第二章 发动机的换气过程
第二章发动机的换气过程-2012
一、换气过程
• 包括从排气门开启直到进气门关闭的整个时期， 约占410°～480°曲轴转角。 • 目标：延长换气时间，增加气门开启的时间断面，充分利用气流的动态效应，改善换气过 程，提高内燃机性能。 • 一般将换气过程分作自由排气、强制排气、进 气和燃烧室扫气四个阶段。
＊配气相位
1、自由排气阶段
k
1. 4 1. 1 4
** 气体自行排出气缸而不需借助外力
1. 2
3. 5
1只取决于当地 声速
v a kRT
式中：V－气体流速，a－当地声速 当T＝873－1173K时，a＝500－600 m/s
2、强制排气阶段
• 从自由排气结束到活塞 到达上止点，废气由活 塞上行强制推出。 • 缸内平均压力比排气管 平均压力略高一些，一 般高出10kPa左右。 • 流速取决于压差，压差 越大，流速也越大，但 耗功也越多。 • 排气迟闭角为一般为 10°～35°。
流道转弯处
1、降低进气门处的流动损失
进气门座处 局部阻力最大
forward
阻力系数 ξ有关
ps s vs
2
与该处的 流动速度vs 的平方成正比
降低气门座处的流速和改善气门座处 的流动情况以提高流量系数
补充
return
• 过高的气体流速，还会发生气体阻塞现象。考 察气门座处的流动情况，平均进气马赫数Ma
1、进气终了的压力pa
进气终了压力↑ →充量系数（充气效率） ↑， 进气终了压力受进气系统的阻力的影响 • 进气系统阻力引起的压 降与管道阻力系数、进 气密度、气体流速的平 方三者的乘积成正比。 • 发动机转速增加，pa迅 速下降。 • 汽油机负荷减小， pa迅 速下降。
发动机原理-第二章 发动机的换气过程
第二章 发动机的换气过程一。
五个角度：1.进气提前角α：从进气门打开到上止点这段曲轴转角(0～40 oCA)。
目的：活塞下行时有足够大的开启面积，新鲜工质可以顺利流入气缸。
2.进气门迟闭角β：从下止点到进气门关闭(40～70 oCA) 。
目的：利用高速气流的惯性，在下止点后继续充气，以增加进气量。
3.排气提前角γ：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~80ºCA。
目的：①在活塞上行时排气门有足够大的开启面积；②减小活塞上行时的阻力。
4.排气迟闭角δ：从上止点到排气门完全关闭这段曲轴转角（10～350CA ） 目的：利用高速气流的惯性排除废气。
.5.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。
目的：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。
二，换气过程：⑴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 ⑵超临界状态： 排气门开启时，气缸内废气压力较高（0.2~0.5Mpa ）， 通过排气门口废气的流速等于该状态下的音速（m/s ）在超临界排气时期①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②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。
⑶亚临界状态：当时，排气流动转入亚临界状态，废气流速降低，产生的噪音较小。
特征：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 ，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。
⑷高速发动机：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。
第2章 发动机的换气过程.
第一节 四行程发动机的换气过程
一、换气过程概述
从上一循环排气门开启到下一循环进气门关闭的整个时期， 约占410°— 480°曲轴转角。
进气门打开
Inlet Valve Open
排气门关闭
Exhaust Valve Close
进气门关闭
Inlet Valve Close
排气门开启
Exhaust Valve Open
三、换气损失和泵气损失 1、换气损失
进气损失与排气损失之 和：X+Y+W
2、泵气损失
泵气损失：X+Y-d
四、换气损失随内燃机转速的变化
1.进气损失明显小于排气损失。 2.进损失影响充量系数，因而对发动机的性能影响更大。
第二节 四行程发动机的充气效率
一、充气效率ηv
定义：
V 进 气 状 态 实 下 际 充 进 满 入 气 气 缸 缸 工 的 作 新 容 鲜 积 充 的 量 新 鲜 充 量 m m 1 s V V 1 s
2、排气门迟闭角
定义
排气门在上止点后关闭的角度。
作用
1. 避免因排气流动截面积过早减小而造成的排气阻力 的增加，使缸内的残余废气量增加。
2. 利用排气管内气体流动的惯性从气缸内抽吸一部分 废气，实现过后排气。
3. 扫气作用。
选择
➢过小，惯性利用不够 过大，废气倒流
➢存在最佳值：10-35 CA ATDC
G =d G = cfd t= ρc fd t
0
0
0
❖ 当流道前后的压力差为定值时，即流速c为常数 时，时面值越大，流量越大；
❖ 当流量为定值时，时面值越大，所需流速越小 ，即流道压力差越小。
结论：时面值表示了气阀与气口的流通能力。
发动机原理——第二章发动机的换气过程汇总
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Bp = 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Dp = 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YW是因排气门提前开启而损失的膨胀功,称为自由排气损失。
第二章 发动机的换气过程
原理。
件（如排气门）热负荷低。
重叠角过大，气门易碰活塞， 使得活塞上气门凹坑过深，破坏
了进气涡流和燃烧，同时加重增
压器的负担。
排气迟闭
排气提前
四冲程发动机配气相位
一般柴油机为20～50 °CA，增压柴油机为80 °～50 °CA 。
3）重叠角对汽油机的影响： 大多数汽油机吸入的新鲜工质是可燃混合气，过大重叠
塞下行时气门具有较大的流通截
面积（一般提前角为10°～
40°CA）。 2）进气门迟闭： 充分利用气
进气门开
流惯性继续充气（一般迟闭角为
40°～ 70°CA）。
迟闭角
进气门提前与迟闭
3）迟闭角的选择： （1）转速升高，气流惯性大， 迟闭角也应增大；
进气提前
排气迟闭
（2）迟闭角不宜过大，否则
低速时部分新鲜工质会被压出气 缸，不仅影响发动机动力性，柴 油机还会因此起动困难。
门升程，实现快速开与闭。
4）改善气道动力性：光滑壁面、圆弧过度、并使气门 升起后远离壁面。 5）高速柴油机采用较小的S/D。
2、进气终了气体温度 Ta ： Ta 越大，气体密度越小，
充量系数也越小（增压发动机进气中冷）。
3、残余废气系数γ： 残余废气越多，充量系数也就越小； 同时，废气越多，还会使燃烧恶化，降低发动机的经济性和 排放性。 排气系统阻力越大、排气终了压力也越大，残余废气 量也就越多。但是，适当量的残余废气可以改善发动机的 排放性能。 4、压缩比 c： 压缩比大，余隙相对容积减少，废气残余 量就减少，充量增大。 5、合适的配气相位
二、废气残余系数γ：
定义： 进气过程结束时气缸内残余废气质量与进入气缸 的新鲜空气质量之比。
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，容易参加。
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Bp = 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Dp = 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 去除废气, 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YW是因排气门提前开启而损失的膨胀功,称为自由排气损失。
第二章 发动机的换气过程
3. 进气门从开启到关闭的进 气持续角也进行相应的调整。
第二章 发动机的换气过程
可变气门正时（VVT ）
Pe
Tτq
优点：根据实现机构的不同，采用VVT技术可以使得发动机的 低速转矩得到大幅度的提高。
第二章 发动机的换气过程
膨胀损失
从排气门提前开启到下止点这一时期，由于提前 排气造成了缸内压力下降，使膨胀功减少.
自然吸气
增压
第二章 发动机的换气过程
推出功损失
活塞由下止点向上止点的强制排气行程所消耗的功。
自然吸气
增压
第二章 发动机的换气过程
排气损失
膨胀损失和推出损失二者之和。
第二章 发动机的换气过程
所以 n pr c （影响较小）
4、排气终了温度 Tr
Tr c
，是粗略的。还有许多因 素未予考虑。如：压力升高比，绝热指数k，热传输和过 量空气系数等。
第二章 发动机的换气过程
第三节 提高发动机充量系数的措施
排气提前角
定义
排气门在膨胀冲程到达下止 点前的某一曲轴转角位置提前 开启的角度。
作用
排气阀升程
增加排气流通面积（时面值or角面值）， 减少排气冲程所消耗的活塞推出功。
第二章 发动机的换气过程
排气门迟闭角 定义 排气门在上止点后关闭的角度。 作用
1,避免因排气流动截面积过早减小而造成的排气阻力的 增加，使缸内的残余废气量增加。
（2）负荷 汽油机：负荷 节气门开度 （质调节）
pa pa c
柴油机：负荷 循环供油量 （量调节）（与 pa
汽车发动机原理第二章 发动机的换气过程
３.换气损失和泵气损失
换气损失等于进气损失与排气损失之和，如图2-3、
图2-4中面积(W+Y+X)，而在实际示功图计算中，已 经用丰满系数ϕi修圆理论示功图的棱角，所以ϕi中已包 括部分换气损失(面积W+U)，故泵气损失为换气损失 的一部分，即图2-3、图2-4中面积(Y+X-U)。
第一节结束
一、充量系数
沿ar线进行，进气沿ar线进行，进、排气压力相等，泵气
功为零，增压发动机的理想换气过程如图2-4ａ)所示，由 于进气压力Ps大于排气压力Pr ，所以排气沿a′r′线进行，进 气沿r″a″线进行，面积a″a′r′r″a″表示泵气功，为正功。
１.换气损失
如图2-3ｂ)和图2-4ｂ)所示，排气门提前开启时，排气 压力线从点ｂ′开始偏离膨胀线，面积过小与理想循环相比， 损失的功相当于Ｗ所表示的面积，称为自由排气损失，在 活塞将燃气推出汽缸时，由于沿途有流动阻力，所以汽缸 内的气体压力高于排气管内压力(非增压发动机排气管内压 力假定为大气压力)，损失的功相当于Ｘ所表示的面积(Ｘ
最佳排气提前角也应当越机中，由于进气系统的阻力，进气
过程汽缸内的压力低于大气压力，而活塞背面曲轴箱 内的压力稍大于大气压力，因此，进气过程活塞要消 耗功，如图2-3中面积Ｙ所示，在增压发动机中，进 气压力高于大气压力，故活塞顶面压力高于活塞背面 压力，活塞在进气过程得到正功。
所表示的面积包含了Ｕ所表示的面积)，称为强制排气损失，
自由排气损失与强制排气损失之和即为排气损失。
排气提前角的选择会影响自由排气损失和强制排气
损失的分配，如图2-5所示，排气提前角越大(曲线ｂ)，
排气门开启越早，自由排气损失就越大，但此时缸内压 力在下止点前已降得足够低，所以强制排气损失减少， 反之，排气提前角减小(曲线ｃ)，强制排气损失会增加， 而自由排气损失则会减少。因此，从减少排气损失角度 看，最佳排气提前角应使两者之和为最小(曲线ａ)。
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排气门迟闭角为4= 10～70 °CA。
2020/3/20
南京航空航天大学金城学院车辆工程
认为自由排气阶段内废气流量与气体压差无关，仅取决 于气缸内气体的状态和气门开启有效截面积。
2020/3/20
南京航空航天大学金城学院车辆工程
二、强制排气阶段：
定义：自由排气结束后，气缸内的废气随活塞上行被强制排 出，直到排气门关闭。
在此阶段缸内气体的状态由活塞的运动速度与位置、气 门有效流通截面的变化规律以及排气管内的气体状态等共 同决定。
3、在增压柴油机中，由于进气压力始终高于排气管内 压力，新鲜充量可以经燃烧室后流入排气管中，以达到扫气 的目的，不仅有助于降低受热零件表面温度，提高其可靠性， 降低增压器涡轮的进口温度。因此，增压柴油机气门叠开角 可以较大，一般为80～140 ºCA。
4、机械增压柴油机:由于进、排气压差大，且过多的扫气 会加重压气机的负担而使机械效率降低，故其叠开角一般 取较小值；
在亚临界排气阶段，废气流量决定于气缸内和排气管内的压 力差。某一时刻，气缸内和排气管内的压力接近，则自由排气 阶段结束。自由排气阶段一般在下止点后10～30º CA才结束。 （自由排气阶段=超临界流动阶段+部分亚临界流动阶段）
这一阶段虽然只占总排气时间的1/3左右，且气阀开启流通 面积也较小，但因流速很高，排出的废气量可达60％以上。在 超临界时期常伴有刺耳的噪声，是发动机排气噪声的主要来源。
第二章 发动机的换气过程
要使发动机作功多，扭矩大，功率大，需要燃料在气缸内 燃烧时放热多，这主要取决于进入气缸中空气量的多少。 因此，要求进气尽可能充分，排气尽可能干净。
内燃机中的流动均是不稳定流，而且进、排气管中发生 的压力波有时可能促进进、排气作用，有时可能妨碍进、 排气作用，因此，理论分析很困难。
本章将根据试验结果，结合理论分析，研究内燃机的换气过 程，分析影响发动机充气效率的因素，从而设法尽可能提高 发动机的充气量。
2020/3/20
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§1-1 四冲程内燃机的换气过程
换气过程—排气过程开启至进气门关闭，约占410ºC~480ºC曲轴转角。
包括自由排气、强制排气、进气和气门叠开四个阶段。
当排气温度为700~1100K时，声速c可达500~700（m/s）。
（ c kRT ）
当废气流向排气管时，管内压力Pr急剧 上升，产生了正压力
波，到了管端口后又变成负压力波反射回排气门。
k
当 pr 2 k1时 ，0.5属28 于亚临界流动。
p
2020/3/20
k 1南京航空航天大学金城学院车辆工程
2020/3/20
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2020/3/20
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一、自由排气阶段：
自由排气阶段—排气门打开至气缸压力接近排气管压力的这 段时期。
为什么排气门必须在下止点前提前开启一定角度？ 排气门开启初期，活塞移动速度缓慢，排气门开启流通截 面积只能缓慢增加，如果排气门恰好在下止点开启，气缸 内压力下降缓慢，活塞上行时压缩负功较大，增大排气过 程的消耗功率，因此，排气门必须提前开启。通常，排气 门提前开启角度约30~80ºCA。
2020/3/20
南京航空航天大学金城学院车辆工程
在排气门提前开启时，气缸内压力p约为0.2～0.5MPa，与 排气管内压力Pr之比大于临界值1.9，排气的流动处于超临界 状态，废气以当地声速c（m/s）流过排气门，废气流量与气 体压差无关，仅取决于气缸内气体的状态和气门开启有效截面 积。
k
（当 pr 2 k1 时0，.52属8 于超临界流动）。 p k 1
叠开角过大的问题： a.会使气门与活塞发生干涉，活塞上的气门避让坑相应地要加深，直
接影响燃烧室气体运动的合理组织以及压缩比的大小。 b.过多的扫气空气也会加重涡轮增压器的负担。 c. 增压汽油机，新鲜充量中含有燃料，利用新鲜充量进行扫气将导致
燃料的损失以及未燃碳氢排放物的增加，故叠开角仍较小。
2020/3/20
由于排气门的迟后关闭和进气门的提前开启，在进、排 气上止点附近，存在进、排气门同时开着的现象，称之为 气门叠开。
特点：1.进气管、气缸、排气管三者相通，有利于扫气增加。 2.新鲜冲量的冷却有利于降低缸内温度。
2020/3/20
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气门叠开角的确定：
由于气流惯性，进气管、排气管虽然相通，在气门叠 开角适当时不应出现废气倒流现象。
1、汽油机气门叠开角较小，因为发动机怠速工况时节 气门开度最小，进气节流损失最大，进气非增压柴油机进排气压力相当，允许采用较大的 气门叠开角，增强扫气效果，提高充量质量，提高性 能。气门叠开角一般为20～60 ºCA。
2020/3/20
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2、进气迟闭
为了利用吸气过程中产生的高速气流的惯性，进气门 必须在下止点后适当曲轴转角才完全关闭，实现过后充 气，以增加气缸内充气量。进气迟闭角一般为下止点后 20-60 ºCA。
2020/3/20
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四、气门叠开和燃烧室扫气过程
三、进气过程：从进气门开启到关闭，内燃机吸入的新鲜充量的
整个过程。
1.进气提前：
进气门一般在上止点前提前一定曲轴转角开启，以 保证活塞下行时有足够大的开启面积，减少进气节流损 失。进气门提前角一般为0～ 40ºCA。
进气真正开始时刻，要待气缸内残余废气膨胀至低于进 气管内进气压力才开始。由于该时进气管内气体加速需要压 力差，进气门开启截面积又小，因此新鲜充量不能及时吸入 气缸。进气门提前开启就是为了减少节流损失，增加气缸内 充气量。
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五、四冲程内燃机换气损失
定义:理论循环换气功与实际循环换气功之差 。