发动机原理B-第二章发动机的换气过程

发发 动动 机机 原原 理理 武汉理工大学武汉理工大学 汽车工程学院汽车工程学院 侯献军侯献军 houxjwhut.edu.cn 2015年年9月月 2015/9/24 发动机原理发动机原理 2 目目 录录 绪论绪论 第一章第一章 发动机的性能发动机的性能 第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程 第三章第三章 燃料与燃烧燃料与燃烧 第四章第四章 汽油机混合气的形成和燃烧汽油机混合气的形成和燃烧 第五章第五章 柴油机混合气的形成和燃烧柴油机混合气的形成和燃烧 第六章第六章 发动机的特性发动机的特性 第七章第七章 发动机电控燃油喷射（发动机电控燃油喷射（EFI） 第八章第八章 发动机废气涡轮增压发动机废气涡轮增压 第九章第九章 排气污染及控制排气污染及控制 2015/9/24 发动机原理发动机原理 3 第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程 发动机的换气过程包括发动机的换气过程包括排气过程排气过程和和进气进气 过程过程，其任务是，其任务是排除缸内废气并充入尽排除缸内废气并充入尽 可能多的新鲜工质。可能多的新鲜工质。 每循环进入气缸的新鲜工质（充量）量每循环进入气缸的新鲜工质（充量）量 愈多，燃烧后才能放出更多的热，从而愈多，燃烧后才能放出更多的热，从而 增大发动机功率和转矩，这是保证发动增大发动机功率和转矩，这是保证发动 机动力性能的前提和关键。机动力性能的前提和关键。 2015/9/24 发动机原理发动机原理 4 第一节第一节 四行程发动机的换气过程四行程发动机的换气过程 一、一、 换气过程换气过程 四行程发动机换气过程包括从排气门开启直到进气四行程发动机换气过程包括从排气门开启直到进气 门关闭的整个时期。门关闭的整个时期。 进排气门一般提前开启，迟后关闭，整个换气过程进排气门一般提前开启，迟后关闭，整个换气过程 约占约占410°°480°曲轴转角。°曲轴转角。 一般将换气过程分作一般将换气过程分作自由排气、强制排气、进气和自由排气、强制排气、进气和 气门叠开气门叠开四个阶段四个阶段 换气过程换气过程 自由排气自由排气 强制排气强制排气 进气进气 气门叠开气门叠开 2015/9/24 发动机原理发动机原理 5 2015/9/24 发动机原理发动机原理 6 1. 自由排气阶段（超临界与亚临界状态）自由排气阶段（超临界与亚临界状态） 从排气门打开到气缸压力接近了排气管压力的这个从排气门打开到气缸压力接近了排气管压力的这个 时期称为时期称为自由排气阶段自由排气阶段 排气门是在活塞到达下止点之前开启，排气门是在活塞到达下止点之前开启，从排气门开从排气门开 始打开到下止点这段曲轴转角，称为始打开到下止点这段曲轴转角，称为排气提前角排气提前角， 一般为一般为3030°°8080°曲轴转角。°曲轴转角。 此时缸内废气压力约为此时缸内废气压力约为0.20.5MPa，缸内压力与排缸内压力与排 气管压力之比往往大于临界值气管压力之比往往大于临界值 1.9，排气的流动处于，排气的流动处于 超临界状态超临界状态，废气以当地声速，废气以当地声速c流过排气门开启截面，流过排气门开启截面， 当排气温度为当排气温度为 700-1100K时，声速可达时，声速可达500-700m s 在超临界排气时期，排气流速甚高，在排气过程中在超临界排气时期，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。伴有刺耳的噪声，所以排气系统必须装有消声器。 2015/9/24 发动机原理发动机原理 7 在在超临界排气时期超临界排气时期，废气流量与排气管内压力无废气流量与排气管内压力无 关，只决定于气缸内气体的状态和气门有效开启关，只决定于气缸内气体的状态和气门有效开启 面积面积； 随废气的大量流出，缸内压力迅速下降，排气流随废气的大量流出，缸内压力迅速下降，排气流 动转入动转入亚临界状态亚临界状态，此时，此时废气流量决定于气缸内废气流量决定于气缸内 和排气管内的压力差。和排气管内的压力差。到某一时刻，气缸内和排到某一时刻，气缸内和排 气管内的压力接近，则自由排气阶段结束；气管内的压力接近，则自由排气阶段结束； 自由排气约在下止点后自由排气约在下止点后10°°30°曲轴转角结束，°曲轴转角结束， 由于此阶段废气流速很高，故排出废气量达由于此阶段废气流速很高，故排出废气量达60% 以上；以上； 当排气门开启，废气涌向排气管时，排气管压力当排气门开启，废气涌向排气管时，排气管压力 急剧上升，产生正压力波并在管内往复传播和反急剧上升，产生正压力波并在管内往复传播和反 射射 。 自由排气阶段自由排气阶段 超临界状态超临界状态 亚临界状态亚临界状态 2015/9/24 发动机原理发动机原理 8 2. 强制排气阶段强制排气阶段 此阶段废气是此阶段废气是由活塞上行强制推出由活塞上行强制推出。由于要克服。由于要克服 排气门、排气道处的阻力，缸内平均压力比排气排气门、排气道处的阻力，缸内平均压力比排气 管平均压力略高一些，一般高出管平均压力略高一些，一般高出10kPa左右。气左右。气 流的速度愈高，此压差愈大，耗功愈多。流的速度愈高，此压差愈大，耗功愈多。 为了利用高速气流的惯性排除废气，排气门是在为了利用高速气流的惯性排除废气，排气门是在 活塞过了上止点后才关闭。活塞过了上止点后才关闭。从上止点到排气门完从上止点到排气门完 全关闭这段曲轴转角，称为全关闭这段曲轴转角，称为排气迟闭角排气迟闭角，一般为，一般为 10°°35°曲轴转角。°曲轴转角。 为何需要排气迟闭角：为何需要排气迟闭角： 否则，产生较大的节流作用，致使缸内压力上升，结果否则，产生较大的节流作用，致使缸内压力上升，结果 排气消耗的功和残余废气量增加；排气消耗的功和残余废气量增加； 利用惯性继续排气利用惯性继续排气 2015/9/24 发动机原理发动机原理 9 3. 进气过程进气过程 准备进气准备进气：进气提前角进气提前角：进气门一般在上止点前：进气门一般在上止点前 0°°40°曲轴转角开始打开，以保证活塞下行°曲轴转角开始打开，以保证活塞下行 时有足够大的开启面积，新鲜工质可以顺利流入时有足够大的开启面积，新鲜工质可以顺利流入 气缸。气缸。 正常进气正常进气 ：活塞下行残余废气膨胀，新鲜气体：活塞下行残余废气膨胀，新鲜气体 充入气缸。充入气缸。 惯性进气：惯性进气：进气迟闭角进气迟闭角：进气门一般在下止点后：进气门一般在下止点后 40°°70°曲轴转角才关闭，以利用高速气流的°曲轴转角才关闭，以利用高速气流的 惯性，在下止点后继续充气，以增加进气量。惯性，在下止点后继续充气，以增加进气量。 2015/9/24 发动机原理发动机原理 10 4气门叠开气门叠开 由于排气门的迟后关闭和进气门的提前开启，存由于排气门的迟后关闭和进气门的提前开启，存 在进、排气门同时开着的现象，称为在进、排气门同时开着的现象，称为气门叠开气门叠开 此时此时进气管、气缸、排气管互相连通进气管、气缸、排气管互相连通，可以利用，可以利用 气流的压差、惯性或进排气管压力波的帮助，清气流的压差、惯性或进排气管压力波的帮助，清 除残余废气，增加进气量，降低高温零件的温度，除残余废气，增加进气量，降低高温零件的温度， 但注意不应产生废气倒流现象。但注意不应产生废气倒流现象。 在非增压发动机中，叠开角一般为在非增压发动机中，叠开角一般为20°°80°曲°曲 轴转角轴转角 将进、排气门开、关角度以及相对上、下止点的将进、排气门开、关角度以及相对上、下止点的 位置画出，称为位置画出，称为配气定时图配气定时图。 2015/9/24 发动机原理发动机原理 11 2015/9/24 发动机原理发动机原理 12 二、换气损失二、换气损失 排气损失排气损失 图图3 3- -2 2 四行程发动机的换气损失四行程发动机的换气损失 W:W:自由排气损失自由排气损失； X:X:强制排气损失强制排气损失； 进气损失进气损失 Y:Y:进气损失；进气损失； 换气损失：换气损失：X+Y+WX+Y+W 泵气损失：泵气损失：X+YX+Y- -u u 二、换气损失二、换气损失 换气损失是由排气损失和进气损失两部分组换气损失是由排气损失和进气损失两部分组 成，如下图所示（成，如下图所示（W+X+Y) 2015/9/24 发动机原理发动机原理 13 1. 排气损失排气损失 ：从排气门提前打开直到进气：从排气门提前打开直到进气 行程开始，缸内压力到达大气压力前循环功行程开始，缸内压力到达大气压力前循环功 的损失的损失 ，包括，包括W+X 自由排气损失自由排气损失（W） ：因排气门提前打开，排气：因排气门提前打开，排气 压力线从压力线从pb点开始偏离理想循环膨胀线，引起膨点开始偏离理想循环膨胀线，引起膨 胀功的减少胀功的减少 强制排气损失强制排气损失（X）：）：活塞将废气推出所消耗功活塞将废气推出所消耗功 随着排气提前角的增大，随着排气提前角的增大，W增加，增加，X减小，最有减小，最有 利的排气提前角应使面积（利的排气提前角应使面积（WX）之和为最小之和为最小 2. 进气损失进气损失（Y） ：由于进气系统的阻力，由于进气系统的阻力， 进气过程的气缸压力低于进气管压力，损失进气过程的气缸压力低于进气管压力，损失 的功相当于的功相当于Y所表示的面积，称为所表示的面积，称为进气损失进气损失 泵气损失泵气损失：（：（X+Y-u） 2015/9/24 发动机原理发动机原理 14 随着排气提前角增大，随着排气提前角增大， 自由排气损失面积增自由排气损失面积增 加，强制排气损失面加，强制排气损失面 积减小，如图中积减小，如图中b曲线；曲线； 如排气提前角减少则如排气提前角减少则 强制排气损失面积增强制排气损失面积增 加，如图中加，如图中c曲线。曲线。 所以最有利的排气提所以最有利的排气提 前角应使面积（前角应使面积（W+X） 之和最小。之和最小。 排气提前角对排气损失的影响排气提前角对排气损失的影响 2015/9/24 发动机原理发动机原理 15 第二节第二节 四冲程发动机的充气效率四冲程发动机的充气效率 一、充量系数一、充量系数v v的定义的定义 充气效率充气效率是实际进入气缸的新鲜工质的质量与进气是实际进入气缸的新鲜工质的质量与进气 状态下充满气缸工作容积的新鲜工质的质量的比值。状态下充满气缸工作容积的新鲜工质的质量的比值。 式中式中 m m1 1、V V1 1进气过程中实际进入气缸的新鲜工进气过程中实际进入气缸的新鲜工 质的质量、容积质的质量、容积 m ms s、V Vs s-进气状态下充满工作容积的新鲜工质的质进气状态下充满工作容积的新鲜工质的质 量、气缸工作容积量、气缸工作容积 汽油机：汽油机： v v=0.7=0.7- -0.850.85 柴油机：柴油机： v v=0.75=0.75- -0.900.90 ssvVV mm112015/9/24 发动机原理发动机原理 16 二、影响因素（二、影响因素（首先推导公式）首先推导公式） 排气门关闭时缸内残余废气量：排气门关闭时缸内残余废气量：m mr r=V=Vr rr r 进气门关闭时缸内总量：进气门关闭时缸内总量：m ma a=(V=(VC C+V+VS S)a a 因为因为m m1 1=v v m ms s = = v v V Vs ss s 同时同时m m1 1= m=