2.1四行程内燃机的换气过程
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
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第三章 发动机的换气过程
（以2课时为单元）课序：07授课日期：09.20授课班次： 授课教师 批准人：课题：第三章 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： 课件教学步骤：复习提问：作业题目：预习内容： 无课时分配：第三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。
内燃机的换气过程(推荐完整)
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。
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,
排气门晚闭 惯性排气
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#43;X+Y)，由
排气损失
进气损失
第二章 内燃机的换气过程
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。
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。
§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。
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
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
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进气过程 INDUCTION PROCESS
（IVO 3 IVC） 4
IVOTDC
进气扫气
TDCBDC 吸 气 BDCIVC 过后进气
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一、进气过程 (INDUCTION) 定义
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。
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二、进气提前角(INTAKE ADVANCING) 定义
排气门在上止点前数十度曲轴转角 就提前关闭，使相当一部分废气不 能排出气缸而成为残余废气。进气 门打开的时间被推迟到上止点后直 至缸内压力下降至大气压 这样进 排气阀打开的时间不再重叠，反而 有相当大的间隔，称为负的气阀重 叠。
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二、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。
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三、排气门迟闭角 (EXHAUST LAG) 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。
气缸压力 排气门升程 进气门升程
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排气过程 EXHAUSTING PROCESS
（EVO 1 EVC） 2
EVOBDC 自由排气
BDCTDC 强制排气 TDCEVC 扫气
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一、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) p2-缸内 p1-排气管内
p2 2 p1 k 1
k 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。
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。
选择
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三、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。
作用
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，Valve timing and p-V diagram
进气门关闭
进气门打开
Inlet Valve Open Inlet Valve Close
排气门开启
Exhaust Valve Open
排气门关闭
Exhaust Valve Close
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二、气门升程与低压p－示功图 Valve lift and p- diagram
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三、扫气作用 (SCAVEGING)
有利于扫除缸内的残余废气，增加进入气缸 的新鲜充量。 可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。
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正气门重叠和负气门重叠 POSITIVE &NEGATIVE OVERLAP
正气门重叠(实线)
在上止点进气门和排气门同时开 启，有利于增加新鲜充量和进行 燃烧室扫气。 负气门重叠(虚线)
概 述 INTRODUCTION
1：进气行程 2：压缩行程 3：膨胀行程 4：排气行程
1
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曲拐
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6
现代发动机转速很高，一个行程经历的时间很短（如上海桑塔 纳的四冲程的发动机，在最大功率的发动机转速达5600r/min， 一个行程的时间只有0.0054s）。这样短时间的进气和排气过程 往往会使发动机充气不足或者排气不净，从而施发动机功率下 降。因此，现在发动机都延长进、排气时间，即气门的开启和 关闭时刻并不正好是活塞处于上止点和下止点的时刻，而是分 别提前或延迟一定的曲轴转角，以改善进、排气状况，从而提 高发动机动力性。
选择
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气门叠开和燃烧室扫气过程 OVERLAP and SCAVEGING
（IVO 3 EVC） 2
一、气门叠开 (OVERLAP)
从进气门开启到排气门关闭这段 曲轴转角内，出现进排气门同时 开启的现象。
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二、气门叠开角(OVERLAP PERIOD)
气门叠开所对应的曲轴转角。
气门叠开角的选择 80-140°