发动机原理第三章(第4次课)

排出的废气量决定于气缸内及排气管内的压力差。压 力差越大排出废气越多。当到某一时刻气缸内与排气管内 压力相等，自由排气 阶段结束（一般下止 点后10º~30º曲轴转 角）。此阶段虽然历 程很短，但因排气流 速甚高，排出废气量 达60%以上。
高速发动机其排气提前角要大还是小一些？
在自由排气阶段中，排出的废气量与发 动机转速无关。发动机转速高时，在同样的 排气时间（以秒计）所相当的曲轴转角增大， 因此，高速发动机排气提前角要大。但不宜 过大，否则会使排气损失加大。
2、进气阶段：
进气门开始开启到进气门完全关闭的全过程。 准备进气：进气提前角，一般为0º~30º曲轴转角 正常进气 ：活塞下行残余废气膨胀，新鲜气体充入气缸。 惯性进气：进气迟闭角，一般为40º～70º曲轴转角。
特点： 缸内压力呈 负压，进气 终了时有所 提高。
3、扫气过程：在气门叠开期间，可利用新鲜空气或 混合气来进一步扫除缸内废气，这称为燃烧室扫气。
排气迟后角：
1)定义：从上止点到排气门关闭所对应的曲轴转角称为 排气迟后角(或晚关角)。δ一般为10°～30°。 2)作用：延长了排气时间，在废气压力和废气惯性力的 作用下，使排气干净。
配气相位：
用曲轴转角表示的实际进、排气门开闭时刻和开启持续时 间，称为配气相位。
配气相位：
用曲轴转角表示的实际进、排气门开闭时刻和开启持续时 间，称为配气相位。
换气损失由进气损失和排气损 失组成，包括x、y、w之和。
X
y
3、泵气损失 泵气损失又称为泵进气所付出或获得的功， 此功可正、可负。
泵气损失等于理论泵气功与实际泵气功之差。 理论泵气功是假设在排气、进气过程中，工质流动无节流、 摩擦等因素时存在的泵气功。 图（b）中，（Pk-Pr）Vs面积为增压机的理论泵气功。 非增压机的理论泵气功为零。
Pk为压气机出口压力 Pr为涡轮机入口处压力
Pk
泵气功不等同于泵气损失。所有减小换气损失，提高 充气效率的措施都对减小泵气损失有利。
在实际循环示功图中把面积（x+y-d）相当的负功称 为泵气损失。这部分损失放在机械损失中加以考虑。
二冲程发动机 泵气功为零
第二章
发动机的换气过程
发动机原理与汽车理论
发动机的换气过程
换气过程
排气过程 进气过程
换气过程的任务
减少换气损失的前提下
排除废气 吸入尽可能多的新鲜工质
换气过程 的作用
尽可能地提高进入气缸的混合气量 保证一定温度和压力的混合气成分
发动机的换气过程
分析：
１、废气排出得越干净，吸入的新鲜工质多，发 动机功率大；
燃烧室扫气的作用： 1）利用气流压差和惯性清除残余废气，增加新鲜充 量。 2）降低燃烧室内 零件温度。
二、换气损失
定义：换气过程 中理论循环换气 功与实际循环换 气功的之差。 组成： 排气损失和 进气损失 两部分组成。
X
y
1、 排气损失 排气损失是从排气门提前打开，直到进气行程开
始，气缸内压力到达大气压力之前，循环功的损失。
进气迟后角：
1)定义：从下止点到进气门关闭所对应的曲轴转角称为进 气迟后角(或晚关角)。β一般为40°～80°。 2)作用：延长了进气时间， 在大气压和气体惯性力的 作用下，增加进气量。
排气提前角：
1)定义：从排气门开始开启到下止点所对应的曲轴转角 称为排气提前角(或早开角)。γ一般为40°～80°。 2)作用：借助气缸内 的高压自行排气，大 大减小了排气阻力， 使排气干净。
排气门开启时，气缸内废气压力较高（0.2～ 0.5Mpa），缸内压 力与排气管压力之
比＞1.9，排气流动 处于超临界状态，
可利用废气自身的
压力自行排出。
通过排气门口废气的流速等于该状态下的音速（m/s）
c KRT
式中 K——绝热指数； T——气体的绝对温度； R——气体常数〔N•m/（kg·K）〕。
亚临界状态 临界压力比 (工程热力学第七章)
定义：在气动装置中当气流达到音速流动时上游绝对 压力与下游绝对压力的比值。 超临界流动
排气以当地音速排出，排气量与气体状态和流通截面 积有关； 亚临界流动
排气量与流通截面积和气体压力与背压之差有关；
自由排气阶段分为两个阶段 ①超临界状态
超临界状态 亚临界状态
1）提前排气损失（图中面积 W）：是由于排气门提前打开 而引起的膨胀功的减少。 2）强制排气损失（图中面积 Y+d）：是活塞上行强制推出 废气所消耗的功。
X
y
如何使排气损失最小?
e’
⑴e`（排气门太早开启）
膨胀功损失：面积e`bb`太
e”
大，且不可能由排气所消耗
的绝对功的减少来补偿。
⑵e``（排气门太晚开启） 膨胀功损失：面积e``bb``较
2、进气损失（面积X） 进气损失：因进气系统的阻力而引起的功的损失
（进气过程气缸压力低于进气管压力造成的损失）。
进气损失不仅体现在进气过程 所消耗的功上，更重要的是体现在 进气过程所吸入的新鲜充量上。
与排气损失相比，所占的比例 相对较小。
进气损失的大小直接影响到充 气效率，可通过多种方法降低进气 损失。
（2）强制排气阶段：活塞上行强制推出废气的阶段。
特点：缸内平均压力高于排气管平均压力（克服排气门、 排气道处的阻力，一般高出10kpa左右。气体的流速越高， 此压差越大，消耗的功越多） 。
排 气 门 关 闭 时 刻 ： 排 气 迟 闭 角 ， 一 般 为 10º~35º曲 轴 转 角 （惯性排气） 。
更大，80°~140°CA ，降低热负荷。 增压汽油机：较小，避免新鲜充量排出。
视频演示
1、排气过程
从排气门 开启到排气 门完全关闭 的这段时间。 约 占 220º～ 290º曲 轴 转 角。
（1）自由排气阶段 排气门开启到气缸压力接近了排气管压力的这一
时期，称为自由排气阶段。
超临界状态 自由排气阶段分为两个阶段
减少换气损失
第一节 四行程发动机的换气过程 一、换气过程
四行程发动机的换气过程指上一循环排气门开启到 下一循环进气门完全关闭的整个时期，约占410º～ 480º曲轴转角。 （四行程内燃机每一循环曲轴旋转720℃）
实际发动机换气过程存在问题
① 气门的开、闭有个过程 ：开启总是由小→大；关闭总 是由大→小； 影响：进气不足；排气不净
气门叠开：
气门叠开定义：由于进气门提前打开而排气门晚关，因此 在排气行程上止点出现进、排气门同时开启的特殊现象。
气门重叠会产生串气吗？
不会
因为： a. 进、排气流各自有 自己的流动方向和流 动惯性，加上重叠时 间极短。 b. 进气流有助于更好 地排气。
不同型式内燃机气门叠开角的大小:
非增压汽油机：较小，避免回火。 非增压柴油机：较大， 20°~80°CA 增压柴油机：
当T=700～1100K（420～827℃）时，c=500～ 700m/s。此时，废气流量与排气管内的压力无关，只取 决于气缸内的气体状态、时间和气门开启截面积。并且 因排气流速甚高，在排气过程中伴有刺耳的噪声，所以 排气系统必须装有消声器。
②亚临界状态
缸内压力与排气管内压力之比下降到1.9以下时，排气 流动转入亚临界状态，废气流速降低，产生的噪音较小。
② 气体惯性的影响：随着活塞的运动，进气由小→大； 排气由小→大；进气门由小→大→小；排气门由小→ 大→小；同样造成进气不足、排气不净
③ 发动机速度的要求：实际发动机曲轴转速很高，活塞 每一行程历时都很短，当转速为5600r/min时一个行 程只有60/（5600×2）=0.0054s，即使转速为 1500r/min，一个行程也只有0.02s，这样短的进气或 排气过程，使发动机进气不足，排气不净。
因此，为了最大限度地吸进新鲜空气和排尽废 气，尽可能地减少换气损失，必须设法延长进、排 气的时间。因此，进、排气门都相对于每个冲程开 始或结束的上止点或下止点时刻提前开启，滞后关 闭，从而在进排气时进排气门都有较大的流通面积， 减少进排气阻力，充分进气和排气。
进气提前角：
1)定义：从进气门开始开启到上止点所对应的曲轴转角称 为进气提前角(或早开角)， α一般为10°～30°。 2)作用：增大了进气行 程开始时气门的开启高 度，减小进气阻力，增 加进气量。
２、废气排出得越干净，吸入的新气越多，燃烧 充分，热效率高，比油耗低，经济性好；
３、废气排出得越干净，吸入的新气越多，燃烧 充分，排出的有害气体少；
４、换气损失小，机械损失小，机械效率高，经 济性好；
５、不同的工况需要的进气量不同，要和发动机 工况配合。
发动机的换气过程
研究的内容
了解换气过程的进行情况 分析影响换气量的各种因素 找出 提高充气量 方向与措施
小，但在b``r``期间排出废气 所需要的功较多。
可见：如果排气提前角↑，则w↑，y↓ 排气提前角↓，则w↓，y↑
所以：最有利的排气提前角，必须是使（w+y） 最小。
影响排气损失的因素：
排气提前角：选择合适的排气提前角（通常通过试验确定） 可以使两者最小。 发动机转速：流动损失是和气流的速度成正比的，当内燃 机n↑时，排气损失也增加，其中推出损失的增大远大于膨 胀损失的增大。 降低排气损失的主要方法： 减小排气系统阻力及排气门处的 流动损失。