机 0.75～0.90

汽油机 0.70～0.85

二 充气效率的分析式

充入汽缸的新鲜充量 = 缸内气体的总质量－缸内残余废气质量

（一） 进气门关闭时缸内气体的总质量

m V V a c h a =+()'ρ

其中V c －余隙容积；V h '－进气门关闭时缸内工作容积； ρa －进气终了缸内气体密度。

（二） 排气门关闭时缸内残余废气的质量

m V r r r =ρ

其中V r －排气门关闭时缸内容积；ρr －排气门关闭时缸内残余废气密度。

（三） 充入汽缸的新鲜充量

ηρρρv h c h a r r V V V V 0=+-()' 其中ρ0－大气状态下气体密度。

（四） 充气效率的分析式

ηv m m =??0

=+-()'V V V V c h a r r h ρρρ0 =+-V V V V V V V c h c a r c r h c

'ρρρ0 其中1+=V V h c

ε－压缩比；1+=

一般εe =(.08～09.)ε。若假设εεe =，有

ηερρερv a r =--()10

带入理想气体状态方程式，得

ηεεv a a r r T p p T p T =--?? ??

?1100 其中p T 00,－大气压力和温度；p T a a ,－进气终了时缸内的压力和温度；

p T r r ,－排气终了时残余废气的压力和温度。

p T a a v ↑↓→↑,η；p T r r v ↓↑→↑,η。

ηv 的分析式为定性分析ηv 的影响因素提供了依据。

§2-3 影响充气效率的各种因素

一 进气终了压力p a

（一） 进气阻力?p a

p p p a a =-0?

?p a ↑ → p a ↓ →

ηv ↓ ?p a 对p a 的影响最大。进气系统的沿程阻力和局部阻力均会使?p a 增大。

（二） 转速

n ↑ → ?p a ↑↑ → p a ↓ → ηv ↓

（三） 负荷

汽油机：负荷 ↑ → 节气们开度 ↑（质调节） → ?p a ↓ → p a ↑ → ηv ↑

柴油机：负荷 ↑ → 循环供油量 ↑ （量调节）（与?p a 无关） →

热负荷 ↑ →T a ↑ → ηv ↓ （不大）

二 进气终了温度T a

T a a v ↑→↓→↓ρη

（一） 转速

负荷一定：n ↑ →T a v ↓→↑η

综合p a 、T a 的影响， n ↑ → ηv ↓。

（二） 负荷

转速一定：负荷 ↑ → 热负荷 ↑ →T a ↑ →

ηv ↓ 柴油机：进、排气管分置。

避免排气管对进气管加热，使T a ↓ → ηv ↑

汽油机：进、排气管同置。

虽然T a ↑ →

ηv ↓，但燃油受热增发快，可以改善混合气形成。

三 排气终了压力p r

p r ↑ → 残余废气量↑ →ηv ↓

p r ∝ 排气门处的阻力 ∝ n 2，所以

n ↑ → p r ↑ → ηv ↓ （影响较小）

四 排气终了温度T r

T r ↑ → ηv ↑

五 压缩比ε

ε↑ →

ηv ↑

ηv 公式仅为定性分析用的，是粗略的。还有许多因素未予考虑。如：压力升高比λ，绝热指数k ，进气马赫数Ma ，热传输和过量空气系数α等。

§2-4 提高充气效率的措施

减小进气系统阻力。

沿程阻力，局部阻力（节流阻力）。

汽油机：空气滤清器→化油器→进气管→进气道→进气门

柴油机：空气滤清器→进气管→进气道→进气门

一减小流动阻力

（一）进气门

1 进气门直径d进

一般: 进气门流通面积

活塞顶面积

=0.20～0.25

d

进

↑→p a↑→ηv↑（影响大）

d

排

↑→p r↓→ηv↑（影响小）

一般：d进> d排

2 四气门

流通面积f1↑ 40%左右。但结构复杂，造价较高。

f1↑↑→ηv↑↑→N e↑↑（可达30%），g e↓↓3 气门升程h

h↑，时面值↑→ηv↑

4 阀顶过渡圆角R

R↑↑→f1↓→ηv↓

R↓↓→流动阻力↑→ηv↓

R应适中。

（二）进气管