换气损失

换气损失读书笔记
班级：农机201101 姓名：陈小平 学号：20112029
一、换气损失的理解：
发动机实际的换气过程却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。

简而言之，换气损失，是由排气损失和进气损失两部分组成。

图1所示为四冲程内燃机在自然吸气与增压条件下的换气损失示意图。

在自然吸气内燃机中，理论循环的换气过程(图1-a)可以认为是排气行程与进气行程缸内压力线重合于大气压力，换气功为零。

而在实际循环中，有排气门早开造成的膨胀功损失(Ⅳ)，活塞要消耗一定的功来推出缸内废气(推出功损失X)，内燃机还要消耗一定的功来克服吸气时因缸内真空度所形成的阻力(吸气功损失Y)。

从排气门开启直到进气门关闭，发动机消耗在换气过程的功(其值为负)如面积W ，X 和Y 所示(图1-b)，它代表了在换气过程中损失的功。

图1 四冲程内燃机的换气损失
a)自然吸气内燃机理论换气过程 b)自然吸气内燃机实际换气过程
c)增压内燃机理论换气过程 d)增压内燃机实际换气过程
W —膨胀损失 X 一推出损失 Y —吸气损失
对于(定压)增压内燃机而言，理论换气过程(图1-c)是经过压缩的新鲜充量以增压压力 户b 等压流人气缸，而废气则以户，等压排出，进气与排气压力值均高于大气压力，且T b P P 。

这样，换气过程所获得的功(其值为正)如图中b P 、T P 所围成的矩形面积所示。

而在实际的换气过程中(图41-d)，换气损失为图中的W 、X 和r 的面积，泵气过程所获得的泵气功大约为图中矩形面积内部非阴影面积，它小于理论循环值。

二、换气过程
三、换气损失产生的具体过程
（一）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，在图2b和图2d中分别以面积Ⅳ和X来表示，两者之和称为排气损失。

如图4-3a所示，在发动机转速一定且排气提前角较小时，内燃机的膨胀损失W小，但活塞的推出功损失X将会增加，随着排气提前角的增大，膨胀损失W增加，而推出功损失X则减小。

在排气提前角由小变大的过程中，存在一个最佳的排气提前角，使发动机的排气损失最小。

图2 排气提前角和转速对排气损失的影响
a)转速不变时排气提前角的影响b)排气提前角不变时转速的影响
发动机的转速对排气损失影响如图2-b所示。

发动机的转速增加，相同的排气对应的排气时间就变短，通过排气门排出的废气量减少，膨胀损失减少，但却使得缸内压力水平提高，因而活塞推出功大大增加。

一般而言，发动机转速增高时排气损失总体上呈现增加的趋势，所以排气提前角应随转速的增加而适当加大。

减少排气损失的方法除合理确定排气提前角外，还可增加排气门数目，增加流通截面积。

（二）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，如图2-b、d 所示的阴影面积Y。

由于进气道、进气门等处存在流动阻力损失，发动机缸内进气压力线位于大气压力线P0 (图2-b)或增压压力线P b(图2-d)之下，两线所围成的阴影部分面积就代表了进气损失。

图2 换气损失随内燃机转速的变化
图4-4所示是某发动机在不同转速下测量的平均排气损失和进气损失，两者相比，在数值上进气损失明显小于排气损失。

但与排气损失上进气损失明显小于排气损失。

但与排气损失不同，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。

合理调整配气正时，加大进气门的流通截面积，正确设计进
气管及进气的流动路径，以及适当降低活塞平均速度等，都会使进气损失减少，从而提高发动机的充量系数，改善发动机的性能。

（三）泵气功与泵气损失
泵气功是指缸内气体对活塞在强制排气行程和吸气行程所做的功，泵气损失则是指与理
论循环相比，发动机的活塞在泵气过程所造成的功的损失[2]。

从图2可以看出，对于自然吸
气发动机，它的泵气功的大小可用图中面积Y+X 表示，对整个循环来说为负功，泵气损失在数值上等于它的泵气功。

对于增压发动机，由于进气压力高于排气背压，因此它的泵气功大于零，其泵气损失依然可以用图中面积X+Y 来表达。

对于自然吸气内燃机，泵气功PW W 与泵气损失P W ，在数值上相等，故有
P PW P L Y X W W )(+== （1）
式中，P L 为示功图的比例系数。

对于增压内燃机，泵气损失的计算同式（1)，而泵气过程所获得的泵气功则由增压压力P b 和排气压力P T ，所围成的矩形面积与实际换气过程损失X 和Y 的面积之差。

对定压增压发动机，换气过程所获得的功可以表示为
P s T b PW L Y X V P P W )]()[(+--= （2）
注意，式中的Pb 、Pt ，和Vs 是示功图上的尺寸，而非它们物理量本身的数值大小。

参照平均指示压力的概念，用平均泵气损失压力Pp 来表示泵气损失的大小，其定义为
s P
P V V P = （3）
规定平均泵气损失压力Pp 的符号为正，即Wp 取绝对值。

四、减少换气损失的措施
（一）发动机换气损失完善评价的充量系数
通常用充量系数是对发动机换气过程的完善程度进行评价。

充量系数是衡量不同发动机性能和进气过程完善程度的重要指标，又叫冲量效率和容积效率。

它定义为每缸每循环实际吸入气缸的新鲜空气质量m 与进气状态下理论计算充满气缸工作容积的空气质量ms 比值。

发动机进气管状态下气体的压力与温度为s P 、s T ，若为自然吸气发动机，s P 、s T 应为当地大气状态。

理论上每循环可吸人气缸的新鲜充量为
s s s s s s sh V T R V P m ρ== （4）
在进气门关闭时，缸内气体的状态为a P 、a V 、a T 此时缸内气体总质量为
a a a a a a a V T R V P m ρ==
(5)
式中，m a =m 1+m r ，由每循环吸人气缸的新鲜充量m 1，和上一循环缸内残余废气质量m r 两部分组成。

结合式(3-5)残余废气系数定义，发动机的充量系数可以表达为 s s a a r sh a r sh c V V m m m m ρρφφφ)1()1(1-=-== (6)
分析式（4）~式（6）可知，在发动机的结构参数（如配气正时、气缸工作容积、是否增压及中冷等）和运转参数一定的条件下，发动机的理论进气量sh m 是一定量，提高充量系
v
ηv η
数的措施主要应使式（6）中的a a V ρ的积最大和r φ最小。

由于内燃机的换气过程是一动态过程，因此提高充量系数的措施可以归结为：
1）降低进气系统的阻力损失，提高气缸内进气终了时的压力a P 。

2）降低排气系统的阻力损失，减小缸内的残余废气系数r φ。

3）减少高温零件在进气过程中对新鲜充量的加热，以降低进气终了时的充量温度a T 。

4）合理的配气正时和气门升程规律，在减小m r 的同时增加m 1，即增加a P ，减小r φ。

（二）减少换气损失——提高充量系数
（1）降低进气系统阻力损失，提高进气终了压力。

① 减少空气滤清器阻力，对空气滤清器的要及时进行清洗和更换。

② 减少化油器的流动阻力（汽油机）。

③ 减少进气管的沿程阻力和局部阻力。

④ 减少进气道阻力。

⑤ 减少进气门的流动阻力。

⑥ 改进凸轮的轮廓设计，使气门在结构和动力负荷允许的条件下，可适当的加大气门的升程，并实现快速开启和关闭，加大气门的开启时间和截面。

（2）减少排气系统，包括排气门、排气管道和消声器等的气体流动阻力，减少缸内的残余应力。

（3）减少对进气系统的加热，可降低进气终了温度T a ，改善发动机的燃烧过程，提高冷却强度，加热燃烧室的扫气，都可以减少进气过程中燃烧室壁面对冲量的加热。

在进排气的布置方案上，柴油机为了避免高温废气对冲量的加热，绝大多数将进排气管分置于发动机的两侧。

但在汽油机上，为了促进进气管中液体燃料的蒸发，常将进排气管布置于发动机同一侧，以便于利用废气热量对进气管进行加热。

（4）选择合适的进排气结构尺寸，有效利用换气过程的动态效应。

在发动机额定转速较高时，选用较粗的长管有效利用气流惯性；在发动机额定转速较低时，选用较短的细管，可有效地利用气流的惯性。

（5）合理选择配气相位。

合理选择进排气的早开角、迟开角，争取更大的气门开启时间—断面，提高充量系数。

如果气门重叠开启角配置得当，可以起到扫气的作用，反之则会使废气倒流进入进气管。

在额定转速较高的发动机上，由于气流惯性较大，可以采用较大的气门重叠开启角，以利于清楚废气。