完整版内燃机的换气过程
内燃机的换气过程教学课件
Fvte－进气门有效时间截面值。
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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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内燃机的换气过程【范本模板】
内燃机的换气过程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.对四冲程内燃机而言，换气过程是指从排气门开启到进气门关闭的整个过程。
对大部分二冲程内燃机而言,换气过程即为从排气口打开到关闭的整个过程.在内燃机换气过程中，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ECR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[1］。
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等.第一节四冲程内燃机的换气过程图4-1所示是四冲程内燃机换气过程的示意图，其中图4—1a为内燃机的配气相位与换气过程p-V示功图。
排气门在下止点前1点开启,由于缸内压力高，燃气快速流出，缸内压力随即迅速下降。
在进排气上止点前，进气门在3点打开，此时，排气门尚未关闭，出现一段时间的气门叠开期,排气门在上止点后2点关闭。
进气门打开初期，由于进气道与缸内压差小，进气流量小，随着活塞运动的加快，造成了缸内较大的真空度，使得中后期的进气速度提高,最后进气门在下止点后4点关闭。
进排气门迟闭角的设计,同它们提前开启一样,是为了增加进排气过程的时面值或角面值，利用气体流动的惯性，增加进气充量或废气的排出量。
四冲程内燃机的换气过程可分为排气、气门叠开、进气三个阶段，图4-1b表示了进排气门的升程和气缸压力随曲轴转角的变化情况。
图4-1 四冲程内燃机换气过程的示意图a)配气相位与低压p—V示功图b）气门升程与p- 示功图IVO一进气门开启角IVC一进气门关闭角EVO一排气门开启角EVC一排气门关闭年V c一余隙容积V s一气缸工作容积一、排气过程由于受配气机构及其运动规律的限制，排气门不可能瞬时完全打开,气门开启有一个过程，其流通截面只能逐渐增加到最大；在排气门开启的最初一段时间内,排气流通截面积很小，废气排出的流量小。
第四章 内燃机的换气过程
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 CA2、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 CA3、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。
发动机原理第三章 内燃机的换气过程
➢惯性进气
进气迟闭角：从进气下止点
河
到进气门关闭为止的曲轴转
南 理
角。
工
大
学
四冲程内燃机的换气过程
河 南 理 工 大 学
上止点
下止点
河 南 理 工 大 学
四冲程内燃机的换气过程
气门叠开现象和气门定时
气门叠开 配气相位 气门定时 扫气现象
进、排气提前角和迟闭角：
排气提前角：30~80°CA
南
理
工
TS ,Ta ,c , ρs
大
学
§3-3 提高充气效率的措施
➢ 减小进气系统阻力 ➢ 合理选择配气定时 ➢ 有效利用进气管的动态效应 ➢ 有效利用排气管的波动效应
河 南 理 工 大 学
一、减少进气系统阻力
一）进气门：阻力最大
气门的流通能力——时面值或角面值
Af
dt
1 6n
Af
d
=6nt
pa ps pa
流动阻力和转速关系
pa
v 2
2
和v
进气阻力的主要措施: 进气管长度、转弯半径、
管道内表面粗糙度；气流速度；增压中冷
和 r ： ，Vc ， r ，c
r c 燃烧恶化
河 南
汽油机： =6~12 r =0.05~0.16
理 工
非增压柴油机： =14~18 r =0.03~0.06
用电磁阀将高压共轨内油量进行合理分配控制油 压柱塞位置控制气门升程。
为精确控制气门升程 设置气门位移传感器
油压式可变配气机构的特点：
➢控制自由度高，提高进排气效 率气门的丰满系数接近1；
➢主要缺点：存在气门落座速度
河 南
3-2换气过程
提高内燃机动力性能与经济性能的途径
（三）空燃比α 空燃比α =空气质量流量/燃料质量流量 燃空比=1/α =燃料质量流量/ 空气质量流量
㈡、合理利用进气谐振 可变进气道VIS ㈢、降低排气系统阻力 1、排气道 2、消声器、后处理装置
㈣、减少对进气充量的加热
同步活塞A 同步活塞B 定位活塞
低速凸轮
高速凸轮
副摇臂 主摇臂 中间摇臂
排开
六、二冲程内燃机的换气
（一）二冲程内燃机的换气过程
扫开
扫关
自由排气阶段（排开～扫开） 扫气阶段（扫开～扫关） 过后排气（扫关～排关） 或过后充气阶段（排关～扫关）
提高内燃机动力性能与经济性能的途径
分析影响内燃机动力性和经济性的因素:
c 1 PL K 1 itm s n a
be
it m
K2
※提高内燃机动力性能与经济性能的途径
一、采用增压技术，提高ρs 二、合理组织燃烧过程，提高ηit 三、改善换气过程，提高Φc 四、提高发动机的转速,提高n 五、提高内燃机的机械效率,提高ηm 六、采用二冲程提高升功率,τ=2
3-2内燃机的换气过程和配气相位
一、四冲程内燃机的换气过程 排气过程（排开～排关）
自由排气阶段 （排气门开～p=pr） 强制排气阶段 （ p=pr ～排气门关）
1. 排气提前角γ :30°～80°（CA） 2. 排气门迟闭角δ :10°～35°（CA）
自由排气
强制排气
气门叠开
排气管压力
γ 下 止 点 α 上 止 点 δ
第二章 内燃机的换气过程
汽油机在不同节气门开度下，进气终了压力pa随转 速的变化关系： ①当节气门开度一定时（图中某一条曲线），转速增加 pa下降。 ②当节气门开度逐渐减小时（图中不同曲线），pa不仅 下降，而且节气门保持的开度越小，pa随转速增加而下 降的越快。
汽油机进气压力随转速和负荷的变化
第二章
式中：Vh——汽缸工作容积，L； i——发动机的汽缸数； n——发动机的转速，r/min。
由此可得实验测定的充气效率值为
（m3/h）
V v Vsh
第二章
第二节
内燃机的换气过程
四冲程内燃机的充气效率
二、充气效率的分析式 1、设进气完成后缸内残余废气质量为mγ ，进入新鲜工质 质量为m1 ，则进气终了缸内总工质质量ma= m1 + mγ ， 残余废气系数 γ 是指进气过程结束时汽缸内残余废气 量与汽缸中新鲜工质的比值。 令残余废气系数γ = mγ/ m1 ，则有 m1 = ma /（1+ γ ） 2、令进气终了时气缸内的总容积（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，因为进气迟 闭角， ξ <1）
第二章
第二节
内燃机的换气过程
四冲程内燃机的充气效率
Pa Va 3、有 ' ma a Va m1 Ra Ta v ms ms (1 r ) (1 r ) s Vs 1 r Ps Vs Rs Ts
4、因为pV＝mRT，有p/RT=m/V＝ρ；Va/Vc=ε， Vs/Vc=(Va-Vc)/Vc= ε-1 5、将3式分子分母同除以Vc，且对于理想气体有R为常 s pa 1 数，可以推出
第二章
换气过程
内燃机的换气过程
发动机原理课件-第三章 发动机的换气过程
从活塞行至下止点到进气门完全关闭时的
曲轴转角，称为进气滞后角，一般为40～ 70°CA.
及图 进 3 、 1 排 气气 流缸 通内 化截压 关面力 系积和 随排 曲气 轴管 转内 角压 的力 变以 -
（3）减小进气门的阻力
①增大进气门直径 ③增加进气门升程 ②增加进气门数目 ④改善气门头与杆的过渡形状
2、减小排气系统的阻力 使用清除积炭、安装正确、保持畅通。 3、合理进气予热 4、合理配气相位——进气迟闭角
5、采用可变进气系统 ＊可变配气相位
低速，进气滞后角小防止新气倒流 高速，进气滞后角大充分利用气体流动惯性 ＊可变进气管道 低速与小负荷进气管道细而长 高速与大负荷进气管道粗而短 ＊可变进气门 低速与小负荷仅开一个主进气门 高速与大负荷时开几个进气门。
第二节 四冲程发动机的充气效率
一、充气效率ηCH（ηv）
指每循环实际封存在气缸内的新鲜充量ma与在进气状态下 （Ps、Ts）充满气缸工作容积的理论充量m’之比。
ηCH=ma/m’ =Vs/Vh
Vs—实际进入气缸新鲜充量体积（进气状态） Vh—气缸工作容积
实际上，ηCH<1。 ？（三个因素） （汽0.7~0.85；柴0.75~0.9) ※进气状态—对非增压发动机，指空气滤清器后进气管内的气体状 态（压力和温度）；对增压发动机，指增压器出口的气体状态。
2、结构因素
(1) 进气系统
进气系统部件？ 减小进气系统阻力进气终了压力↑ η
CH↑
※进气门直径大于排气门直径，气门顶部的形状呈流线型。
（2）压缩比
↑ Vc↓，r↓ η
内燃机原理第三章 发动机的换气过程
当Ma>0.5时，v 急剧下降；
所以，即使↑n，因单位时间充气量无法增加；
功率得不到提高。
故，必控制Ma。
限制Ma的措施：
➢合理的配气相位；
➢优化匹配活塞平均速度、
气缸直径及气门直径
Ma
m c
D dv
2
Cm
cm (c o )
3) 多气门结构： 进气流通面积的方法：
1
ε
pa ps
Ts Ta
1
1 r
r ，v ，同时燃烧恶化。
汽油机： =6~12；r =0.05~0.16
柴油机： =14~18； r =0.03~0.06；增压：r =0.0~0.03
3) 配气定时： 指进气门关闭时Va与气缸总容积之比
Va Vs 1 Va∝进气迟关ic， ic对v的影响：∝ic时刻气流惯性利用情况，即∝∙pa；
第三章 发动机的换气过程
3-1 四冲程发动机换气过程 3-2 充气效率及其影响因素 3-3 提高充气效率的措施 3-4 内燃机增压 3-5 内燃机废气再循环(EGR)系统
要点： 换气过程评价方法、充气效率的定义； 影响因素； 改善换气过程的主要措施
3-1 四冲程发动机换气过程——损失的来源
作用：排除废气，充入新鲜气体，为QW做物质准备.
对一定n，存在最佳配气相位，使（∙pa） ，即
气流惯性进气多，v ；
所以，需合理选配配气相位VVT技术。
4）进气状态： ps ：pa , a ,实 际 新 鲜 充 量；
TS ：Ta ,ρa
高原修正问题
3-3 提高充气效率的措施
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主要内容： 四冲程内燃机的充气过程、充气效率；
充气效率的影响因素以及提高的措施等内容。 重 点：
换气过程、配气定时和影响充气系数因 素及提高措施 难 点：
提高充气效率的措施
? 换气过程： 内燃机更换气缸内工质的过程，即气缸内排出废
气和充入新鲜充量的整个阶段，统称为换气过程。
排气门处废气流速为音速。
超临界排气时，废气流量与排气管内压力 pr无
关，与发动机转速无关。废气流量只与缸内的气体压
力 p 和温度 T 以及气门开启截面积有关。
此时排气流速高，并产生强烈噪声。
亚临界排气时，废气流量与排气管内压力
pr、缸内压力 p、气门开启截面积以及发动
机转速有关。此时废气流速降低，产生的噪 音较小。
进气门早开 （1）增加截面 （2）可以扫气
进气门晚闭 惯性进气
二、换气损失和泵气损失
换气损失：理论循环换气功 与实际循环换气功之差。 由排气损失和进气损失两 部分组成。
定义：
理论循环换气功与实际 循环换气功之差。
? 换气过程的质量对内燃机动力性、经济性和排放指 标有重要的影响。
作用： 排出废气，吸入新鲜充量
要求： １、尽可能排尽废气，尽可能多地充入新
气，即充气效率高； ２、换气损失小； ３、适应发动机工况变化；
第一节 四冲程内燃机的换气过程
分析： １、废气排出得越干净，吸入的新气越多，可以多
供油，发动机功率大 ； ２、废气排出得越干净，吸入的新气越多，燃烧充
气门重叠的作用
在气门重叠时期， 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，达到
（1）清除残余废气，增加进气量；
（2）降低高温零件的温度。
但应注意，不能产生废气倒流（气缸 或排气管的废气流入进气管）现象。
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。
高速发动机排气提前角要大一些。发动机 转速高时，在同样的排气时间（以秒计）所 相当的曲轴转角增大，但不宜过大，否则会 使排气损失加大。
2. 强制排气阶段 p = pr ? 上止点
靠活塞上行将废气挤出气缸。
亚临界状态 活塞上行强制推出废气。
缸内平均压力高于排气管平均压力： 克服排气门、排气道处的阻力，一般高 出10 kPa左右。气体的流速越高，此压 差越大，消耗的功越多。 惯性排气
影响： １、发动机的动力性和经济性； ２、发动机的适应性； ３、发动机的排放性能和噪声。
研究的内容 换气过程的进行情况 分析影响充气量的因素 分析影响换气损失的因素
找出
提高充气量
方向与措施。
减少换气损失
一、换气过程 包括从上一循环排气门开启直到下一循
环进气门关闭的整个时间，约占 410~480°CA。 根据气流的特点，换气过程可分为
自由排气 强制排气 进气 燃烧室扫气
4个阶段进行研究
四行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。
四冲程发动机换气过程的阶段划分 ：
排气过程 进气过程
气门叠开
排气过程又分为
自由排气阶段
强制排气阶段
进气过程不再划分
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， 废气依靠自 身的压力自行排出 。
排气迟闭角：从活塞上行到上止点至 排气门关闭所对应的曲轴转角。一般为 10o ~ 35o曲轴转角。
?3. 进气过程
由于节流作用, 缸内
பைடு நூலகம்
产生负压；
p?p 0
（
）使新鲜
介质进入缸内。
? 依靠活塞下行产生负压强 制进气 。
? 准备进气（进气门开 启）。
? 进气提前角 ：从进气 门开启至活塞上行到上止 点所对应的曲轴转角，一 般为0o ~ 30o曲轴转角 。
进气管p? , 扫气明显 , 气阀叠开角可 以增大很多。如 6135型柴油机：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。
排气门早开 （1）快排气 （2）排气功减小
排气门晚闭 惯性排气
排气提前角 ：
从排气门开启到活 塞至下止点所对应的曲 轴转角。一般为 30o ~
80o曲轴转角（ b′~ b)。
排气门打开， p >>pr ? p = pr 靠缸内压力将气体挤 出气缸，其中
p－缸内压力
pr－排气管内压力 占排出废气量的
60%以上。
包括：
a）超临界排气
排开 ? p = 2 pr 在气阀最小截面处,
气体流速等于该地音速 m/s。其流量与压差 （p - pr）无关, 只决定于排 气阀开启面积和气体状态。
b）亚临界排气
p = 2pr ? P=Pr。 其流量取决于压差 （p - pr）。
超临界状态 自由排气阶段
亚临界状态 （1） 超临界状态
排气门开启时，缸内废气压力高（ 0.2 ~ 0.5 Mpa），缸内压力与排气管压力之比＞1.9， 排气流动处于超临界状态。
（2） 亚临界状态 缸内压力与排气管内压力之比下降到
1.9以下时，排气流动转入亚临界状态，废气流 速降低。
自由排气阶段排出的废气量取决于气缸与排气管 的压力差。压力差越大排出废气越多。
当气缸与排气管压力相等，自由排气阶段结束 （下止点后 10o ~ 30o曲轴转角）。
自由排气阶段很短，但排气流速高，排出废气 量达60%以上。
残余废气膨胀（ r ~ r′）。
正常进气
活塞下行，新鲜气 体充入气缸。
惯性进气
进气迟闭角 ：从活塞下 行到下止点至进气门关闭 所对应的曲轴转角，一般 为40o～70o曲轴转角。
4 . 气门叠开和燃烧 室扫气
气门叠角： 进、排气门
同时开启时对应的曲轴转 角。
一般为20o~80o曲轴转角， 对增压发动机，因其进气 压力高，可达 80o~160o。
分，油耗低 ，热效率高，经济性好 ； ３、废气排出得越干净，吸入的新气越多，燃烧充
分，排出的有害气体少 ； ４、换气损失小，机械损失小 ，发动机功率大，经
济性好； ５、不同的工况需要的进气量不同，要 和发动机工
况配合。
特点： １、时间短，速度快； ２、和混合气形成过程相关联； ３、受到空间和结构的限制。