四冲程发动机的换气过程
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《汽车发动机原理》培训课件.ppt
• 每循环燃油燃烧放出的热量为： • 式中：H u为燃料的Q1低 热pRoTV值oa （c KHa JLuo/kkgJ）
• 每循环的指示功为：
Wi
Q1i
poVa RTo
c
Hu a Lo
i
kJ
• 平均指示压力：
•
pmi
Wi Va
po Hu RTo
1
a Lo
令
Ka
a Lo 1 a Lo
称为混合气的空气量比例系数，所以有
cVs s
Ka
Vc Vs'
a'
Vr '
r
'
式中，s 为进气时大气密度。
考虑到进、排气门迟闭，令
c
c
Ka
1 s
a'
Vc Vc
r'
, Vs'
图3-4 排气门提前角和排气损失 a—最适合 b—过早 c—过晚 d—排气门面积过小
三、进气损失
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（非增压发动机中一般 设为大气压力），损失的功相当于图X所表 示的面积，称为进气损失。
第二节 四冲程发动机的充量系数
一、充量系数 充量系数是衡量不同发动机换气过程完善程度的重要
由此可得每循环充入气缸的新鲜混合气质量ml为
ml
(Vs'
Vc )a'
V r
'
r
'
进入气缸的混合气量为 ml ma gb
式中，g b 为循环燃料量。
由第四章空燃比的关系得
§2-1 四冲程发动机的换气过程.
§2-1 四冲程发动机的换气过程一、 换气过程 （一） 排气过程如图2-1为换气过程气缸压力和排气管压力随曲轴转角的变化关系。
1.自由排气阶段排开 p >> p r → p = p r 靠缸内压力将气体挤出气缸，其中 p －缸内压力, p r －排气管内压力。
（1）超临界状态排开 → p = 1.9 p r在气阀最小截面处, 气体流速等于该地声速 T R k C = m/s 。
其流量与压差 （p - p’）无关, 只决定于排气阀开启面积和气体状态。
（2）亚临界排气 Dp ≤ 1.9 p r → 排闭。
其流量取决于压差 （p - p r ）。
2. 强制排气阶段p = p r → p ≤ p r靠活塞上行将废气挤出气缸。
（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。
二、换气损失理论循环换气功与实际循环换气功之差。
如图2-2：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WW是因排气门提前开启而损失的膨胀功,称为自由排气损失。
Y是活塞作用在废气上的推出功,称为强制排气损失功。
图2-2排气提前角↑→ W↑，Y↓。
综合效果, 要求（Y+W）↓, 故（W+Y）有一个最佳值（W+Y）min。
对应排气提前角亦有一个最佳值, n↑→（W+Y）min↑。
（二）进气损失功X进气损失功小于排气损失功，即X < Y（三）泵气损失功（X+Y-D）在实际示功图中, 把（W+d）归到指示功中考虑。
第2章 四冲程发动机的换气过程
Pa=Ps--△Pa
式中，△pa为气体流动时，克服进气系统阻力而引起的压降 kPa)。一般可写成 v 2
pa
△
式中
2
——管道阻力系数；
——进气状态下气体的密度；
V——管道内气体的流速（m/s）。
可见，△pa主要取决于各段管道的阻力系数和气体流速。若大、 高时，△pa增加，使pca下降。
（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。
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。
缸径小于80mm时，采用三进二排结构。
四气门机与 二气门机相比， 功 率 可 提 高 70% ， 扭 矩 可 提 高 30% ， 且 响应性比增压 机好，故是汽 车发动机高功 率化的有力措 施。
4.气门升程
气门升程增加、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尽 可能快，以增大时面值，提高充气 效率。 最大气门升程与阀盘直径之比 L/d取0.26~0.28。
5．5.压缩比 压缩比增加,压缩容积减小,残余废气量随之减小,因 而有所增加。
第三节
提高充气效率的措施
进气系统：空气滤清器或加进气消声器、化油器 或喷油器、节气门、进气管、进气道和进气门等组成。 减少各段通道的阻力，增大其流通能力，是提高 充气效率，改善发动机性能的主要途径。 一、进气门 1.时面值 气门开启断面与对应开启时间的乘积称为气门开 启的时面值。它表示气体流过气门的通过能力。气门 开启时间长，开启断面大，则气门开启时面值大，气 流通过能力越强，阻力越小。 增大进气门头部直径，减小气门头部锥角，增大 气门升程，延长气门开启时间，均可扩大气门开启时 面值。
发动机的换气过程
谢谢~
增压发动机存在的主要问题是：
1、增压后气缸压力和温度明显提高，机械负荷
和热负荷加大，直接影响发动机工作可靠性和耐久性。 所以对高压增压发动机有必要限制缸内最高爆发压力。 2、对废气涡轮增压，由于发动机低速时，排气 流量低而能量不足，造成压力机低速增压效果降低，
影响车用发动机的低速转矩特性。
3、废气涡轮增压，从排气能量的变化到进气压 力的建设需要一定的时间，所以加速响应特性不如自 然吸气式。
一、排气过程
1、自由排气阶段 （1）超临界排气
背压临界值
1 / 2 / 1
RT
气缸气体速度 c
（2）亚临界排气
2、强制排气阶段
二、进气过程
三、配气定时及气门叠开现象
第二节 提高充气效率的措施
一、减少进气系统阻力 进气系统包括空气滤清器、进气总管、进气支管、 进气道及进气门。减少各段的流动阻力，是提高充气 效率的主要途径。 沿程阻力主要指管道的摩擦阻力，与管道长度、 管道内壁表面粗糙度及气流速度有关。 局部阻力主要指流动截面积大小、形状以及流动 方向变化造成局部产生涡流所引起的损失。
根据增压器组合方式不同又分为复合增压和双级 增压。 总之，发动机增压技术有以下几方面有点： 1、发动机增压后提高了进气密度，所以有效提高 发动机的升功率和比质量功率，从而降低单位功率的 造价，提高材料的利用率同时改善经济性。 2、与自然吸气式发动机相比，由于排气能量进一 步得到回收利用，不仅提高了热效率，而且降低了排 气噪声。 3、对柴油机增压后，缸内压力和温度水平都得到 提高，使滞燃期缩短，所以有利于将对压力升高率和 燃烧噪声。
发动机的换气过程
张刘茨
课程导入
发动机的四冲程
第一节 四冲程发动机换气过程
车辆工程_换气过程
第三节 减少进气系统的阻力
局部阻力 管 道 摩 擦 阻 力
一、减小进气门处的流动损失
Δp = λ
ρv
2
2
2、进气马赫数 Ma
vm Ma = c
须限制进气马赫数。
3、气门直径和气门数
4、气门升程
气门流通截面积随气门升程的增大而增加。
5、减少气门处的流动损失
二、进气道和进气管
足够的流通截面和光滑壁面
三、影响充量系数的主要因素
配气定时
进气加热 流动损失
1、进气终了的压力 pa
影响因素：
¾ 管路的流动阻力 ¾ 管路的压力波动
克服进气系统流动阻力的压力降
pa = ps − Δpa
Δpa = λ
ρv
2
2
式中：λ为管道阻力系 数，ρ为进气状态下气体 密度（kg / m3 ），v为进 气平均流速（m / s）。
气门叠开期间，若排气管压力高于进气 管压力，可能会出现废气倒流现象，反而使 缸内残余废气量增多。
（1）汽油机的气门叠开角 回火
自然吸气汽油机的 气门叠开角最小。
（2）自然吸气柴油机
新鲜充量为空气。 自然吸气柴油机的气门叠开角较大。
（3）增压柴油机
增压柴油机的 气 门叠开角最大。
二、换气损失和泵气损失
理论循环与实际循环的换气功之差。
由排气损失和进气损失两部分组成。
1、排气损失
¾W：自由排气损失
转速对排气损失的影响
转速越高,排气损失越大。
随转速升高，最佳排气提前角增大。
2、进气损失
进气损失与排气损失相比较小， 但对发动机性能影响却很大。
¾Y：进气损失
3、换气损失和泵气损失
发动机换气过程PPT课件
• 换气损失（W+Y+X） 理论循环换气功与实际循环换气功之差。 进气损失--X
自由排气损失--W
排气损失 强制排气损失--Y
• 泵气损失（X+Y-d）
如何使排气损失最小 ⑴?e`（排气门太早开启）
如果排气提前角↑，则w↑，y↓
⑵e``（排气门太晚开启）
排气提前角↓，则w↓，y↑
e’ e”
所以：最有利的排气提前角，必须是使（w+y） 最小。
换气过程
自由排气 强制排气 进气 气门叠开
用曲轴转角表示进排气门开启到关闭 的时候和持续的时间，称为配气相位（定 时）。
通常把配气相位用相当于上下止点曲 轴转角的环形图表示成为配气相位图。
进气提前角 进气迟闭角
排气迟闭角 排气提前角
1、自由排气阶段—-废气根据自身的压力自 行排出
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
则有m1=ma/（1+r）
影响充气效率因素的公式推导
进气终了时气缸内总容积va’（有效 进气容积）与气缸总容积va的比值为ξ〈１ （有效进气体积系数）
影响充气效率因素的公式推导
v
m1 ms
ma ms (1 r)
aVa '
Pa RaTa
•Va
(1 r)sVs
1 r
Ps R sTs
•Vs
影响充气效率因素的公式推导 因为ＰＶ＝ｍＲＴ 有Ｐ／ＲＴ＝ｍ／Ｖ＝ρ Va/Vc=ε Vs/Vc=(Va-Vc) /Vc=ε-1
发动机换气过 程
一、四冲程发动机的换气过程
内
容
介
二、四冲程发动机的换气损失
绍
三、四冲程发动机的充气效率
Chapter2 发动机的换气过程
排气门不允许刚好在活塞到达上止点时关闭，而 应当在上止点后一定角度时关闭，这就是排气迟闭。 排气迟闭期间，可以利用缸内气体流动惯性从气缸内 抽吸部分废气，实现过后排气，过大的排气迟闭会导 致废气倒流。排气门迟闭角为10°～35°（CA）。
3. 进气过程
从进气门开启到关闭的全过程都是进气过程。
mr ' Vr ' r '
每循环充入气缸新鲜混合气的质量m1为：
m1 Vc V a' Vr ' r ' ma gb
' s
a L0 ma ( )m1 K a m1 1 a L0
cVs s K a [(Vc V ) Vr r ]
3）排气终了时废气压力高，废气多，充气效率降低。 4）排气系统阻力大，排气压力高，废气多。
4．配气定时
由φc 的计算公式可见，由于进气门迟闭而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ξPa’具有
最大值。
5．压缩比
压缩比增加，压缩容积减小，残余废气量随之
(2)除了排气提前角以外，发动机的转速对排 气损失影响也较大(图4-3b)。一般而言，转速 增高时，发动机膨胀损失的增加幅度远远小 于推出损失的增加幅度，而两者之和在总体 上呈现增加的趋势。 降低排气损失的主要方法: 合理确定排气提前角，以有效地减少排 气过程中的损失。
2．进气损失
• 与排气过程不同的是，进气损失不仅体观在进气过程 所消耗的功上，更重要的是体现在进气过程中所吸人 新鲜充量的多少上，因为前者对于发动机的热效率乃 至功率影响不大，而后者对发动机性能有显著的影响。 • 如图4-2b和图4-2d所示，由于进气道、进气门等处存 在流动阻力损失，进气压力线位于大气压力线p0(非增 压机)或增压压力线pb(增压机)之下，两者之差围成的 阴影部分面积可分别用y表示。将它与排气过程中的 损失相比，其值明显相对较小(图4-4)。 • 合理调整配气定时，加大进气门的流通截面、正确设 计进气管及进气道的流动路径以及降低活塞平均速度 等，都会使进气损失减少。
3. 进气过程
从进气门开启到关闭的全过程都是进气过程。
mr ' Vr ' r '
每循环充入气缸新鲜混合气的质量m1为：
m1 Vc V a' Vr ' r ' ma gb
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a L0 ma ( )m1 K a m1 1 a L0
cVs s K a [(Vc V ) Vr r ]
3）排气终了时废气压力高，废气多，充气效率降低。 4）排气系统阻力大，排气压力高，废气多。
4．配气定时
由φc 的计算公式可见，由于进气门迟闭而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ξPa’具有
最大值。
5．压缩比
压缩比增加，压缩容积减小，残余废气量随之
(2)除了排气提前角以外，发动机的转速对排 气损失影响也较大(图4-3b)。一般而言，转速 增高时，发动机膨胀损失的增加幅度远远小 于推出损失的增加幅度，而两者之和在总体 上呈现增加的趋势。 降低排气损失的主要方法: 合理确定排气提前角，以有效地减少排 气过程中的损失。
2．进气损失
• 与排气过程不同的是，进气损失不仅体观在进气过程 所消耗的功上，更重要的是体现在进气过程中所吸人 新鲜充量的多少上，因为前者对于发动机的热效率乃 至功率影响不大，而后者对发动机性能有显著的影响。 • 如图4-2b和图4-2d所示，由于进气道、进气门等处存 在流动阻力损失，进气压力线位于大气压力线p0(非增 压机)或增压压力线pb(增压机)之下，两者之差围成的 阴影部分面积可分别用y表示。将它与排气过程中的 损失相比，其值明显相对较小(图4-4)。 • 合理调整配气定时，加大进气门的流通截面、正确设 计进气管及进气道的流动路径以及降低活塞平均速度 等，都会使进气损失减少。
四冲程发动机的换气过程资料
• 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
自由排气
换气过程
强制排气
进气 气门叠开
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。 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。
自由排气阶段
缸径小于80mm时，采用三进二排结构。
四气门机与 二气门机相比， 功 率 可 提 高 70% ， 扭 矩 可 提 高 30% ， 且 响应性比增压 机好，故是汽 车发动机高功 率化的有力措 施。
4.气门升程
气门升程增加、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尽 可能快，以增大时面值，提高充气 效率。 最大气门升程与阀盘直径之比 L/d取0.26~0.28。
二、影响充气效率的因素
（一）充气效率ηv的表达式
1）进气门关闭时缸内气体的总质量ma
假定进气门关闭时气缸容积为（Vs’ +Vc），此时缸 内气体压力、温度、密度为 Pa 、 Ta 、 ρa ，则缸内气体 的总质量为
ma vc v a
' s
2）排气门关闭时缸内残余废气的质量
假定排气门关闭时缸内体积为 Vr，残余废气的压力、 温度、密度为Pr、Tr、 ρr ，则残余废气的质量为
3.残余废气系数
v 降低，燃烧恶化，油耗、排放增加， 1） 增加，
2）压缩比提高，残余废气系数减小。 3）排气压力高，废气多，充气效率降低。 4）排气系统阻力大，排气压力高，废气多。
4．4.配气定时
v 的计算公式可见，由于进气门迟闭而 ＜1 , 由 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 ξPa 具有最 大值。
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二、换气损失
1.排气损失：从排气门提前打开到进气过程开始后，汽缸压力 接近或达到大气压力之前所产生的损失功。它包括提前排气损 失和强制排气损失 (两者受排气提前角影响，最佳的排气提前 角是排气损失最小）。 最佳排气提前角随转速提高而增大。 2.进气损失： 进气损失一方面使进气过程 消耗了功；另一方面影响到 进气过程中吸入新鲜充量的 多少，这对发动机的性能影 响很大。 3.泵气损失:
v
ma mr m0
T0 p a pr 1 p 0 Ta Tr 1
1.进气终了的压力和温度 2.排气终了的压力和温度 3.大气压力和温度 4.压缩比 5.配气相位
结论
结论
进气终了压力提高，充气效率提高。 进气终了温度提高，充气效率下降。 排气终了压力提高，充气效率下降。 排气终了温度变化对充气效率影响不大。 大气压力降低、大气温度升高，充气效率提 高。 压缩比提高，充气效率提高。 配气相位：进、排气迟后角过大或过小，充 气效率降低。
充气效率
充气效率（η ν ）:指发动机每一工作循环的实际充 气量m与理论充气量m0 （进气状态下充满汽缸工作容 积的新鲜气体数量)的比值 。
v
m m0 ma mr m0 T0 p a pr 1 p 0 Ta Tr 1
v
ma mr m0
课程内容概述
第一章 发动机原理基础知识 第二章 发动机的换气过程 第三章 汽油机的燃料与燃烧 第四章 柴油机的燃料与燃烧 第五章 燃气发动机的燃料与燃烧 第六章 发动机的特性 第七章 汽车的动力性 第八章 汽车的制动性 第九章 汽车的使用经济性 第十章 汽车的操纵稳定性 第十一章 汽车的舒适性 第十二章 汽车的通过性 第十三章 汽车性能的合理使用
第二章
发动机的换气过程
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节
四冲程发动机的换气过程 影响换气过程的因素 换气过程对发动机性能 的影响 改善换气过程的措施 发动机的进气控制 发动机的进气增压
第一节
四冲程发动机的换气过程
一、换气过程 二、换气损失 三、换气过程的评定指标
一、换气过程
三、换气过程的评定指标
一般用残余废气系数和充气效率来评定。 残余废气系数（r)：发动机每循环进气终了时，汽缸 内的残余废气量与实际充气量的比值 。
r
mr m
Vr V
r
mr ma mr
1 ma mr 1
1 p aTr p rTa 1
残余废气系数主要用来比较排量不同的发动 机残余废气量的多少，评定发动机换气过程 进行的好坏。
强制排气
强制排气阶段：自由排气阶段结束后，汽缸内的
废气被上行的活塞强制推出，直到排气门关闭。 废气的流动状态仍处于亚临界状态。 排气门应该在活塞到达上止点后不久才关闭（减 少残余废气量和减小排气阻力）。
进气、扫气
进气过程：指活塞到达上止点前，进气门开始开启到进气门
完全关闭的这段时间。 进气提前角(减小进气阻力）、进气迟后角 （增加进气量和 减小进气阻力） 进气门关闭时，汽缸内的压力接近或略高于大气压。 气门叠开：在排气行程上止点附近存在着进、排气门同时开 启的现象。 扫气过程：利用新鲜空气或 混合气进一步扫除缸内废气。 同时降低了燃烧室内热区零件 的温度。 叠开角过大、过小都不好。
二、残余废气系数的影响因素
r mr ma mr 1 ma mr 1 1 p aTr p rTa 1
进气终了压力提高和温度降低，残余废气系数减小
。 排气终了的压力提高和温度降低，残余废气系数增大 。 压缩比提高，残余废气系数减小 。 合适的配气相位，残余废气系数减小 。
四冲程发动机的换气过程是指上一循环排气 门开启到下一循环进气门完全关闭的整个过 程。 换气过程分为自由排气、强制排气和进气过 程三个阶段 。
换气过程
自由排气 强制排气 进气、扫气
自由排气
自由排气阶段：从排气门开启，到汽缸内压力接近排气管
内压力这段时间 。 1ห้องสมุดไป่ตู้超临界状态
排气量只取决于排气门的开度、气体状态等，与排气门 前后的压力差无关。 2.亚临界状态 排气量只取决于排气门的开度和排气门前后的压力差。 排出的废气量可达排气总量的60%以上。 排气门应该在活塞到达下止点前提前开启（减小排气阻 力）。
ma ( r 1) m 0
p a T0
1
1 Ta p 0 r 1
充气效率不受汽缸工作容积的影响。当汽缸工作 容积一定时，充气效率越高，说明进气越充分， 每循环的实际充量越多，发动机的动力性好。
第二节
影响换气过程的因素
一、影响充气效率的因素 二、影响残余废气系数的因素
一、影响充气效率的因素