发动机原理教案8、改善换气过程的措施
发动机原理教案7、影响换气过程的因素
ms、Vs—进气状态下充满工作容积的新鲜工质的质量、气缸工作容积。
进气状态的含义：指空滤器后方进气管内的气体状态。
（1）对非增压发动机，指的是发动机当时、当地的大气压力和温度；
（2）对增压发动机，指的是增压器（压气机出口或中冷器）后的新鲜充量的压力和温度。
（2）负荷：当转速不变而增加发动机负荷时，缸壁等零件温度升高，Ta有所上升。
3）残余废气系数
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）配气定时
对充气效率影响最大的是进气门的迟后关闭，其次是排气门的迟后关闭。
ηv越高，在换气过程中，每循环进入气缸的新鲜充量愈多，发动机的功率和扭矩就可愈大，每循环气缸的充气量是决定内燃机性能指标的一个重要因素。
ηv可用试验方法测得，发动机充气效率一般为：
汽油机：ηv= 0.75～0.85
柴油机：ηv= 0.75～0.90
2、影响充气效率的因素
影响充气效率的因素有进气状态和进气终了状态的压力、温度、废气残余系数、压缩比等。
非增压发动机实际充气量通常小于理论充气量，故ηv小于1。但在一定条件下，如增压发动机就有可能大于1。
1）进气终了时的压力Pa
Pa对ηv有重要影响，Pa愈高，ηv值愈大
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
式中:λ——管道阻力系数；
ρ——进气状态下气体的密度；
1、理论空气量和过量空气系数
1）理论空气量：指1kg的燃料完全燃烧时所需的最低空气量。（汽油：14.7；柴油：14.5 )
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。
改善换气过程的主
进气管内的压力波动
可变技术
实现更多参数随发动机运转工况改变的实时调节，是当前发 动机技术发展的主要方向之一，可变技术成为关键。 发动机换气过程的改善有关的可变技术主要有： 1） 可变配气机构。在发动机高转速和大负荷下进气迟闭角 和排气提前角加大，有较大的气门升程和较大的气门叠开角； 而在低速和小负荷下，进气迟闭角和排气提前角减小，有较 小的气门升程和较小的气门叠开角。 2） 可变进气管。发动机高转速下进气管变得较短、较粗， 来尽量减小流动阻力；而发动机低转速下，进气管变得较长、 较细，来加强气流惯性和缸内的工质运动。 3）其他。进气涡流的调节和增压可用废气能量的调节。
2.配气机构 配气机构的基本功能是在运动惯性力许可前提下，尽可能提 高气门的流通能力。 通过减小配气机构的运动质量、摩擦阻力以及优化凸轮型线 来优化配气机构。
气门优化后与原气门功率对比
3.进、排气道 进气道不仅要保证高的流通性能，而且还要满足发动机组织 工质运动的要求。 排气道的改进不仅减小排气系统的阻力，对增压发动机还可 以提高废气可用能量。
动态效应的利用
由于周期性的间歇进、排气，进、排气系统不仅存在气流惯 性，还存在气压波动，称为“动态效应”。 通过对进、排气系统的布置以及几何参数的优化，可很好的 利用动态效应，提高充气效率，改善换气过程。 动态效应与发动机转速有关，当转速高时，压力波传播所需 时间缩短，这时候排气管长应较短；当转速较低时，压力波 传播的时间增长，排气管应较长。最理想的情况是应结合可 变技术来应用，否则应考虑发动机常用工况。 实际上，气体流动和压力波动较为复杂，多个气缸相互影响， 动态效应的利用必须借助计算机仿真这一有效工具。
合理确定配气定时
在确定发动机配气定时时，既需要尽可能地兼顾各种工况的 要求，也要考虑常用工况的要求。最理想的情况是实现配气 定时随发动机工况变化的实时调节。 进气迟闭角：利用气体的惯性和压力差在压缩行程开始阶段 继续进气，增加进气量，减小进气消耗的功率。 排气提前角：排气阀在活塞达到下止点前开启，利用较高的 压力使废气排放充分，减小排气阻力和减少耗功。 进气提前角和排气迟闭角：保证进气行程开始进气门已开启 足够大，使气缸有较大的进气量；排气门适度延迟关闭是利 用废气流动的惯性，使废气排放充分。
影响汽车发动机换气过程的因素及措施
影响汽车发动机换气过程的因素及措施20lotl7^技术协作信息Z程技术影响汽车发动机换气过程的因素及措施●何立波摘要:发动机的排气过程和进气过程的总和,统称为换气过程.换气过程的任务是将缸内的废气排净,吸入尽可能的新鲜工质.本文主要分析影响汽车发动机换气过程的因素及需要采取的相应措施.关键词:汽车发动机;换气过程;影响因素;措施一,影响汽车发动机换气过程的因素发动机运行时,在换气时间内,要使排气干净,进气充足是比较困难的.为了增加气门开启时间,充分利用气流的流动惯性以及减少换气损失,改善换气过程,提高发动机性能,进,排气门一般都提前开启,滞后关闭,不受活塞行程的限制.充气系数对发动机的功率,转矩影响很大,因此,分析影响充气系数的因素具有重要意义.影响因素有进气终了压力及温度,大气的压力及温度,压缩比,排气终了压力及温度等.1.进气终了压力.-(1)空气滤清器的阻力.空气滤清器是用来减少进气过程中进入气缸的灰尘,以减少气缸的磨损.由于空气滤清器的结构不同及使用中油污堵塞,会使其阻力增大,造成发动机充气性能大大下降,因此要求空气滤清器的滤清效果要好,而又不增加进气阻力.使用中应经常保养,清除油污,更换滤芯,以达到减少阻力和进气通畅.①进气管道的阻力.进气管道包括进气歧管和通向缸体和缸盖上的气体通道.其阻力的大小主要取决于进气管道的结构和尺寸.进气歧管的断面大则阻力小,可提高进气压力.但断面大,气体流速低,且易使燃料液态颗粒沉积在管壁上,使燃料的蒸发与雾化变差,各缸分配不均匀.因此进气管的断面大小受到一定限制,使进气形成一定阻力.此外,进气管的长度,表面租糙度,拐弯及流通截面等,都会增加进气阻力.因此要求进气管有合适的长度与断面尺寸,拐弯处应有较大的圆角,管内表面光滑安装时进排气接口及其衬垫口应对准,以减少进气阻力,提高充气效率.②进气门处的阻力.在整个进气系统中,进气门处气流通过断面最小,而且截面变化大,是整个进气系统中产生阻力最大的地方.因此对进气压力的影响也最大.新鲜气体通过进气门,使进气终了压力降低.进气门通道断面的变化又取决于气门直径,锥角,升程和配气相位等多方面因素.(2)进气终了温度.新鲜气体进入气缸后,同高温机件接触,与残余废气混合,进气终了温度升高,气体密度减小,充气系数降低.此外,汽油机的进,排气管常铸成一体,利用排气管加热进气管,使燃油预热蒸发,也使进气温度升高,减少了循环充气.为了降低进气温度,在柴油机上常将进排气管分置在发动机两侧.2.压缩比的影响.压缩比增加,空隙容积相对减小,使残余废气量相对下降,所以充量系数提高.但压缩比对充气效率的影响很小,而且其数值的选择主要是考虑燃烧和机件负荷的限制,一般而言,汽油机在保证正常燃烧的前提下.尽可能提高压缩比,以提高热效率;柴油机在保证各工况正常着火的前提下,不过分追求高压缩比,以免机件承受的负荷过大.3.转速与配气相位的影响.进气流动阻力除了与进气系统的结构有关以外,还取决于新鲜气体的流速.气体流动引起的阻力与流速的平方成正比,而气体流速又与发动机转速有关,发动机转速提高,气体流速也提高,所以气体流动阻力也与发动机转速的平方成正比.随着转速的升高,气体阻力增大,使进气终了压力下降.配气相位包括进排气门早开,迟闭,在进排气门早开,迟闭中,进气迟闭角对进气终了压力影响最大.由于发动机转速变化,气流惯性也发生变化,但进气迟闭角是不变的,因此当转速高时,气流惯性未被利用;转速低时,又会造成气体倒流,从而影响进气压力.通过选择适当的配气相位,可获得较高的循环充量和充量系数.'4.负荷的影响.汽油机与柴油机负荷调节方法不同,发动机的负荷变化对进气终了压力的影响也不同.柴油机进气行程进入气缸的空气量不变,负荷的调节是通过改变油量调节拉杆或齿条的位置,控制喷油量来实现的.由于转速不变, 进气系统又无节流装置,因此流动阻力基本不变,所以当负荷变化时,进气终了压力也基本不变.5.排气终了压力.由于排气系统有阻力,排气终了时气缸内残余废气压力总是要高于大气压力.排气终了压力高,残余废气密度大,残余废气量多,新气充量相对减小,充量系数下降,与进气过程相同,排气终了压力主要取决于排气系统的阻力,特别是排气门处的阻力,当转速上升时,流动阻力增大而排气终了压力增加,使排气终了压力减小.6.排气终了温度.排气终了温度过高,下一个进气行程容易形成气阻现象.排气终了压力过高残余废气系数大,使充气效率下降.因此,适当降低排气终了温度和排气终了压力,有利于提高下一个进气行程的进气量.二,改善换气过程的措施1.减少进气系统阻力.影响进气压力的主要因素是进气系统的阻力.进气系统阻力的大小为各段通道阻力的总和.通过减小各段阻力,可达到减少进气系统阻力的目的.(1)减小进气门处的阻力.在整个进气系统中,进气门处的通过断面最小,而且变化大,气体流动阻力最大,是产生进气阻力的重要部位.采取下列措施可以减小进气门处的阻力.①增大进气门开启的对面值.气门开启断面与对应开启时间的乘积称为气门开启对面值.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,均可扩大气门开启对面值,从而扩大气流通过能力,减少阻力提高充量系数. 但增大气门直径受到燃烧室结构的限制,因此常用减小排气门头部直径的方法, 相应增大进气门头部直径.②合理控制进气门处气流的平均速度.③增加进气门的数目一般采用双进气门和双排气门或三个进气门,二个排气门的结构,提高充量系数.(2)减小进气管道阻力.进气管道结构,尺寸及表面质量对充量系数有较大影响.进气管道应保证足够的气体流通面积和结构上的要求.汽油机还必须考虑燃料的蒸发,气化和分配;柴油机还应利于进气涡流的形成,以改善混合气的品质和燃烧等.为了改善发动机低速时动力性和保证高速时进气充分,现代发动机还采用可变长度的进气管.由进气歧管转换电磁阀控制转换,在发动机高转速范围,电磁阀工作,使进气通道变短.近年来汽油机采用电控燃油喷射系统,取消了化油器,既可以减小进气阻力,同时又满足了混合气浓度,雾化和分配均匀等要求,得到广泛应用.2.合理选择配气相位.发动机进排气相位对发动机的充气性能有重要的影响,从而影响到发动机的动力性,经济性和排放性能.在不同的转速,负荷工况下,发动机都有最佳的气门相位.因此,为了充分利用气流惯性,增加循环充量, 提高充量系数,合理选择配气相位是很重要的.3.减少排气阻力.减小排气阻力是减少排气后气缸内残余废气量,降低排气终了压力的主要措施.排气系统包括排气门,排气管道和消声器等,因此,减小排气阻力主要在结构上采取措施如减少管路弯道,管路内表面尽量光滑,增加排气管直径和数量等.排气系统阻力降低,排出的废气量增加,排气终了压力下降, 不仅可以使残余废气减少,充气系数提高,而且还能够减少排气损失.4.降低进气温度.新鲜空气被吸人气缸的过程中,受到进气管道,气门的加热,使进气温度升高,气体密度下降,循环充量减少.尽量使进气管远离排气管, 以降低进气管温度.有些轿车发动机采用调节预热装置,根据季节温度不同可调节进气预热程度.主要作用是在发动机启动后温度较低时,从排气管附近给发动机提供温度较高的热空气,以保证混合气形成,降低排放污染.当发动机温度升高后,由控制阀关闭来自排气管的热空气,以提高进气效率.参考文献【1】孙凤英.发动机原理与合理使用【M】北京机械工业出版社2002【2】张西振.发动机原理与汽车理论【M】北京人民交通出版社2004I作者单位:黑龙江省八五一零农场)197?。
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。
发动机换气过程说课讲课教案
总第 6 次课换气过程：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。
（四行程内燃机每一循环曲轴旋转720℃）换气过程组成：自由排气；强制排气；进气；燃烧室扫气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。
自由排气阶段分为两个阶段：超临界状态；亚临界状态（1）超临界状态排气门开启时，气缸内废气压力较高（0.2～0.5Mpa），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，可利用废气自身的压力自行排出。
通过排气门口废气的流速等于该状态下的音速（m/s）废气流量与排气管内的压力无关，只取决于气缸内的气体状态、时间和气门开启截面积。
并且因排气流速甚高，在排气过程中伴有刺耳的噪声，所以排气系统必须装有消声器。
（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，产生的噪音较小。
排出的废气量决定于气缸内及排气管内的压力差。
压力差越大排出废气越多。
当到某一时刻气缸内与排气管内压力相等，自由排气阶段结束（一般下止点后10º～30º曲轴转角）。
此阶段虽然历程很短，但因排气流速甚高，排出废气量达60%以上。
2、强制排气阶段：活塞上行强制推出废气的阶段。
特点：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10kpa左右。
气体的流速越高，此压差越大，消耗的功越多）。
排气门关闭时刻：排气迟闭角，一般为10º～35º曲轴转角（惯性排气）。
3、进气阶段：进气门开始开启到进气门完全关闭的全过程。
准备进气：进气提前角，一般为0º～30º曲轴转角正常进气：活塞下行残余废气膨胀，新鲜气体充入气缸。
惯性进气：进气迟闭角，一般为40º～70º曲轴转角。
特点：缸内压力呈负压，进气终了时有所提高。
发动机原理第六章 换气过程
实际循环的换气 过程进行的时间 非常短暂，进排 气门的启闭由于 结构和动力负荷 等原因，不可能 全开或全闭。换 气时，工质是在 配气机构流通截 面不断变化的情 况下做不稳定流 动，气缸内工质 的温度和压力是 随时间变化的， 具有复杂的气体 动力学现象。
（一）排气阶段
排气阶段分为自由排气、强制排气和惯性排气三个
3.惯性进气阶段： 为了利用高速进气流的 惯性，增加充气量，减少功 耗，气缸在活塞运行到下止 点后才完全关闭进气门。 从活塞由下止点上行至进气 门关闭的一段，利用气流惯 性进气为惯性进气阶段。该 阶段曲轴转过的角度称为进 气迟闭角，一般为20º ～ 50º CA。
0
（三）气门重叠角
进气门提前打开和排气门落后
vm
F Cm f1 1
D Cm d 1 1
如何评价换气过程质量
提高换气性能措施
§6.1四行程发动机的换气过程及损失 一、四行程发动机的换气过程
四冲程发动机配气机构均采用气门换气方式， 其换气过程包括从上一循环排气门开启到下一循环 进气门关闭的整个过程。运行时，要在短时间内使 排气干净、进气充足是比较困难的。 为了增加气门开启时间，充分利用气流的流动 惯性，减少换气过程的损失，改善换气过程，提高 整机性能，进排气门一般都是“早开晚关”，不受 活塞行程的限制。所以整个换气过程超过了两个行 程，占410°CA-480°CA。
强制排气阶段接近终了时在上止点附近，废气尚有一 定的流动能量，可利用气流的惯性进一步排出废气。 同时，若排气门在上止点关闭，则其必须在上止点之 前就开始关闭，这样会产生节流作用，此时活塞还在 上行，增大气缸内压力，使排气消耗的功和废气残余 量都会增大。因此排气门是在活塞过了上止点后才关 闭。 从上止点到排气门完全关闭这段曲轴转角称为排气迟 闭角。一般排气迟闭角为10-35°CA。
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。
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总第8 次课
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
根据一系列的试验发现，在正常的配气定时条件下，当Ma超过一定数值时，大约在0.5左
Cm =Sn/30），Cm 上升，所以Ma上升。
值不超过一定的数值，在高转速内燃机上必须考虑加大进气阀直径d。
改善气门处的件刚度，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。
°下，基本无燃烧室扫气作用；有重叠角时充气效率提高（节流损失减少）。
增压发动机的气门重叠角大，可加强扫气，冷却热区零件，能提高充气效率，减少Nox 排放。
（2）大众公司可变进气相位控制系统
（3）宝马公司VCC系统
控制系统
发动机在换气过程中，由于间断进气而引起进气管内发生压力波动，这种现象称为进气管的。