发动机原理 第三章 发动机的换气过程

– 5. 压缩比 ε
• 压缩比ε 增加．压缩容积减小，残余废气量随之 减少，因而η v有所增加
– 6. 进气（或大气）状态ps、Ts
• 进气或大气压力高，pa也随之增加，新鲜工质密 度增大，虽然η v变化不大，但实际进气量增多 • 同理，进气或大气温度降低，Ta也随之有所下降， 工质密度增大，实际进气量亦增多
– 2. 进气终了的温度Ta
Ts pa 1 v 1 ps Ta 1

• Ta高，η v值小，应尽量降低 Ta • 一般进气终了的温度Ta高于进气状态温度Ts
– 1）新鲜工质进入发动机与高温零件接触而被加热 – 2）新鲜工质与高温残余废气混合而被加热 – 3）在化油器式汽油机上，为了使液体燃料在进气管中 蒸发，以便均匀地与空气混合而进入气缸，一般都利 用废气或冷却水热量对进气管加热，故空气经过进气 管时受热而温度升高。 在电控燃油喷射发动机上，进 气管和排气管往往布置在发动机两侧
r r r c r r v s s c s a r r a a c r

a
r
– 经过整理：
Ts pa 1 v 1 ps Ta 1

–影响η v的因素有
• 进气（或大气〕的状态（ps、Ts） • 进气终了时气体压力（pa） • 进气终了的气体温度（Ta） • 残余废气系数（γ ） • 压缩比（ε ） • 气门正时（ξ ）
式中 m1、V1--实际进入气缸的新鲜工质的质量、体 积（进气状态） –ms、Vs--进气状态下充满工作容积的新鲜工质的质 量、气缸工作容积 –汽油机： η v=0.75-0.9 –柴油机： η v=0.7-0.85
• 二、影响因素（首先推导公式）
–排气门关闭时缸内残余废气量：mr=Vrρ r –进气门关闭时缸内总量：ma=(VC+VS’)ρ a –因为m1=η v ms = η v Vsρ s –同时m1= ma- mr= (VC+VS’)ρ a- Vrρ r –所以η v = （(VC+VS’)ρ a- Vrρ r ）/ Vsρ s –考虑进气门迟闭角的影响： VC VS ' V r VC VC VS –考虑排气门迟闭角的影响： –压缩比：ε =Va／Vc=(Vs+Vc)／Vc=1+Vs/Vc m V V –残余废气系数： V (V V ' ) V V V
1. 时面值 • 时面值表示了气门的 通过能力
m v fdt
• 时面值与角面值

fdt
1 fd 6n
2. 进气马赫数Ma • 进气马赫数Ma是进气门 处气体的平均速度vm与 该处声速c的比值 • 平均速度vm是实际进入 气缸的新鲜充量与进气 门有效时面值之比 • 当Ma 超过一定数值(0.5 左右)时，ŋv 便急剧下降 • 限制Ma值对于高速发动 机尤为重要 • 减小Ma值的主要措施： 增大气门的相对通过面 积，改善气门处的气体 流动、提高流量系数， 合理的配气相位
第一节 四行程发动机换气过程
• 一、 换气过程
–四行程发动机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。一般将换气过程分作自由排气、强 制排气、进气和气门叠开四个阶段
– 1. 自由排气阶段（超临界与亚临界状态）
• 从排气门打开到气缸压力接近了排气管压力的这 个时期称为自由排气阶段 • 排气门是在活塞到达下止点之前开启，从排气门 开始打开到下止点这段曲轴转角，称为排气提前 角，一般为30°～80°曲轴转角。此时缸内废气 压力约为0.2～0.5MPa，缸内压力与排气管压力之 比往往大于临界值 1.9，排气的流动处于超临界状 态，废气以当地声速c流过排气门开启截面，当排 气温度为 700-1100K时，声速可达500-700m／s • 排气提前角的选择：不要使自由排气阶段拖得过 长，否则会增加强制排气活塞推出功，使排气损 失增加。因此，对于高速机，应加大排气提前角。
• 四、进气道
– 要求：同进气管 – 进气道位于气缸盖内，形状复杂，受气门导 管凸台影响，截面形状往往有突变，对进气 阻力影响大
• 考虑动力性能，减少阻力 • 考虑经济性能与排放，应使新鲜充量在气缸中形 成涡流，改善混合气形成与燃烧 • 互相矛盾，应在气道试验台上进行试验设计
• 五、进气门
– 1. 时面值 – 2. 进气马赫数Ma – 3. 气门直径和气门数 – 4. 气门升程 – 5. 减少气门处的流动损失
• 发动机速度特性：当负荷不变而转速增加时，由 于新鲜工质与缸壁等接触时间短，传热量少，所 以Ta稍有下降 • 发动机负荷特性：当转速不变而增加发动机负荷 时，缸壁等零件温度升高，Ta有所上升
Ts pa 1 v 1 ps Ta 1

– 3. 残余废气系数γ
• γ 大，η v下降 ，同时燃烧恶化 ，特别是在汽油 机低负荷运转时 • 排气管内废气压力pr=ps+△pa • △pa为气体流动时，克服排气系统阻力而引起的 2 压降 v
– 否则，产生较大的节流作用，致使缸内压力上升，结 果排气消耗的功和残余废气量增加； – 利用惯性继续排气
– 3. 进气过程
• 进气提前角：进气门一般在上止点前0°～40° 曲轴转角开始打开，以保证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。 • 进气迟闭角：进气门一般在下止点后40°～ 70°曲轴转角才关闭，以利用高速气流的惯性， 在下止点后继续充气，以增加进气量。 • 由图中压力线看到，在进气行程初期，由于气门 开启面积小，节流很大，活塞又向下运动，因此 缸内产生很大的负压，新鲜工质流入气缸，同时 在进气管内引起负压力波，在管内往复传播与反 射。
第三章 发动机的换气过程
• 发动机换气过程包括排气过程和进气过 程，其任务是排除缸内废气并充入尽可 能多的新鲜工质 • 每循环进入气缸的新鲜工质量愈多，燃 烧后才能放出更多的热，从而增大发动 机功率和转矩，这是保证发动机动力性 能的前提和关键
• • • •
1kg汽油----14.9kg空气 1kg柴油----14.5kg空气 1L汽油----10000L空气 燃料所占容积很小，且为强制进入，由喷油器 多供燃料容易，而更多地充入空气则相对较难， 若能多进空气，则可多供燃料，从而进入气缸 的新鲜工质量愈多 • 对解决高、低速性能的矛盾，汽油机混合气组 成和均匀分配，柴油机缸内气体流动等问题， 起着重要作用，因此也影响到汽车的经济性、 排放、噪声及乘坐的舒适性等
3. 气门直径和气门数 • 增大进气门直径可以扩 大气流通路截面积 • 在双气门（一进一排） 结构中，进气阀盘直径 可达活塞直径的45%～ 50%，气门与活塞面积之 比为0.2～0.25，进气门 比排气门一般大15%～ 20% • 进一步增大进气门流通 截面，可采用多气门结 构。保证高速进气量
4. 气门升程
• 发动机速度特性：例如驾驶员总维持加速踏板不 动，而汽车下坡则此时车速增加发动机转速n增 加，气流流速v随之加大，进气终了的压力 pa迅 速下降 • 发动机负荷特性：例如驾驶员总想维持车速不变 （同一档位下），而汽车下坡则负荷减小加速踏 板减小
–在柴油机上，调节负荷是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，在进气系统一般不设 调节负荷的节流装置，故流动阻力基本不变，进气终 了的压力随负荷的变化很小 –在汽油机上，进入气缸的是空气和燃料的可燃混合气， 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。加速踏板减小则节气门关小，节流损失 增加，引起pa下降
– 2. 进气损失（X） ：由于进气系统的阻力， 进气过程的气缸压力低于进气管压力，损失 的功相当于X所表示的面积，称为进气损失 – 泵气损失：（X+Y-d）
第二节 充气效率及影响因素
换气过程好坏的评价指标（从两个方面价）： 残余废气系数和充气效率。 • 一、充气效率η v的定义
v
m1 V1 ms Vs
Ts pa 1 v 1 ps Ta 1
– l. 进气终了的压力pa
• 影响最大，pa愈高，η v值愈大 • pa=ps-△pa • △pa为气体流动时，克服进气系统阻力而引起的 压降 v 2

pa
2
• △pa主要取决于各段管道的阻力系数λ 和气体流 速v。若λ 大、v高时，△pa增加，使pa下降 ， η v下降
pa
2
• 转速n增高则气体流速v增加，pr增加，ρ r增加， γ 增加，η v下降
Ts pa 1 v 1 ps Ta 1
– 4. 配气Байду номын сангаас时 ξ
• 进气门迟闭VS’ < VS，ξ <1，新鲜充量的容积减 小，但pa值却可能因有气流惯性而使进气有所增 加，合适的配气定时应考虑ξ pa具有最大值
• 适当增加气门升程，改 进凸轮型线，减小运动 件质量，增加零件刚度， 在惯性力允许条件下使 气门开闭得尽可能快， 从而增大时面值，提高 通过能力 • 气门升程 －最大气门 升程与阀盘直径之比 L/d取0.26～0.28
– 4．气门叠开
• 由于排气门的迟后关闭和进气门的提前开启，存 在进、排气门同时开着的现象，称为气门叠开 • 此时进气管、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， 但注竟不应产生废气倒流现象。在非增压发动机 中，叠开角一般为20°~80°曲轴转角 • 将进、排气门开、关角度以及相对上、下止点的 位置画出，称为配气定时图。
– 2. 强制排气阶段
• 此阶段废气是由活塞上行强制推出。由于要克服 排气门、排气道处的阻力，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。气 流的速度愈高，此压差愈大，耗功愈多。 • 为了利用高速气流的惯性排除废气，排气门是在 活塞过了上止点后才关闭。从上止点到排气门完 全关闭这段曲轴转角，称为排气迟闭角，一般为 10°～35°曲轴转角。 • 为何需要排气迟闭角：
第三节 提高充气效率的措施之 减少进气系统的阻力
• 大气——空气滤清器——节气门——进气 管——进气道——进气门——气缸
• 一、空气滤清器
–结构不同，阻力不同 –保证滤清效果的前提下，尽可能减小阻力， 经常清洗滤清器，更换滤芯
• 二、节气门
– 汽油机 – 柴油机
• 三、进气管
– 要求：足够的流通面积，变化平缓，避免转 弯及截面突变，圆角应大，管道表面光洁， 以减小阻力，提高η v –在汽油机上，还必须考虑燃料的雾化、蒸发、 分配以及压力波的利用等问题 –在柴油机上，还要求气流通过进气道在气缸 中形成进气涡流，以改善混合气形成和燃烧 –高速、高功率，进气管应粗而短 –中、低速，进气管应细而长
• 二、换气损失
– 换气损失是由排气损失和进气损失两部分组 成，如下图所示（W+X+Y)
– 1. 排气损失 ：从排气门提前打开直到进气 行程开始，缸内压力到达大气压力前循环功 的损失 ，包括W+Y
• 自由排气损失（W） ：因排气门提前打开，排 气压力线从b’点开始偏离理想循环膨胀线，引起 膨胀功的减少 • 强制排气损失（Y）：活塞将废气推出所消耗功 • 随着排气提前角的增大，W增加，Y减小，最有 利的排气提前角应使面积（W＋Y）之和为最小 • 减小排气系统阻力及排气门处的流动损失，是降 低排气损失的主要方法。排气背压每升高 3.39kPa（25.4mmHg），非增压柴油机耗油率 平均增加1％
• 在超临界排气时期，废气流量与排气管内压力无 关，只决定于气缸内气体的状态和气门有效开启 面积 • 随废气的大量流出，缸内压力迅速下降，排气流 动转入亚临界状态，此时废气流量决定于气缸内 和排气管内的压力差。到某一时刻，气缸内和排 气管内的压力接近，则自由排气阶段结束 • 自由排气约在下止点后10°～30°曲轴转角结 束，由于此阶段废气流速很高，故排出废气量达 60%以上 • 当排气门开启，废气涌向排气管时，排气管压力 急剧上升，产生正压力波并在管内往复传播和反 射