第2章 发动机的换气过程讲解
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发动机原理与汽车理论第2章发动机的换气过程.ppt
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。
二、残余废气系数的影响因素
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
v
ma mr m0
1 T0
1 p0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
pa
Ta
pr Tr
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
一、换气过程
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 。
自由排气 强制排气 进气、扫气
换气过程
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 。
1.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）。
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）。
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
Pr排气门 处 n2， 的 所 n 阻 以 Pr力 v
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。
影响较小
（四）排气终了温度 Tr
Tr v （五）压缩比
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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
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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。
发动机的换气过程
排气门迟闭使 >1，使新鲜充量扫出气缸，从而使 c 降低。 解决措施：合理选择排气相位角，使新鲜充量既能利用气流惯性多充入气缸， 又不至于随废气扫出气缸。 5. 压缩比
c
有所增加。
压缩比增加，余隙容积减小，残余废气量减少，因此充量系数 6. 进气状态
进气温度和压力一般对充量系数
c
影响不大。
p
二、排气损失
' 从排气门提前打开（ pb 点)，直到进气行程开始，
' pb W
Y
缸内压力到达大气压力前循环功的损失称为排气
损失。它分为自由排气损失和强制排气损失。
p0
X
V
自由排气损失（W ）：因排气门提前打开，引起膨胀功的减少而产生的热量损失。 强制排气损失（ Y ）：活塞将废气推出所消耗的功。 减少排气损失的措施：1）当排气门截面小，发动机转速高时，应加大排气提前角； 2）减小排气系统阻力及排气门处流动损失； 3）排气消声系统的结构和布置形式； 三、进气损失（X ） 进气过程中，因进气管及进气门对气流形成的阻力而消耗的功，称为进气损失。 减少进气损失的措施：1）加大进气门的流通截面积；2）正确设计进气管流道； 3）降低活塞平均速度；4）合理调整配气定时。
降低排气系统流通阻力，可减少残余废气系数，也可减少泵气功。 可采取的措施有： • 将排气道的一部分做成扩压形，可降低缸内与排气管内之间压力差；
提高充量系数；
• 避免排气管内截面突变、急转弯和凸台； • 选择良好的排气支管流形； • 尽可能降低消声器的流通阻力。
四、合理选择进、排气相位角
合理选择进、排气相位角，可以获得较好的充气效果，特别是在高转速时， 适当推迟进气门关闭时间，可以利用高速气流的惯性来增加气缸充气量。 采取措施： 利用气门可变正时技术，优化气门正时，可提高充量系数。
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)。
第二章 发动机的换气过程
第二章发动机的换气过程本章重点：换气过程的特点及其评价指标；提高换气效果的措施。
本章难点：充气效率的定义；可变技术发动机排出废气、充入新鲜空气或可燃混合气的全过程叫做换气过程。
没有换气过程，发动机无法持续运转。
每循环进入气缸的空气量或可燃混合气量是决定发动机动力输出大小的因素。
所以，换气过程是发动机工作过程不可缺少的组成部分，也是决定发动机动力性、经济性的重要环节。
合理组织换气过程，保证吸入尽可能多的新鲜充量，以获得尽可能高的输出功率和扭矩；尽量减少换气损失，以降低机械损失，提高发动机经济性；保证进气后在缸内所形成的气体运动，能满足组织快速燃烧的要求，以提高热效率。
η是评价发动机换气过程完善程度和决定发动机性能的重要指标。
充气效率ν2.1 四冲程发动机的换气过程1.换气过程四冲程发动机的换气过程包括从排气门开启直到进气门关闭的整个时期，大约占410~480℃A（曲轴转角）。
一般将换气过程分为自由排气、强制排气、进气和气门重叠四个阶段。
图1-2-1为四冲程发动机换气过程的p-V图。
1）自由排气阶段图1-2-1中从排气门早开点b′到晚关点r′，约240~260℃A的b′bdrr′段为排气过程。
排气门开启初期，缸内压力p远大于排气管压力p r，此时，图1-2-1 四冲程发动机的换气过程p-V图尽管活塞还在下行，缸内压力也在不断下降，但是压差(p-p r)已足以使废气自由留出，而不必依靠活塞推出。
这一阶段为自由排气阶段。
自由排气阶段大约在下止点后10~30℃A结束。
自由排气阶段虽然时间不长，且气门开启流通面积也较小，但因流速很高，排出废气量达60%以上。
2）强制排气阶段自由排气阶段结束后，缸内压力大大降低，必须依靠上行活塞强制推出。
因为气门流通面积减小，排气不畅，在排气后期到上止点，缸内压力略有上升。
3）进气过程图1-2-1中从排气门早开点d到晚关点a′，约220~265℃A的drr′aa′段为进气过程。
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理论上，进气门早开时排气尚未结
束，缸内压力要高于缸外背压，这样会 造成废气倒流入进气管（汽油机回火）。 但事实上，进气门开启初期流通截面窄 小，以及废气倒流也有一定惯性的影响， 提前角不大时，倒流现象一般不会出现， 更何况排气气流的引流作用，一定程度 上也会降低缸内进气门附近的静压力。
进气提前角(INTAKE ADVANCING)
由于进气工质克服流动阻力和吸热升
温等影响，缸内进气压力要低于环境或压 气机后压力，由此使实际充量低于理论值。 缸内压力呈凹形，初期压力较大是由于活 塞下行加速度加大，是真空度加大的结果； 后期压力上升，则是高速流入气缸的充量 速度滞止，压力局部恢复的缘故，但恢复 的只是小部分，大部分动能变为摩擦热。
于声速，但仍远高于强制排气的速度。
自由排气阶段只占总排气时间的1/3左右，同 时
气阀开启流通面积也较小，但因流速高，排气量可达
自由排气阶段结束后，缸内压力大大降
低，必须依靠活塞上行强制排气。只一阶 段中，缸内与大气或增压涡轮机入口处的 平均压差约为0.01~0.02MPa，时间占到总 排气时间的2/3左右。
排气提前角 (EXHAUST ADVANCING)
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
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。
气门的角面值为气门口通过面积曲线下面的积分面积。
排气门迟闭角 (EXHAUST LAG)
定义
排气门在上止点后关闭的角度。
3、应尽量减小不可避免的换气损失，特别是 占最大比例的排气损失。
4、进气后在缸内所建立的流场（旋流场与湍 流场），应能满足快速合理燃烧的要求。
自然吸气和增压发动机、四冲程和二冲 程发动机最主要的差别，就在于换气过程 有各自不同的特点。增压发动机是利用各 种方法，提高进入缸内的新鲜充量的压力， 增大循环充气量来提高输出功率；二冲程 发动机则是利用扫气方式完成换气过程， 以达到减少不做功的冲程数，提高输出功 率的目的。
定义
为了增加进入气缸的新鲜充量， 进气门在吸气上止点前提前开启 的角度。
作用
增加进气流通面积（时面值or角面值）,提高充量系数。
进气门迟闭角(INTAKE LAG)
定义
为了增加进入气缸的新鲜充量，进气门在吸气下 止点后，推迟关闭的角度。
合理组织换气过程应达到的目的：
1、保证标定工况和全负荷条件下，吸入尽 可能多的充量，以获得更高的输出功率 和 也转是矩换，气这过就程是的提中高心充问量题系。数这Φ个c问的题问，题， 除涉及稳态特性的分析外，还与整个系 统的动态效应——不稳定流动时介质中 的压力波传播紧密相关。
2、保证多缸机各缸的循环进气量的差异不 超出应有的范围，以免对整机性能产生 不利影响。
• 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。
• 换气过程可分作自由排气、强制排气、进气 和燃烧室扫气四个阶段。
• 换气过程中，至少有一个气门开起，出现了 气流的流动，进、排气系统与气缸组成以大 气为边界的开式热力系统。在进排气门关闭 的动力过程中，进、排气管道中仍有气体波 动，对换气过程有一定影响。
2
1.83(废气k
1.3)
就会在排气阀喉口出现音
a kRT
流动（
）。在自由排气阶段初期，排气门
前后压差约0.2~0.5MPa，而排气背压略大0.1MPa，
所以一般发动机都要经历超临界排气。初期音速
500~700m/s，常伴有刺耳的噪声，是发动机排气噪
声的主要来源。其后是亚临界排气，气门口流速低
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。
3、进气过程
•从进气门开启到关闭的全过程 •准备进气：进气提前角一般为0º~40º(CA)。 •正常进气 ：新鲜气体充入气缸。 •惯性进气：进气迟闭角一般为40º~70º(CA)。
上止点
下止点
0°～40° 40°～70° 30°～80° 10°～35°
缸压与进排气道压力
1、自由排气阶段
从排气门开启到气缸压力接近于排气管内压力的
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。
2、强制排气阶段
自由排气阶段结束后，气缸内的废气将被上
主要学习内容
内燃机换气过程概述 排气过程 进气过程 气门叠开和燃烧室扫气过程
换气损失概述 泵气功与泵气损失
一、换气过程： 发动机排出废气和充入新气（空气或
可燃混合气）的全过程。 目的：向缸内更换工质，为热功转换
做物质准备。 单位时间进入的充气量是决定发动机输
出功率的“量”的因素。所以换气过程即是 发动机工作过程不可缺少的组成部分，也是 决定发动机动力、经济性能极为重要的环节。
行活塞强制推出，这一过程就是强制排气阶段。 排气迟闭角：从上止点到排气门完全关闭终了
所对应的曲轴转角，一般为10º~35º曲轴转角。
排气过程 (EXHAUSTING)
按燃气对活塞的作用：
自由排气和强制排气(Blowdown and displacement)
按排气流动的性质：
超临界流动和亚临界流动 (Critical and subcritical flow)
第二章 发动机的换气过程
Process in Engine Exchanging Gas
主要内容
第一节 四冲程发动机的换气过程 第二节 四冲程发动机的充量系数 第三节 提高发动机充量系数的措施
第一节 四冲程内燃机的换气过程
Gas exchange processes in 4 stroke engine
k
p2
2
k 1
p1 k 1
超临界状态排气的流量只取决于缸内气体状态和排气门有效流通面 积的大小。
亚临界流动阶段排气的流量不仅与排气门的有效流动截面有关，还 与缸内和排气管内气体的压差有关。
缸内排气压力 pe 与排气门气门端压力 pe只要满足
k
速pe
pe
k
1 k1