第四章 内燃机的换气过程
第四章 换气过程
从排气过程、扫气过程到进气的整个气体更换过程叫做换气过程。
四冲程柴油机采用气阀换气，气阀的开度由气阀凸轮决定。
二冲程机气口换气，气口开度由活塞决定。
时面值表示了气阀与气口的流通能力。
换气过程的好坏以废气是否排除干净、新鲜空气冲入多少、新鲜空气量的消耗量为标志。
四冲程机的换气：从排气阀开到进气阀关的整个换气过程自由排气阶段：排气阀开启到缸内气压等于排气背压强制排气阶段：自由排气结束到排气阀关闭（过后排气）进气阶段：排气阀关闭到进气阀关闭（可以实现燃烧室扫气，一般只有四冲程机可以）二冲程机的换气：从排气口（阀）开到排气口（阀）关的过程自由排气阶段：从排气口开到扫气压力等于缸内压力强制排气和扫气阶段：进气开始到扫气口关闭的过程过后排气阶段：从扫气口关闭到排气口关闭二冲程机换气好坏取决于：扫排气重叠角、气阀开启延续时间、气阀的流通时间气阀采用耐热合金钢制造，采用氮化和镀鉻的方法增强其耐磨性不带阀壳的气阀，直接装在气缸盖上，不用冷却水，拆起来麻烦，一般用于中小型机带阀壳的气阀，多用于排气阀，其拆装简单、方便，有润滑油道、冷却水腔，用于大型机带壳式气阀机构：分阀盘和阀杆两部分，为提高充气效率，进气阀直径比排气阀直径大，导管由铸铁或者青铜制造，承受气阀侧推力并承担启发散热，气阀导承采用稀释的煤油或柴油润滑；气阀弹簧成对安装可以提高弹簧疲劳强度、提高弹簧振动频率防止产生共振，若一根断了还可以暂时使用，避免启发落入气缸并防止互相插入。
阀盘有平底、凸底、凹底三种，阀盘上的圆锥形面起密封作用全接式：用于小型高速机和部分老式机外接式：阀面锥角比阀座锥角小，易发生拱腰变形，用于强载中、高速增压机机内接式：阀面锥角比阀座锥角大，易发生周边翘曲变形，多用于大型二冲程机（长行程和超长行程）常见的锥阀角为30和45，锥角越大，对中性和密封性越好。
旋阀器：使气阀在启闭时缓慢转动，有效的延长排气阀的使用寿命。
可以减少积碳、均匀磨损、贴合严密；均匀散热、受热，防止局部过热；防止卡住。
内燃机学 第四章
ηmk ηm0
p mmk 1 p mik p mm0 1 p mi0
将pmmk≈pmm0以及定义式 pmm0=pmi0(1-ηm0)代入后
φck Tb 0.25 φc0 T0
2、增压内燃机性能的估算
– 降低进气门处的流动损失，
1. 降低进气门处的流动损失 – 进气门座处的流通截面， 是进气流道中截面最小、 流速最高的地方，该处的 局部阻力最大，与阻力系 数ξ有关和该处的流动速 度vs的平方成正比，即
可以从降低气门座处的流 速和改善气门座处的流动 情况以提高流量系数入手 解决。过高的气体流速， 会发生气体阻塞现象。 – 定义平均进气马赫数Ma 2 D Cm vs Ma d μ c cs s sm s
排气提前角 90 75 P/MPa 40 P/MPa 60 n = 3400rpm 3200 2800 2400 2000
上止点Βιβλιοθήκη 下止点活塞行程活塞行程
平均排气损失压力
平均进气损失压力 n
六、充量系数分析式
– 进气门关闭时（以下标a表
七、提高充量系数的措施
– 在发动机的结构确定的前
示）缸内气体的总质量为 ma ＝ m1 + mr ＝(1 + φr)m1
– 经济性能指标（有效燃油
的过量空气系数保持不变的情 况下，有
消耗率）
1 be ηit ηm
Pek ρsk ηitk φck ηmk Pe0 ρs0 ηit0 φc0 ηm0 b ek ηit0 ηm0 b e0 ηitk ηmk
下表“0”和“k”分别表示增压前 后的参数
内燃机的换气过程教学课件
Fvte－进气门有效时间截面值。
2023/12/25
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Maim
Vsv
aFvte
Vsv
aFvtm
2 1
6n
6 20
式中， Fvte－进气门有效时间截面值；
Fvtm－平均有效时间截面值；
φ1、φ2－进、排气门开启和关闭时刻， 对应的曲轴转角。
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说明：
1）平均进气马赫数考虑了进气过程的主要影响 因素，是表示进气流动的特征参数。
谐振充气系统是将 一组点火间隔相等的气缸， 通过较短的进气管和谐振 箱连接在一起，在进气波 动的频率和进气系统固有 频率相等时，取得较好的 充气效果。
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注意：
1）为了保证各缸的进气不发生干扰，谐振充气 系统一般要求气缸的点火间隔为240°CA。
2）对于不可变进气系统，谐振充气只有在很窄 的转速范围内才有较好的充气效果；对于可变进 气系统，谐振充气可在较大的转速范围内具有较 好的充气效果。
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❖ W－自由排气损失，是排气门提前开启而引
起的膨胀功的减少；
❖ X－强制排气损失，是活塞把燃气推出气缸
所消耗的功。
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2、进气损失
进气过程中缸内气体的压力低于进气管内气 体的压力，损失的功相当于Y所表示的面积，称 为进气损失。
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（二）泵气功
四冲程内燃机，在进气行程和排气行程中缸 内气体对活塞做功的代数和就称为泵气功。
常用平均泵气压力表示泵气功的大小，其定 义为：
pp
Wp Vs
6 3
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(完整版)内燃机原理课后习题与答案
第一章发动机的性能1.简述发动机的实际工作循环过程。
1）进气过程：为了使发动机连续运转，必须不断吸入新鲜工质，即是进气过程。
此时进气门开启，排气门关闭，活塞由上止点向下止点移动。
2）压缩过程：此时进排气门关闭，活塞由下止点向上止点移动，缸内工质受到压缩、温度。
压力不断上升，工质受压缩的程度用压缩比表示。
3）燃烧过程：期间进排气门关闭，活塞在上止点前后。
作用是将燃料的化学能转化为热能，使工质的压力和温度升高，燃烧放热多，靠近上止点，热效率越高。
4)膨胀过程：此时，进排气门均关闭，高温高压的工质推动活塞，由上止点向下至点移动而膨胀做功，气体的压力、温度也随之迅速下降。
（5）排气过程：当膨胀过程接近终了时，排气门打开，废气开始靠自身压力自由排气，膨胀过程结束时，活塞由下止点返回上止点，将气缸内废气移除。
3.提高发动机实际工作循环热效率的基本途径是什么？可采取哪些基本措施？提高实际循环热效率的基本途径是：减小工质传热损失、燃烧损失、换气损失、不完全燃烧损失、工质流动损失、工质泄漏损失。
提高工质的绝热指数κ可采取的基本措施是：⑴减小燃烧室面积，缩短后燃期能减小传热损失。
⑵. 采用最佳的点火提前角和供油提前角能减小提前燃烧损失或后燃损失。
⑶采用多气门、最佳配气相位和最优的进排气系统能减小换气损失。
⑷加强燃烧室气流运动，改善混合气均匀性，优化混合气浓度能减少不完全燃烧损失。
⑸优化燃烧室结构减少缸内流动损失。
⑹采用合理的配缸间隙，提高各密封面的密封性减少工质泄漏损失。
4.什么是发动机的指示指标？主要有哪些？答：以工质对活塞所作之功为计算基准的指标称为指示性能指标。
它主要有：指示功和平均指示压力.指示功率.指示热效率和指示燃油消耗率。
5.什么是发动机的有效指标？主要有哪些？答:以曲轴输出功为计算基准的指标称为有效性能指标。
主要有：1）发动机动力性指标，包括有效功和有效功率.有效转矩.平均有效压力.转速n和活塞平均速度；2）发动机经济性指标，包括有效热效率.有效燃油消耗率；3）发动机强化指标，包括升功率PL.比质量me。
04_1内燃机换气过程-孙柏刚-文字
人的呼吸； 游泳换气
三、评价
废气是否排出干净，进入的新鲜充量是否充 分
四、对内燃机工作过程的影响
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第二节 四冲程内燃机的换气过程
一、 排气阶段 二、 进气过程 三、 气门叠开和燃烧室扫气过程 四、 换气损失 五、 配气相位 六、 充量系数 七、提高充量系数的措施
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换气过程
一、排气阶段
1、排气提前角 2、自由排气 3．强制排气阶段
超临界阶段： 超临界阶段 P1/P2>(2/(k+1))^(k/(k+1)) 特点是流速达到最大， 等于当地音速，此时的流动损失也是最大，气体能量由压力势能 转变为动能（流速）和热能（温度）。排气流量与压力差无关， 与缸内状态和流通面积有关。 亚临界阶段：P1/P2《(2/(k+1))^(k/(k+1)) 流量与压力差有关，还 亚临界阶段 和缸内状态、通流面积有关。
直列4缸，1.57 L排量，81×77.5mm
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MITSUBISHI
可变配气相位角度值变化范围之大出乎想象，这也说 明固定不变的配气相位角是何等的不适应发动机的要 求 采用可变配气相位后最大功率增加 20.7％，最大扭矩 增大 11.8％ 最大功率转速提高，尤其是最大扭矩转速提高，可使 发动机在高转速下克服汽车行驶中的各种阻力。大大 地提高了汽车的加速性能与爬坡能力。
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运转工况
发动机转速 n ：
∆p∝n2，n↑=> ∆p↑，pa↓，Φc ↓ n↑=> 进气充量与热缸壁接触的时间缩短， 也就是∆T下降， Φc↑ 综合因素是： n↑=> Φc↓
发动机负荷(或油门)：
柴油机：改变负荷时， pa基本不变； 汽油机：负荷变大，节气门开度大， pa ↑ 负荷变小，节气门开度小， pa ↓
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
第四章柴油机的换气与增压解析
§4-1 柴油机的换气过程
• 一、四冲程柴油机的换气过程
§4-1 柴油机的换气过程
•1、排气过程 • 自由排气——压差 • 强制排气——推动功 • 过后排气——惯性 •2、进气过程 • 准备进气阶段——创造压差、开度条件 • 主要进气阶段——压差 • 补充进气阶段——惯性
• 循环进气量对应于气缸工作容积Vs
§4-1 柴油机的换气过程
•四、时面图和时面值 • 设通路流通面积为，则在时间微元内，流过通路的气体数量为： • dG=ωfdt
• 结构不变，n↑→时面值↓→换气质量↓
Gf dt
f dt—时面值
§4-1 柴油机的换气过程
•五、评定换气过程质量的参数
•1、残余废气系数
• ——换气过程结束时，气缸内残存的废气量与充入气缸的新鲜空气量之比。
§4-1 柴油机的换气过程
•三、二冲程柴油机的换气形式 •1、弯流扫气 • 1）横流扫气：扫气口与排气口位于气缸中心线的两侧。 • 2）回流扫气：扫气口与排气口位于气缸下部同一侧且排气口在扫气口上方。 • 3）半回流扫气：扫气口在排气口下方及两侧。 • 特点：扫气流动路线长（2S）、新气与废气易掺混、死角、气流短路，换气质量差；气缸下部受热
§4-2 换气机构
•二、气阀传动机构 •1、型式 • 机械式和液压式 •2、机械式传动机构 • 组成：顶头、顶杆和摇臂 • 气阀间隙——柴油机冷态下，气阀关闭时阀杆顶端与摇臂之间的间
隙。目的是留有气阀受热膨胀空间。
• 间隙↓→早开迟关，关闭不严 • 间隙↑→迟开早关，开度不足，撞击严重
§4-2 换气机构
§4-1 柴油机的换气过程
•4、扫气效率、扫气系数和给气比 • 扫气效率ηs——换气过程结束后，气缸内的新鲜空气量与气缸内总气量之比。 • 扫气系数Φs——在一个循环中通过扫气口的全部扫气空气量与换气过程结束后留在气缸内的新鲜空
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
Hubei Automotive Industry Institute
湖北汽车工业学院汽车工程系
HuBei Automotive Industries Institute Dep. of Automobile
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
湖北汽车工业学院汽车工程系
HuBei Automotive Industries Institute Dep. of Automobile
Hubei Automotive Industry Institute
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第四章内燃机的换气过程
第一节四冲程内燃机的换气过程
换气过程可分为：排气、气门叠开、进气三个阶段。
一、排气过程
1、排气门提前开启
•原因分析
•排气提前角：内燃机的排气门都在膨胀行程到达下止点前的某一曲轴转角位置提前开启，这一角度称为排气提前角。
•范围：30－80o CA
2、排气门滞后关闭
•原因分析
•排气门迟闭角：排气门在上止点后关闭的角度
•范围：10－70o CA
3、排气阶段
•自由排气阶段：从排气门打开到排气下止点这段曲轴转角内，缸内气体压力高于排气管内的排气背压，缸内气体一边对活塞做功，一边可以自动的排出缸外
•强制排气阶段：从下止点到上止点的排气过程。
需要消耗发动机的有效功•排气流动性质：超临界排气、亚临界排气
•进气过程：从进气门开启到关闭，内燃机吸入新鲜充量的整个过程
•为了增加进入气缸的新鲜充量，进气门在吸气上止点前要提前开启，在吸气下止点后应推迟关闭。
•进气提前角，10－40o CA
•进气门迟闭角，20－60o CA
•气门叠开：在进排气上止点前后，由于进气门的提前开启与排气门的迟后延闭，使内燃机从进气门开启到排气门关闭这段时间内，出现进排气门同时开启的状态，这一现象称为气门叠开。
•气门叠开角的大小：自然吸气，增压
第二节四冲程内燃机的换气损失
•一、换气损失：发动机实际的换气过程存在因为排气门早开所造成的膨胀功损失、活塞强制排气的推出功损失和缸内负压造成的吸气功损失等。
理论循环与实际循环的换气功之差称为换气损失。
•二、排气损失：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，称为膨胀损失。
活塞由下止点向上止点的强制排气行程所消耗的功称为推出损失。
两者之和称为排气损失。
•减少排气损失：合理确定排气提前角，增加排气门数目，增加流通截面积。
•三、进气损失
•与理论循环相比，内燃机在进气过程中所造成的功的减少称为进气损失。
•进气过程耗功，影响发动机的充量系数
第三节提高内燃机充量系数的措施
一、四冲程内燃机的充量系数
•定义：内燃机每循环实际吸入气缸的新鲜充量与以进气管内状态充满气缸工作容积的理论充量之比。
•意义：反应了进气过程的完善程度。
•表达式：
(1)
r a a c
s s
V
V
φρφ
ρ
-
=
二、提高充量系数的技术措施
•（一）降低进气系统的流动阻力：沿程阻力，局部阻力（空气滤清器、流道转弯处、进气门座圈处）
•增加进气门流动面积，采用多气门
•合理设计进气道及气门的结构
•（二）采用可变配气系统技术
•低速、高速不同要求
•可变凸轮机构、可变气门定时
•（三）合理利用进气谐振
•可变进气管长度
•（四）降低排气系统的流动阻力
•（五）减少对进气充量的加热
第四节内燃机的增压
一、概述
•19世纪末，萌生内燃机增压技术
•20世纪中叶，柴油机涡轮增压技术，大规模应用
•功率增加40－60％，发动机平均有效压力最高可达3MPa
二、内燃机的增压方式
•1、机械增压：发动机输出轴直接驱动机械增压装置
•2、排气涡轮增压：涡轮在排气能量的推动下旋转，带动压气机工作，实现增压
•3、气波增压：利用排气系统中的压力波动效应来压缩进气
•4、复合增压：组合
三、增压对内燃机动力性和经济性的影响
•一部分排气能量被利用，进气得到压缩，换气过程形成正的泵气功，指示热效率略有增加。
•发动机缸内残余废气系数降低，同时减少了对进气的加热作用，充量系数提高
•经济性能有所改善，但主要目的在于提高动力性。
四、发动机增压技术的优势与代价
•1、优势
•1）输出功率大幅度提高，升功率有较大提高
•2）排气在涡轮中得到进一步膨胀，排气噪声有所降低
•3）高原稀薄空气条件下恢复功率
•4）缸内温度和压力水平提高，缩短滞燃期，有利于降低压力升高率和燃烧噪声
•5）一般采用较大的过量空气系数，HC、CO和碳烟排放降低
•6）技术适应性广
•2、代价
•1）工作压力和温度明显升高，机械负荷和热负荷加大，内燃机的可靠性和耐久性受到影响
•2）低速时排气能量不足，低速转矩受到一定影响
•3）加速响应性能较差
•4）增压发动机性能的进一步优化，受到增压器和中冷器的限制
五、内燃机的增压改造
•1、压缩比与过量空气系数
•2、供油系统
•3、配气相位
•4、进排气系统
•5、增压空气的冷却。