发动机换气过程-汽车发动机原理
发动机原理与汽车理论发动机原理基础知识
10
燃烧过程
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结论：膨胀
发动机的实际膨胀过程与压缩过程很相似，也是一 个复杂的热力过程（吸热量大于放热量、吸热量等于 放热量、吸热量小于放热量）。总体来说，缸内气体 的吸热量大于放热量。 膨胀过程不仅有散热损失和漏气损失，还有补燃损 失。 膨胀过程终了b点的压力和温度越低，说明气体膨胀 和热量利用越充分。
发动机原理与汽车理论 发动机原理基础知识
2
课程内容概述
第一章 发动机原理基础知识 第二章 发动机的换气过程 第三章 汽油机的燃料与燃烧 第四章 柴油机的燃料与燃烧 第五章 燃气发动机的燃料与燃烧 第六章 发动机的特性 第七章 汽车的动力性 第八章 汽车的制动性 第九章 汽车的使用经济性 第十章 汽车的操纵稳定性 第十一章 汽车的舒适性 第十二章 汽车的通过性 第十三章 汽车性能的合理使用
原子数，单：k=1.67，双：cvk=1.4，三：k=1.3。
根据热力学公式和循环平均压力可求出混合加热循环的平均 压力为：
pt
k 1
p1
k 1
1
k
1t
影响因素
定容加热循环。
由4个热力过程组成:（ρ=1）
循环净功为W 。
将ρ=1代入混合加热循环计算式中。
定容加热循环的热效率为：
t
1
1
k 1
定容加热循环的平均压力为： pt
k p1
1 k 1
1t
影响因素
18
4.理想循环的影响因素
（1）压缩比ε。ε提高,循环热效率ηt和平均压力pt提高。因 为ε提高，可以提高压缩终了的温度和压力，在定容加热量一定 时，缸内最高压力提高，使膨胀功增加。
(2）压力升高比λ和预胀比ρ。在定容加热循环中，压力升高比 λ增加，循放加热量增加(在ε一定时)，使循环净功W0和循环放 热量Q2均相应增加, 所以循环热效率不变，但循环平均压力提高； 在混合加热循环中(在ε和总加热量一定时) ，λ提高，预胀比 ρ减小，循环热效率和平均压力提高。
发动机的工作原理
发动机的工作原理发动机是一种能够把燃料的化学能转化为机械能的设备，是现代交通工具中不可或缺的动力装置。
发动机的工作原理可以分为四个基本步骤：进气、压缩、燃烧和排气。
首先，进气阶段：发动机通过气门控制进气门的开闭，利用气缸的负压，将大量的空气吸入到气缸中。
一般情况下，空气通过空气过滤器进入气缸，进气道的长度和形状也会影响气缸内的气流。
接下来，压缩阶段：气缸的活塞向上运动，将吸入的空气压缩。
这个过程会增加气体分子之间的碰撞，使气体分子的平均速度和压强增加，同时也增加了气体的温度。
压缩比越大，发动机的效率也就越高。
第三个阶段是燃烧阶段：在活塞接近顶死点的时候，燃料以雾状或者喷雾的形式通过喷油嘴喷入气缸中。
燃料与高温高压的空气混合后，由于活塞的挤压作用，燃料的温度升高，燃烧形成的高温高压气体推动活塞向下运动。
这个过程在燃烧室中同时进行。
最后，排气阶段：活塞再次向上运动，将燃烧后的废气通过排气门排出。
这个过程中需要利用排气门的开闭和活塞的运动，将废气推出气缸，并通过排气管排到大气中。
上述四个阶段是内燃机的基本工作原理，但具体的发动机类型和结构会有所不同。
根据燃料的不同，发动机可以分为汽油发动机和柴油发动机。
汽油发动机使用混合燃料，是通过汽油的蒸发产生燃烧所释放的热能推动活塞运动。
柴油发动机使用柴油作为燃料，是通过高压喷射形成的高温高压燃烧气体推动活塞运动。
此外，发动机的结构也会因车型和设计目标的不同而有所差异。
一般来说，一个发动机由气缸体、活塞、连杆、曲轴、气门等几个部分组成。
气缸体是一个密闭的容器，用于容纳活塞和构成燃烧室。
活塞通过连杆与曲轴相连，活塞的上下运动由曲轴转化为旋转运动，并输出动力。
气门则通过气门机构控制进出气缸的气体流动。
总结起来，发动机通过气缸的吸入、压缩、燃烧和排气四个阶段，将化学能转化为机械能。
不同类型的发动机和结构会有所不同，但基本的工作原理是相通的。
发动机作为交通工具的核心部件，不断的技术创新和研究将使得发动机更加高效、环保和可靠。
发动机 工作原理
发动机工作原理
发动机是一种将化学能转化为机械能的装置，主要用于推动汽车、飞机、船舶等运输工具。
发动机的工作原理是通过燃烧燃料产生高温高压气体，以驱动活塞作往复运动，再将活塞运动转化为旋转运动，从而推动车辆或机器。
发动机的工作过程分为四个基本循环：进气、压缩、燃烧和排气。
首先，在进气阶段，发动机的活塞下行，气门打开，使燃料和空气混合物进入燃烧室。
接着，在压缩阶段，活塞向上运动，气门关闭，将混合物压缩成高压状态。
然后，在燃烧阶段，引火系统引燃混合物，形成火焰，火焰的热能使气体放出高温高压气体。
最后，在排气阶段，活塞再次向下运动，将高温高压气体排放到排气系统中。
发动机的工作原理是基于能量守恒和热力学原理的。
燃料在燃烧室中燃烧时释放出的热能转化为气体的内能，使气体的压力和温度增加。
活塞运动将这部分能量转化为机械能，并通过连杆和曲轴传输到输出轴，推动车辆或机器的运动。
发动机的效率取决于燃烧过程的充分程度、压力比、温度比及排气阻力等因素。
提高发动机效率的方法包括提高压缩比、改善点火系统、减少燃料损耗和排气阻力等。
总之，发动机通过燃烧燃料产生高温高压气体，以驱动活塞作往复运动，并将活塞运动转化为旋转运动，从而将化学能转化为机械能，推动车辆或机器的运动。
发动机的工作原理是基于能量守恒和热力学原理的。
发动机原理第三章 内燃机的换气过程
➢惯性进气
进气迟闭角：从进气下止点
河
到进气门关闭为止的曲轴转
南 理
角。
工
大
学
四冲程内燃机的换气过程
河 南 理 工 大 学
上止点
下止点
河 南 理 工 大 学
四冲程内燃机的换气过程
气门叠开现象和气门定时
气门叠开 配气相位 气门定时 扫气现象
进、排气提前角和迟闭角：
排气提前角：30~80°CA
南
理
工
TS ,Ta ,c , ρs
大
学
§3-3 提高充气效率的措施
➢ 减小进气系统阻力 ➢ 合理选择配气定时 ➢ 有效利用进气管的动态效应 ➢ 有效利用排气管的波动效应
河 南 理 工 大 学
一、减少进气系统阻力
一）进气门：阻力最大
气门的流通能力——时面值或角面值
Af
dt
1 6n
Af
d
=6nt
pa ps pa
流动阻力和转速关系
pa
v 2
2
和v
进气阻力的主要措施: 进气管长度、转弯半径、
管道内表面粗糙度；气流速度；增压中冷
和 r ： ，Vc ， r ，c
r c 燃烧恶化
河 南
汽油机： =6~12 r =0.05~0.16
理 工
非增压柴油机： =14~18 r =0.03~0.06
用电磁阀将高压共轨内油量进行合理分配控制油 压柱塞位置控制气门升程。
为精确控制气门升程 设置气门位移传感器
油压式可变配气机构的特点：
➢控制自由度高，提高进排气效 率气门的丰满系数接近1；
➢主要缺点：存在气门落座速度
河 南
汽车发动机原理第4章 换气过程与循环充量
VK2
E5757
4.3.2
进气温升对Φc的影响
进气温升△Ta′↑，工质密度↓， Φc ↓。
进气温升△Ta′由下列四项组成，
△Ta′=△Tw+△TL+△Tr+△Tg 式中， △Tw—高温壁面传热所引起的温升；合理冷却，降低热负荷； △TL —压力损失变为摩擦热引起的温升；减小Δpa； △Tr—残余废气与新气混合引起的温升；减小残余废气系数 △Tg——进气过程中，燃料汽化、吸热所引起的温度变化 （注意，柴油机为0、汽油机为负值）。 ——（4-17）
4）进气晚关角 ◎排气早开角的必要性——利用气流惯性； ◎主要影响充量系数； ◎存在最佳进气晚关角， 过小，惯性利用不足，过小，回流。 5）共性问题 ◎随转速升高，最佳相位角应增大； ◎四个相位角中，进气晚关角对充量系数影响最大，排气 早开角对换气损失影响最大； ◎最佳相位角，增压机与非增压机不同（图4-5）； ◎气门重叠角，汽油机＜柴油机＜增压机。
提高进气门流通截面积提高进气门流通截面积多气门国内与国外主要差距2气门dsd220254气门则30以上见表42气门数转矩允许最高转速则最大功率提高气门处流量系数提高气门处流量系数ss也可减小冲程也可减小冲程sse5844ewmvk1vk2passengercargasolineenginembv63vwithdualsparkignitionfordzetecseenginee5821ewmvw4valvecylinderheade5143vk2fzr750enginewith5valvese5757vk24
4.1.3 进排气相位角及其对性能的影响
2）排气晚关角 ◎排气晚关角的必要性——利用气流惯性； ◎主要影响充量系数和换气质量； ◎存在最佳排气晚关角， 过小，惯性利用不足，过大，废气倒流 3）进气早开角 ◎排气早开角的必要性——减小进气节流； ◎对泵气损失和充量系数均有影响； ◎存在一个使换气损失为最小的最佳进气早开角， 过小，进气节流大，过大，易回火。
汽车发动机排气系统工作原理
汽车发动机排气系统工作原理汽车发动机排气系统是发动机的重要组成部分，它的功能是将燃烧产生的废气从发动机中排出，并起到净化环境和提高发动机性能的作用。
本文将从排气系统的组成、工作原理和主要组件等方面进行介绍。
一、排气系统的组成汽车发动机排气系统由排气歧管、催化转化器、消声器和尾气管等组成。
1. 排气歧管：排气歧管是连接发动机缸体和催化转化器的管道，它的设计能够将发动机排出的废气有效地输送到催化转化器，提供最佳的排气流动性能。
2. 催化转化器：催化转化器是排气系统中的核心部件，其主要作用是将废气中的有害物质，如一氧化碳、氮氧化物等，转化为无害的物质。
它通过使用催化剂，如铂、钯等，将废气中的有害成分催化氧化或还原，从而净化废气。
3. 消声器：消声器是用来减少发动机排气产生的噪音的装置。
它通过运用消音原理和吸声材料，使废气的流动能够产生适当的阻尼和吸收，从而达到降低噪音的效果。
4. 尾气管：尾气管是将经过处理的废气排放到大气中的管道。
一般情况下，尾气管上还会装有尾气嘴，用来改变排气流动的方向和形态，以达到净化环境和美观的目的。
二、排气系统的工作原理汽车发动机排气系统的工作过程主要包括四个步骤：进气、压缩、燃烧和排气。
在这四个步骤中，排气是其中一个最重要的环节。
1. 进气：汽车发动机通过进气门将空气和燃油混合物吸入到气缸内，形成可燃气体。
2. 压缩：活塞向气缸内移动，将进气混合物压缩，增加其密度和压力，为燃烧创造条件。
3. 燃烧：发动机点火后，点燃进气混合物，产生高温高压气体，释放能量推动活塞做功。
4. 排气：在燃烧后，废气会产生，并通过排气门排出。
排气门在发动机的特定时机打开，废气经过排气歧管和催化转化器等组件后，经过消声器减少噪音，并最终排出尾气管。
三、排气系统的主要组件及其功能1. 废气涡轮增压器（可选）：它利用废气的能量驱动涡轮从而帮助提高发动机的进气效率。
2. 废气再循环系统（EGR）：EGR系统将一部分排气重新引入到气缸中，减少氮氧化物的生成和发动机燃烧过程的温度，提高燃烧效率和降低排放。
汽车发动机的工作原理图解
活塞
排气门关闭
作功终了：温度 1500~1700 K， 压 力300~500 kPa
4·排气行程
作用：
进气门关闭
排出膨胀做功后的废气
过程：
排气门开启，进气门仍然
关闭，活塞从下止点向上 止点运动，曲轴转动 180°。排气门开启时， 燃烧后的废气一方面在汽 缸内外压差作用下向缸外 排出，另一方面通过活塞 的排挤作用向缸外排气
3·作功行程
作用：
进气门关闭
燃烧高温高压气体膨胀做功
过程：
当活塞接近上止点时，由
火花塞点燃可燃混合气， 混合气燃烧释放出大量的 热能，使汽缸内气体的压 力和温度迅速提高高温高 压的燃气推动活塞从上止 点向下止点运动，并通过 曲柄连杆机构对外输出机 械能。
瞬时最高：温度 2200~2800 K， 压 力3~5MPa
排气门
吸气行程
压缩行程 作功行程
排气行程
瞬时：温度 1800~2200K压力
喷油泵
5~10 MPa
二·二冲程汽油机的工作原理
火花塞 换气孔
压缩混合 气
排气孔
点火燃烧
曲轴箱
进气孔
进气
排气
压缩
进气
燃烧
排气
过程： 活塞向上运动，将三排孔都关闭，活塞上部开始压缩，当活塞
继续上时，活塞下方打开了进气孔，可燃混合气进入曲轴箱，活塞接 近上止点时，火花塞点燃混合气，气体燃烧膨胀，推动活塞向下运动 ，进气孔关闭，曲轴箱内的混合气受到压缩，当活塞接近下止点时， 排气孔打开，排出废气，活塞再向下运动，换气孔打开，受到压缩的 混合气便从曲轴箱经进气孔流入气缸内，并扫除废气。
排气门打开
活塞
残余废气
汽车发动机的进排气原理(配气相位和充气效率定义及分析)
长安大学汽车学院曹建明
第二章 发动机的换气过程
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。 燃烧是做功之本。 燃烧需要空气与燃料。
§2-1 四冲程发动机的换气过程
（三） 排气提前角 o
― 28 ―
《发动机原理》
长安大学汽车学院曹建明
o v ，
V1 V4
其中－后期膨胀比。
考虑经济性，在排气损失最小的前提下，尽量减小排气提前角。
（四） 气门叠开角 i , o
i , o 缸内气体易倒流进气管； i , o p r ， Ta v
（三） 进气道
― 27 ―
《发动机原理》
长安大学汽车学院曹建明
转弯半径 R， 表面光洁度， 各管口与垫片孔口对中 流动阻力 v 设计时还要考虑组织进气涡流。
（四） 空气滤清器
通道面积，除尘效果 流动阻力 v 经常清洗，更换纸芯。 喉口截面积 流动阻力 v ，但雾化效果 。 解决这对矛盾，采用双喉口。小喉口：雾化；大喉口：进气。
v
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
v
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。
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ε↑→ηv↑
6. 大气状态
Po↑→ Pa↑→ 进气量↑ To↑→ Ta↑ →进气量↓
2-4 减小进气系统阻力
一、减少进气系统的流动损失
进气系统阻力分为
沿程阻力 局部阻力（节流阻力）
汽油机：空气滤清器 化油器 节气门进气管 进气道 进气门
柴油机：空气滤清器 进气管 进气道 进气门
Ts 1 ps
pa Ta
1
1
1．进气终点压力Pa
Pa=Ps-ΔP ，ΔP=λρv2/2， 其中，λ：管道阻力系数；ρ：进气密度；v：流速
ΔP是各段管道所产生压降的总和，进气门处截面最小，产生的流阻最大。
(1) 油门一定，n流速Pa (2) n一定，Pa的变化与负荷调节方式有关：
柴油机：质调节，进气无节流，由喷油量改变负荷， Pa基本不变 汽油机：改变节气门调节负荷
m1、v1：实际进入气缸的新鲜工质的质量、体积；
ms 、vs：进气状态下充满工作容积的新鲜工质的质量、 气缸的工作容积。
进气状态：
非增压：环境大气状态P0、T0
增压：压气机出口状态Pk、Tk
v
m1 ms
V1 Vs
若大气状态，气缸工作容积Vs，理论上进入气缸充气量ms:
ms
p0Vs RT0
由于，进气终了时pa<p0, Ta>T0, Vs <Vs ,实际进气量m1：
排气门早开：排气提前角
1.使排气流畅 2.排气功减小
排气门晚关：排气迟闭角
1.使排气彻底 2.排气惯性
进气门早开：进气提前角
1.减小阻力 2.增加流通面积
进气门晚关：进气迟闭角
1.惯性进气
四、换气损失
进气损失和排气损失组成。
1、自由排气损失 W 2、强制排气损失 Y
(W+Y)→min→确定最佳 排气提前角。
作用：
（1）扫气：减少废气，增加新鲜充量； （2） 冷却高温零件。 汽油机：进气压力低，20-30CA，过大易引起回火； 非增压柴油机：进气压力较大， 20-80CA； 增压柴油机：进气压力大于大气压， 80-160CA
三、进气过程
由于活塞下行, 缸内产生负压，使新鲜介质充入缸内。
配气相位: 4个角
负荷节气门关小节流损失 Pa
2. 进气终点温度Ta
新鲜工质被高温零件加热，Ta>Ts，导致ρ↓ηv↓ 柴油机：排气管和进气管分置于发动机两侧。 汽油机：为了汽化混合气，需加热新鲜混合气，进 排气管同侧。
3．残余废气系数
↑ηv↓ ε↑ ↓
柴油机比汽油机↓ 低负荷时, 汽油机↑
4. 配气定时
ξ，Pa→ max 关太早，惯性作用未利用 关太迟，发生倒流
c. 圆滑过渡（其中R为阀顶过渡圆角）
（1）过渡圆角R 流动阻力 ηv （2）锐边光滑
d. 增大气门升程
h，时面值 ηv
三、进气道和进气管
1. 进气管截面大：阻力小，流速低，汽油易沉积于管壁； 2. 表面光洁 减小沿程阻力； 3. 管道转弯少，截面不突变减小局部阻力。
2．亚临界（1<pc/pr <1.893）
流量取决于气体状态、流通面积和压差，下止点后10-30度结束。
二、按流动特点：
1．自由排气阶段：超临界和亚临界 2． 强制排气阶段：靠活塞上行强制推出废气
排气门在下止点前打开，在上止点后关闭
3. 进气过程：进气门上止点前打开，在下止点后 关闭
4． 气门叠开：排气门迟闭，进气门早开,两气门 处于同时开启的阶段
a. 增大进气门直径，减小排气门直径
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 Pa ηv
d排 Pr ηv
一般： d排> d进
b. 多气门，流通面积f 40%左右。
D>80mm,常用二进二排；D<80mm，常用三进二排。
f ηv Pe （可达30%），be
m1
p0Vs RT0
paVs RTa
ms
v的测量方法：
（1） 流量计测量发动机每小时的实际进气量V1[m3/h]； （2）计算每小时的理论充气量V：
V
Vs i 1000
n 60 2
0.03Vs in
（3）充气效率
v
V1 V
二、ηv的数学分析表达式
v
1 Ts 1 ps
pa TA
pa Tr
2-1 内燃机换气过程的特点及要求
进气和排气过程的总称，任务： 1．排除缸内废气，干净彻底； 2．在有限的气缸工作容积下，充入更多的新鲜
充量。
2-2 四冲程内燃机的换气过程
一、按三个流动状态分：
k
k
2
1
k
1
1.893
1．超临界（pc/pr 1.893）
以音速流出，流量取决于气体状态和流通面积，与压差无关。
Ma
vm c
D d
2
Cm
cm c o
其中：D、d：活塞及进气阀盘直径；
Cm：活塞平均速度； m：进气门开启过程的平均流量系数； o、c：进气门开关角度。 当Ma>0.5时， ηv↓↓，此时n增加，功率也不增加。
减小Ma：
（1） d气门通过面积
（2） m （3）配气相位（ c - o）
3．气门直径和气门数
二、进气门处的流动阻力
1. 时面值
气门处气体流量dm： dm=ρvm fdt
开启过程的气体流量: m =∫dm =ρvm ∫fdt = ρvm 1/6n∫fdφ 式中，∫fdt称为时面值, ∫fdφ称为角面值
2．进气马赫数Ma
Ma定义：进气门处气体的平均速度vm与该处声速c的比值。
vm定义：实际进入气缸的新鲜充量与进气门有效时面值之比。
汽车发动机原理
前言： 课程绪论 第一章：发动机性能
目 第二章：发动机换气过程 第三章：燃料与燃烧
录 第四章：汽油机混合气的形成与燃烧 第五章：柴油机混合气的形成与燃烧 第六章：发动机的特性 第七章：车用发动机废气涡轮增压 第八章：排气污染机及控制
第二章：发动机的换气过程
2-1 内燃机换气过程的特点及要求 2-2 四冲程内燃机的换气过程 2-3 四冲程内燃机的充气效率ηv 2-4 减小进气系统阻力 2-5 合理选择配气定时 2-6 进气管的气体动力学效应 2-7 可变技术 2-8 二行程发动机换气过程
3、进气损失 X 4、换气损失 W+Y+X 5、泵气损失 W+Y -d
发动机换气损失图
2-3 四冲程内燃机的充气效率ηv
一、充气效率ηv的定义
表征进气过程的完善程度及气缸利用率。
实际进实入际气进缸入的气新缸鲜的工新质鲜质充量量
v 以进标气准状大态下气充状满态气充缸满工气作缸容工积作的容工积质的质新量鲜充量