换气过程与循环充量
内燃机原理第四章换气过程与进气充量
转速升高，排气行程时间缩短，应增大 eo
e.o op tfn ， T tq
➢排气门晚关角 ec
目的：充分利用气流惯性，增大排气量。
ec 过大 ec 过小
废气回流或充量流失 惯性利用不足
存在 ec.opt
转速升高，排气时间缩短，气流惯性增大，应增大 ec
e.o cp tfn ， T tq
第一节 四冲程ICE换气过程
HIT 规格严格 功夫到家
第一节 四冲程ICE换气过程
常用VVT缩写： CVVT（Continue Variable Valve Timing ）：
随ICE工况，连续改变配气正时和（或）气门升程。
DVVT（Dual Variable Valve Timing ）：
进、排气门连续改变配气正时和（或）气门升程。 VVT-i（ Variable Valve Timing -Intelligent）：
第二节 充量系数及其影响因素
缸盖 支撑板
模拟气缸
气门升程传感器
数据采集卡
计算机
稳压箱
风机连接
风速仪
压力传感器 流量控制
气道压差传感器 流量计
HIT 规格严格 功夫到家
第二节 充量系数及其影响因素
测量参数
气门升程 h v 气道压差 p
叶轮转速 n sw 空气流量 Q
计算参数
涡流比（Swirl Ratio） 流量系数（Flow Coefficient）C f
• 换气损失定义为理论循环换气功与 实际循环换气功之差。
– 1.排气损失
• 膨胀损失——随着排气提前角 的增大而增加，随转速增高而 增加。
• 推出损失——随着排气提前角 的增大而减小，随转速增高而 较为明显增加。
第三章 发动机的换气过程
（以2课时为单元）课序：07授课日期：09.20授课班次： 授课教师 批准人：课题：第三章 发动机的换气过程 第1节 四冲程发动机的换气过程第2节 四冲程发动机的充量系数目的要求：重点：难点：教学方法手段： 课件教学步骤：复习提问：作业题目：预习内容： 无课时分配：第三章发动机的换气过程新课导入内燃机的换气过程是内燃机排出本循环的已燃气体和为下一循环吸入新鲜充量（空气或可燃混合气）的进排气过程，它是工作循环得以周而复始不断进行的保证。
内燃机的性能很大程度上依赖其换气过程。
为提高动力性和经济性指标，需要研究减少进排气流动阻力损失和提高充量系数的措施及方法，以及如何为燃烧提供一个合适的缸内气体流场，并保证多缸机的各缸均匀性。
在内燃机执行换气过程中，有时为了控制内燃机的NO x有害排放，还需要进行排气再循环（可分为外部EGR和内部EGR）。
内燃机采用增压技术可以提高进气密度，从而提高发动机的功率，并改善经济性和排放。
§2.1 四冲程发动机的换气过程一、换气过程四冲程发动机的换气过程是指从排气门开启到进气门关闭的整个过程。
约410°CA ~480°CA.1、排气过程按燃气对活塞的作用，排气过程可分为自由排气和强制排气两个阶段；按排气流动的性质，排气过程又可分为超临界排气和亚临界排气两个阶段。
（1）自由排气阶段从排气门打开到活塞运行到排气下止点这段曲轴转角内的排气过程称为自由排气阶段。
1）自由排气阶段的特点①缸内气体一边对活塞做功，一边自动排出缸外；②缸内压力与排气管压力之比大于临界压力，气体流动处于超临界状态；排起的流量进取决于缸内气体状态和排气门流通面积，而与排气管压力无关。
③时间虽短，但排出的气量较大。
２）排气提前角从排气门开始打开到活塞运行到排气下止点时曲轴所转过的角度，称为排气提前角。
排气提前角的范围为30°CA～80°CA。
排气提前角过小，膨胀功损失小，但推出功增大；排气提前角过大，推出功减小，但膨胀功损失大；因此存在一个合适的排气提前角使得膨胀损失与推出损失之和最小。
第4章换气过程与循环充量优秀课件
2) 排气晚关角ec
l 过小，惯性利用不够 过大，废气倒流
l 存在最佳ec 3) 进气早开角ao
l 过小，进气不够 过大，废气倒流进气管（回火）
l 存在最佳ao 4) 进气晚关角ac
l 过小，惯性利用不够 过大，新气推回进气管
对进气充量c影响大 l 存在最佳ac
主要内容
1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响 3. 充量系数的定义及影响因素 4. 进排气动态效应
1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响 3. 充量系数的定义及影响因素 4. 进排气动态效应
换气(Gas exchange)过程
换气过程：充入新气和排出废气的全过程 n 周期性、非稳态流动过程(准周期流quasi-flow) 非常复杂 n 新鲜充量(charge)是决定发动机输出功率“量”的因素
第4章换气过程与循环 充量
讲课内容
第一部分：动力输出与能量利用
第1章 性能指标与影响因素 第2章 燃料、工质与热化学 第3章 工作循环与能量利用 第4章 换气过程与进气充量 第5章 运行特性与整车匹配
第二部分：燃烧与排放
第6章 燃烧的基础知识 第7章 柴油机混合气形成与燃烧 第8章 汽油机混合气形成与燃烧 第9章 有害排放物的生成与控制 第10章 新燃烧方式与替代燃料动力
P eη eG tm H um η cη tη m (H alu 0)c V s(R p sT ss)2 (τ in )
换气过程的目的：
l 最大限度地吸入新鲜充量—c是核心问题
l 保证各缸进气均匀 l 减小换气损失 l 在缸内形成合理的流场，以控制混合气形成和燃烧(第二篇)
主要内容
1. 四冲程发动机换气过程 2. 配气相位对发动机性能的影响 3. 充量系数的定义及影响因素 4. 进排气动态效应
第4章_换气过程与循环充量
pc 1 pe 2
1.83
强制排气阶段: 2/3 进气过程 (=230~265) 核心问题是充量系数c的问题 气门重叠过程 (=0~80)
超临界流量(雍塞流,choking flow):
mmax K
pc Ft Tc
注意：对超临界流，下游条件(压力、 温度)不影响流量
主要内容
Ningxia University
自吸式汽油机<40, 太大易回火
自吸式柴油机～60 增压柴油机＝80～160：扫气可以 降低缸内残余废气；冷却降低热负荷
3. 充量系数的定义及影响因素
4. 进排气动态效应 结论：
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
第二部分：燃烧与排放
第6章 燃烧的基础知识 第7章 柴油机混合气形成与燃烧 第8章 汽油机混合气形成与燃烧 第9章 有害排放物的生成与控制 第10章 新燃烧方式与替代燃料动力
换气(Gas exchange)过程
Department of Automotive Engineering
Ningxia University
可变配气正时技术(VVT)
Department of Automotive Engineering
Ningxia University
怠速/加速加浓
Miller循环
相位和升程都可变，但不是连续可变
Cam-phase changing + Cam-lift changing VVT (Honda's i-VTEC )
Ningxia University
3. 充量系数的定义及影响因素
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。
换气过程与循环充量
内燃机学
第4章内燃机的换气过程 章内燃机的换气过程
• 平均流速定义为：实际进入气缸的新鲜 充量与进气门有效时面值之比。
Hubei Automotive Industry Institute
湖北汽车工业学院汽车工程系
HuBei Automotive Industries Institute Dep. of Automobile
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内燃机学
第4章内燃机的换气过程 章内燃机的换气过程
提高充量系数的技术措施
• 柴、汽油机的不同特点： 汽油机的不同特点： • 柴油机调节负荷是通过改变喷入气缸的燃料量 通过改变喷入气缸的燃料量 而进入气缸的空气量基本不变 而进入气缸的空气量 • 汽油机调节负荷是通过改变节气门开度来调节 进入气缸混合气量的多少。当节气门关小时， 节流损失增加，引起Pa下降
• 自由排气损失 • 强制排气损失
图6.4 排气门提前角和排气损失 a—最合适 b—过早 c—过晚 d—排气门面积过小 最合适 过早 过晚 排气门面积过小
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清华大学汽车工程系车辆工程专业（本科）《汽车发动机原理》教学大纲
清华大学汽车工程系车辆工程专业（本科）《汽车发动机原理》教学大纲第一部分大纲说明一、课程的性质和任务《汽车发动机原理》是车辆工程专业本科生的专业必修课。
通过对热力机械的共性问题，如动力如何获取和输出，能量如何消耗和利用；两种典型内燃机（点燃式汽油机和压燃式柴油机）的燃料供给、混合气形成、着火、燃烧；车用内燃机运行特性与性能的调节与控制等发动机基本理论的教学，使学生对发动机的工作过程有深入的了解，能熟知发动机相关参数的运行范围，能掌握基本的发动机性能分析方法。
为今后从事发动机和汽车开发、研究、生产提供必备的专业理论知识和技术基础。
二、本课程与相关课程的关系《汽车发动机原理》是车辆工程专业本科生的两门核心专业课之一（另一门是《汽车理论》），安排在大三春季学期上课。
在这之前有《汽车构造1》和《汽车发动机拆装》，这两门课是专业平台课，是学习《汽车发动机原理》必修的基础专业课。
同时，《汽车发动机原理》又是学习其他专业课，如《发动机设计》、《内燃机增压与增压技术》和《内燃机燃料供给》等的必修课。
三、课程的教学基本要求本课程要求学生对汽车发动机（汽油机和柴油机）的结构有基本的了解，并且具备必要的工程热力学、流体力学和传热学等方面的基础知识。
要求学生上课作笔记，认真听讲，积极思考，参加课堂讨论，按时完成布置的作业。
四、教学方法和教学形式建议本课程涉及的知识面较宽。
以课堂讲授为生，辅以一定量的课堂讨论和自学。
第二部分教学时数、教材、考试一、学时分配总学时48：授课学时44，讨论课学时4教学内容授课学时1、性能指标与影响因素 42、燃料与工质 43、循环分析与能量利用 44、换气过程与循环充量 45、燃烧基础知识 46、燃烧过程及混合气形成 47、特殊燃烧问题的机理与对策 48、有害物排放的生成与控制 49、燃烧室与调节参数的优化 610、汽车发动机运行特性 411、柴油机调速特性 2合计44二、教材与参考书目教材：刘铮, 王建昕.《汽车发动机原理教程》.北京: 清华大学出版社, 2001年参考书：（1）周龙保等.《内燃机学》.北京:机械工业出版社,1999年（2）董敬等.《汽车拖拉机发动机》（第3版）.北京:机械工业出版社,1997年（3）唐开元等.《内燃机原理》.译自“Internal Combustion Engine Fundamental”, J.B.Heywood 三、考试两次考试：期中考试；期末考试。
内燃机的换气过程
内燃机的换气过程内燃机的换气过程是内燃机排出本循环的已燃气体和为下一循环吸入新鲜充量(空气或可燃混合气)的进排气过程,它是工作循环得以周而复始不断进行的保证。
对四冲程内燃机而言，换气过程是指从排气门开启到进气门关闭的整个过程。
对大部分二冲程内燃机而言，换气过程即为从排气口打开到关闭的整个过程。
在内燃机换气过程中，有时为了控制内燃机的NO x有害排放，还需要进行排气再循环(可分为外部ECR和内部EGR)。
内燃机采用增压技术可以提高进气密度，从而提高发动机的功率，并改善经济性和排放［1］。
内燃机的性能很大程度上依赖其换气过程,为提高动力性和经济性指标，需要研究减少进排气流动阻力损失和提高充量系数的措施及方法，以及如何为燃烧提供一个合适的缸内气体流场，并保证多缸机的各缸均匀性等.第一节四冲程内燃机的换气过程图4—1所示是四冲程内燃机换气过程的示意图,其中图4—1a为内燃机的配气相位与换气过程p—V 示功图。
排气门在下止点前1点开启，由于缸内压力高，燃气快速流出，缸内压力随即迅速下降。
在进排气上止点前，进气门在3点打开，此时，排气门尚未关闭，出现一段时间的气门叠开期，排气门在上止点后2点关闭。
进气门打开初期，由于进气道与缸内压差小，进气流量小，随着活塞运动的加快，造成了缸内较大的真空度，使得中后期的进气速度提高，最后进气门在下止点后4点关闭。
进排气门迟闭角的设计，同它们提前开启一样,是为了增加进排气过程的时面值或角面值,利用气体流动的惯性，增加进气充量或废气的排出量。
四冲程内燃机的换气过程可分为排气、气门叠开、进气三个阶段，图4—1b表示了进排气门的升程和气缸压力随曲轴转角的变化情况。
图4-1 四冲程内燃机换气过程的示意图a)配气相位与低压p—V示功图b)气门升程与p— 示功图IVO一进气门开启角IVC一进气门关闭角EVO一排气门开启角EVC一排气门关闭年V c一余隙容积V s一气缸工作容积一、排气过程由于受配气机构及其运动规律的限制，排气门不可能瞬时完全打开，气门开启有一个过程，其流通截面只能逐渐增加到最大；在排气门开启的最初一段时间内，排气流通截面积很小，废气排出的流量小。
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2020/5/9
摩托车发动机原理
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2.进气阶段 1）准备进气阶段
进气阀必须在上止点前开始打开？ 从进气门打开到上止点为止，这段曲轴转角称为进气提前角。
2）正常进气阶段
3）惯性进气阶段
进气阀关闭时也必须在下止点后才关闭？
从下止点到进气阀终了这段曲轴转角称为进气迟闭角。
2020/5/9
摩托车发动机原理
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。
2020/5/9
摩托车发动机原理
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（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。
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。
2020/5/9
摩托车发动机原理
Hale Waihona Puke 3换气过程1.排气阶段 1）自由排气阶段 2）强制排气阶段 3）惯性排气阶段 2.进气阶段 1）准备进气阶段 2）正常进气阶段 3）惯性进气阶段 3.气门叠开
2020/5/9
摩托车发动机原理
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1.排气阶段
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。
2020/5/9
摩托车发动机原理
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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）〕。
在超临界排气时期，废气流量与排气管内压力pr 无关，只与气缸内的气体状态及气门开启截面积有关。
排气提前角：从排气门开启到活塞行至下止点所对应的曲轴 转角称为，一般为30º~80º曲轴转角。
2020/5/9
摩托车发动机原理
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自由排气阶段 超临界状态 亚临界状态
（1）超临界状态
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。
随着排气提前角增大，自由排气损失面积增加， 强制排气损失面积减小，如图中b曲线，如排气提前 角减少则强制排气损失面积增加，如图中c曲线。所 以最有利的排气提前角应使面积（W+Y）之和最小。
减少排气损失的主 要措施是：减小排 气系统阻力和排气 门处的流动损失。
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摩托车发动机原理
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2．进气损失
找出 提高充气量 方 向 与 措 施 。 减少换气损失
摩托车发动机原理
2
6.1 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包括从排气门开启到进气门关闭
的整个时期，约占410º~480º曲轴转角。
换气过程的目的： • 最大限度地吸入新鲜充量 —φc是核心问题 • 最小的换气损失 • 各缸进气均匀性 • 在缸内形成合理的流场,以控制混合气形成和燃烧
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摩托车发动机原理
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高速发动机其排气提前角要大一些：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。
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摩托车发动机原理
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2）强制排气阶段：活塞上行强制推出废气。
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。
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摩托车发动机原理
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3）惯性排气。
当强制排气阶段接近终了，在上止点附近，废气尚 有一定的流动能力，利用气流的惯性进一步排除废 气。
排气迟闭角，一般为10º~35º曲轴转角。
进气损失：因进气系统的阻 力而引起的功的损失。
排气损失与进气损失之和称 换气损失，即图中面积 (W+X+Y) 。 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。
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摩托车发动机原理
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6.2 四冲程发动机的充量系数
6.2.1充量系数的概念
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进气门早开：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。
进气门晚关：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。
排气门早开：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。
排气门晚关：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。
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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。
（1）自由排气损失（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），是活塞上行强制推出废气 所消耗的功。
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摩托车发动机原理
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摩托车发动机原理
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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。
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摩托车发动机原理
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二、换气损失
换气损失由排气损失和进气损失两部分组成。
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摩托车发动机原理
进气门早开 排气门晚关
气门重叠
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摩托车发动机原理
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3.气门叠开 ：进、排气门同时开启
气门叠开角：进、排气门同时开启时对应的曲轴转角， 一般为20º～80º曲轴转角。在增压发动机可达80º~160º 的曲轴转角。因其进气压力高。
作用：由于进气管、气缸、排气管互相连通，可以利 用气流的压差、惯性或进、排气管压力波的帮助，清除残 余废气，增加进气量，降低高温零件的温度，但注意不应 产生废气倒流现象。
第6章 换气过程与循环充量
2020/5/9
摩托车发动机原理
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•换气过程是持续运转的必要条件 •单位时间进入整机的充气量是决定发动机输出功率 的“量”的因素
换气过程 排气过程 进气过程 排除废气
换气过程的任务 充入尽可能多的新鲜工质
研究的内容
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换气过程的进行情况
分析影响充气量的各种因素