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。
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。
第二章-发动机的换气过程PPT课件
影响较小
（四）排气终了温度 Tr
Tr v （五）压缩比
v
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（六）配气定时 合理的配气定时也可增加充气效率
（七）进气状态 进气或大气压力高，pa也随之增加，新鲜 工质密度增加，进气量也增多。
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三、提高充量系数的措施：
m am 1m r(1r)m 1
vm m s1h(1 m s r)h m a(1srV )hsa h V a
• v愈高，代表每循环进入一定气缸容积的新鲜工质量 多，则发动机功率和扭矩可增加，动力性好。
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二、影响充量系数各种因素
（一） 进气终了压力 p a
vm m s1h(1 m s r)h m a(1srV )hsa h V a
排气门迟闭角为4= 10～70 °CA。
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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。
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。
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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。
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。
汽车发动机原理第二章-换气过程
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•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第一节四行程发动机的换气过程•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，–为了增加气门开启的时间断面，并充分利用气流的流动惯性，减少换气过程中的损失，进排气门一般提前开启，迟后关闭，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。
•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–2. 强制排气阶段•此阶段废气是由活塞上行强制推出。
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
第二章发动机的换气过程
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 所增加。
c 有
6、进气状态
进气温度升高，进气压力下降均会使进入气缸充量的密度减 少，绝对进气量减少，充量系数是在同一进气状态下的相对值。 进气温度、进气压力变化一般对充量系数影响不大。
第三节
提高充量系数的措施
一、降低进气系统的阻力 二、减少对进气充量的加热
式中
vc v vc vs
' s
Vr ' Vc
Pa’、 Ta’——进气状态的温度和压力； Ts 、Ps——进气终了时的气体温度和压力；
c
为了比较不同发动机残余废气量的多少，引入残余废气系数 的概念，即进气过程结束时气缸内残余废气量与气缸内新鲜充量 的比值：
Vs Vc ——压缩比, c Vc
mr vr r
3）充入气缸新鲜充量的质量为
c vs s K a [ vc v a ' vr ' r ' ]
' s
c
K a [ vc v a ' vr ' r ' ]
' s
vs s
K a Ts pa pr c ( c ) c 1 ps Ta Tr
第一节
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。 自由排气 换气过程 强制排气 进气 气门叠开（燃 烧室扫气)
1、自由排气阶段
排气门开启到气缸压力接近排气管压力的这一 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，一般为30º~80º曲轴转角。
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（以2课时为单元）
课序：09授课日期：09.30授课班次：汽服1201、1202 授课教师：李维 批准人：
课题：第二章 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：
教学步骤：
复习提问：
作业题目：
预习内容： 无
课时分配：
第二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。
超临界排气阶段中排出的废气量与内燃机的转速无关，因而发动机转速升高时，同样的超临界排气时间对应的曲轴转角将大大增加，为了使气缸压力及时下降，必须适当加大排气提前角，否则将使超临界排气阶段（以曲轴转角计）延长，势必增加活塞强制排气功的消耗。
（２）强制排气阶段
活塞从下止点到上止点的排气过程又称为强制排气过程。
1）强制排气阶段的特点
①活塞上行，缸内平均压力比排气管压力略高，需要消耗发动机的有效功。
②气流速度越高，压力差值越大，好功越多。
2）排气迟闭角
从排气上止点到排气门关闭终了时刻这段曲轴转角称为排气迟闭角。
排气门迟闭角的范围一般为上止点后10~70o CA。
排气门迟闭的原因：
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，使活塞强制排气所消耗的推出功与缸内的残余废气量增加；
②可以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。
2、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称为进气过程。
1）进气过程的特点
①活塞下行，缸内平均压力比进气管压力略低，也需要消耗发动机的有效功。
②进气门早开角和迟闭角对进气量影响较大。
2）进气提前角
从进气门开始打开到排气上止点这段曲轴转角称为进气提前角。
进气门提前打开的原因为了保证活塞下行时，进气门有足够大的流通面积，尽孝进气阻力，使新鲜充量顺利进入气缸。
发动机转速升高，进气提前角应加大。
仅
气提前角一般为上止点前0 o CA ~40 o CA。
3）进气迟闭角
从进气下止点到进气门关闭终了这段曲轴转角称为进气迟闭角。
进气门推迟关闭的原因是为了利用在进气过程中形成的气流惯性，实现向气缸的过后充气，增加缸内充量。
这样，有可能使得进气过程终了时，缸内压力等于或略高于进气管压力。
发动机高速运转时进气流速高，惯性大，进气门迟闭角应相应增大一些。
进气门迟闭角一般为20~60o CA。
尽管利用过后充气可以有效地增加进入气缸的空气量，但过大的进气门迟闭角，会使得在低速时发生缸内气流倒流进入进气管的现象，也会影响有效压缩比，从而影响压缩终了温度，使发动机的冷起动困难。
因此，合理的配气定时是十分重要的。
3、气门叠开和燃烧时扫气
（1）气门叠开
由于排气门迟闭和进气门早开而存在的进、排气门同时开启的现象称为气门叠开。
气门叠开所对应的曲轴转角称为气门叠开角。
气门叠开角等于排气迟闭角与进气提前角之和。
（2）气门叠开的影响
在气门叠开期间，进气管、气缸、排气管三者直接相通，此时的气体流动方向就取决于三者间的压力差。
内燃机的型式不同，对气门叠开角大小的要求也有所差异。
1）自然吸气发动机
若气门叠开角过大，会出现部分气体倒流
的现象。
点燃式内燃机，在小负荷易引起进气管回
火。
柴油机中，进气管内压力始终接近大气压
力，因此可以采用较大的气门叠开角，以提高
柴油机在常用转速范围内充量系数。
转速高的发动机宜采用较大的气门叠开
角和气门开启持续期，以提高发动机的充量系
数。
自然吸气式发动机气门叠开角一般在２0 o CA～６０o CA之间。
2）增压发动机
进气压力高，新鲜充量在正向压差的作用下流入气缸进行扫气，一部分还将流出气缸，排入排气管。
增大气门叠开角，有利于扫除缸内的残余废气，增加进入气缸的新鲜充量，可以用新鲜充量降低燃烧室内气缸盖、排气门、活塞顶、缸套的温度以及排气的温度，从而减小了发动机及增压器那些受热严重且冷却困难的关键零部件的热负荷，对提高发动机可靠性有显著的效果。
过大的叠开角易造成气门与活塞运动的干涉，需在活塞上加工避气门坑，从而影响到燃烧室内气体运动的组织以及发动机的压缩比。
此外，过多的扫气还会加重增压器的负担。
增压柴油机气门叠开角一般在80 o CA～140 o CA之间。
二、换气损失
进气损失和排气损失之和为排气损失。
1、排气损失
从排气门打开到进气行程开始循环功的损失称为排气损失。
包括膨胀损失和推出损失
减小排气损失的主要方法：
1）减小排气系统阻力
增加气门数目、优化排气道形状减小排气门处的流动损失；
2）合理选择排气提前角
最佳的排气提前角应使得膨胀损失与推出损失之和（W+Y）最小。
２、进气损失
发动机在进气过程中所造成的循环功的减少称为进气损失。
进气损失明显的小于排气损失。
但进气损失不仅体现在进气过程所消耗的功上，更重要的是它影响发动机的充量系数，对发动机的性能有显著的影响。
减小进气损失的主要方法：
1）合理调整配气正时；
2）加大进气门的流通截面；
3）正确设计进气管及进气的流动路径；
4）适当降低活塞平均速度等。
3、泵气损失
克服仅排气系统阻力而消耗的循环功称为泵气损失。
实际示功图中面积（X+Y-u ）所表示的损失。
§2.2 四冲程发动机的充量系数
一、概念
每循环实际吸入气缸的新鲜充量与以进气管状态充满气缸工作容积的理论充量之比。
充量系数反映了进气过程的完善程度，是衡量发动机性能的重要指标。
充量系数一般可采用台架试验测出发动机实际进气的体积流量q v1（m 3/h ）与理论进气流量q v （m 3/h ）相比而得出：
二、充量系数的分析式
进气状态下（p s ，T s ），每循环充满气缸工作容积的新鲜充量为：
假定进气门关闭时的气缸容积为V a ′，缸内工质状态为p a 、T a ，则缸内气体总质量为：
进气终了时，气缸内气体总质量包括新鲜充量m 1和残余废气量m r ， 引入残余废气系数：
s
1
s 1s V V V V m m ===s s h 1c ρρφin V q in V q q q s v1s v1v v1c 31001000
260=⨯==φs
s s
s sh T R V p m =a
a a a a '
T R V p m =
1
r
r m m =φr
1a m +=m m
由于新鲜充量气体常数与进气终了缸内气体常数接近，则则充量系数可表示为：
令 则有： 三、影响充量系数的因素
1、进气终了压力p a p a ↑→фc ↑
2、进气终了温度T a T a ↑→фc ↓
3、压缩比εc εc ↑→фc ↑
4、残余废气系数фr фr ↑→фc ↓
5、配气定时 ξ∙p a ↑→фc ↑
6、大气（大气）状态 p s ↓和T s ↑→虽然фc ↑；但使得实际进入气缸的充量密度下降，实际进气量减少。
小结
1、四冲程发动机的换气过程 自由排气、强制排气、进气、气门叠开
2、充量系数、影响充量系数的因素
作业
Pg35：1、2、3 a
a 'V V =ξr a a s s c c
c 11
1φεεξφ+-=T p p T r
a a s s s a sh 1c 11'φφ+==
T p p T V V m m。