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4 柴油机的换气与增压（10％）4．1 二冲程柴油机的换气过程二冲程柴油机换气过程各阶段的特点图 4-2 示出二冲程柴油机换气过程曲线图根据缸内气体压力变化的特点，可把换气过程分成三个主要阶段第一阶段：自由排气阶段（B→R)在膨胀冲程的末尾，下行的活塞把排气口打开（B 点） ，此时气缸内的压力 pb 比排气管中的压力 pr高得多，p r/pb 之比值小于临界值，废气以临界速度流出排气口进入排气管超临界流动持续到 pr/pb 之比值等于临界值的 K 点此后废气以亚临界速度自由排出气缸当气缸内压力约等于扫气箱空气压力时（即 R 点） ，自由排气阶段的结束如图所示，扫气口刚打开时（D 点） ，气缸压力仍略高于扫气压力但因压差不大而时间很短，倒流可忽略如果排气不畅、排气阀开启正时偏迟，废气倒冲就会变严重，甚至可能引起扫气箱着火第二阶段：强制排气和扫气阶段（R→C）此阶段开始时，由于扫气口开度小，排气口已开得很大，气缸中废气正以很高流速流入排气管，气缸内压力继续迅速降低由于废气流的惯性作用，气缸内压力进一步降低然后，随着扫气口开度的增加，扫气大量进入，气缸中压力逐渐升高在扫气口关闭而结束此阶段前，气缸内压力趋于稳定。

在本阶段中，主要是利用扫气空气进入气缸把气缸内的废气排挤出去，故称为强制排气及扫气阶段第三阶段：过后排气阶段（C→E)活塞上行先关闭扫气口（C 点） 此时，气缸中的残余废气掺混部分新鲜空气经由仍然开启的排气口（阀）继续排入排气管，直至排气口（阀）于 E 点关闭在 E 点之后，气缸内开始进行压缩过程二冲程柴油机换气的持续时间约为 120˚～150˚ 曲轴转角，而四冲程柴油机实现换气过程所占的时间则相当于 400˚～500˚曲轴转角如果转速相同， 则二冲程柴油机的换气时间只有四冲程柴油机的大约1/3因此二冲程柴油机进行完善的换气较困难，高、中速柴油机尤其困难4．2 换气过程评定指标4．2．1 残余废气系数的概念和意义残余废气系数是指换气过程结束时，缸内残存的废气量 Gr 与充入气缸的新鲜空气量 G0 之比，即（8-5）0r残余废气系数是换气过程结束后废气排除的干净程度来表示换气过程的完善程度显然，此数值越小，废气排得越干净，换气过程越完善一般在标定工况下， r 的数值如下：四冲程非增压柴油机 r =0.03～0.06四冲程增压柴油机 r =0.00～0.03二冲程气口气阀直流扫气柴油机 r =0.06～0.08二冲程回流扫气柴油机 r =0.05～0.15二冲程简单横流扫气柴油机 r =0.25～0.40从上述数值可以看出，四冲程柴油机的换气质量好于二冲程柴油机，二冲程柴油机中直流扫气效果最好，其次是回流扫气，横流扫气效果最差。

4．2．2 充量系数（充气系数）的概念和意义，影响充量系数主要因素在进气过程结束时，由于存在流动阻力，气缸内压力低于进气管处压力同时由于壁面对吸入空气的加热，进气与残留在气缸中废气的混合以及进气动能部分转变为热能等原因，气缸里进气温度比进气管处空气温度高因此如把吸进气缸内的新鲜空气体积换算成进气管状态的体积，此换算体积将小于气缸工作容积充气系数 v 是在换气过程结束时充入气缸的实际空气量 G0 与在进气状态下充满气缸工作容积 Vs 的理论空气量 Gs 之比，即（8-6）ssvV0式中： 0——进气状态下的空气密度；V0——进入气缸的实际空气量在进气状态下所占的体积所谓“进气状态” ，对不同类型的柴油机来说是不同的四冲程非增压柴油机，一般取大气状态p0、T 0，二冲程柴油机一般取扫气箱内状态 ps、T s，增压柴油机取进气管状态 pk、T k换气过程结束时，气缸内除了有新鲜空气外，还残留有少量废气，即残余废气气缸内混合气体的重量为：（8-7）rraG100根据气体状态方程，气缸中的实际空气量 G0 和在进气状态下充满气缸工作容积的理论空气量 Gs 可写成： （8-8）arraRTVpG10（8-9）s将公式（8-8） 、 （8-9）中的 G0、G s 代入公式（8-6）中，并引进关系式 ，则得到柴油机充气1saV系数公式：[更正] （8-10）rasvTp1这个公式对四冲程和二冲程柴油机都是适用的。

〖但应当注意，对二冲程柴油机，如以有效气缸工作容积定义充气系数，即 ，则（8-10）中的ssveV10压缩比应该用有效压缩比 e 来代替，即（8-11)rasevTp1式中： ve——以有效气缸容积为准的充气系数；e——有效压缩比8-12）ssscse V111式中： s——失效冲程系数【 s=V 损失 /Vs（名义） ，所以 V 有效 =Vs(1-s)】 〗可见， v 的影响因素有 pa、T a、γ rε 不是影响因素，是定义带来的按定义， v 有可能大于 1一般充气系数的范围如下：四冲程柴油机 v = 0.75～0.90二冲程直流扫气 v = 0.80～0.90二冲程回流扫气 v = 0.75～0.80在标定工况下，进气终了时气缸中的压力一般数据如下：四冲程非增压柴油机 pa=（0.85～0.95）p0（p 0 为大气压力）四冲程增压式柴油机 pa=（0.92～1.0）p k二冲程低速柴油机 pa=（0.96～1.0）p s各影响因素对 η v 的影响如 图 4-3 所示。

直线 1表示一假想的没有流动阻力、没有进气加热的理想换气过程曲线 4 表示实际的换气过程曲线 3 可看成没有吸入空气加热的换气过程曲线 2 表示仅有进气流动阻力的换气过程根据此图可了解影响充气效率的有关因素：1)进气流动阻力的影响【p a】 ：由于进气流道存在流动阻力，产生压降 Δp a，所以进气结束时缸内压力 pa=p0-Δp a 从流体力学得知： 2fnKpa式中：n  柴油机转速；f 进气阀通道截面积；K 比例系数可见，要提高 η v，必须减小 Δp a，要求尽可能增大进气通道截面积 f因此，中、大型四冲程柴油机普遍采用多（2 甚至 3）个进气阀结构而且由于降低进气流动阻力比降低排气流动阻力对提高 η v 更为有效，柴油机往往尽可能增大进阀直径，使进气阀直径 大于排气阀直径，以达到提高 η v 的目的图 4-3 中曲线 2 与曲线 1 之间的差距就是单单由于进气流动阻力导致的 η v 下降随着转速的升高，Δp a 增大， η v 下降图还表明，除非在很低的转速下，由进气流动阻力造成的 η v 下降占有主要的份额它是影响 η v 的主要因素因此，运行管理应注意经常保持进气系统的清洁，以减少流动阻力。

2)进气过程结束时气缸内气体温度 的影响【T a】：在进气过程中，由于壁面对空气的加热、与残留废气的混合以及进气动能部分转变为热能等原因，使吸入新鲜空气温度升高，导致 η v 的下降当柴油机负荷增大，喷油量增加，循环的平均温度升高，气缸壁温升高， η v 有所下降当柴油机转速增加时，进气与壁面接触时间减少，壁面传给进气的热量减少图4-3 曲线 3 与曲线 4 之间的差距就是 纯粹由于壁面传给进气热量导致的 η v 下降进气过程结束时气缸内气体温度有所升高对 η v 的影响较小，是影响 η v 的次要因素3)剩馀废气系数 γ r 的影响：当换气终了时气缸内的剩馀废气系数 γ r（即换气结束时气缸里残余废气量与新鲜空气量之比值）增加，则吸入气缸的新鲜空气减少，从而使 η v 下降如排气背压增加，将使γ r 增加，从而使 η v 下降但由于四冲程柴油机的γ r【正常工作时】很小且变化范围也很小，故实际影响很小4)柴油机气阀正时的影响：(1)排气阀提前开：排气阀开启初期其通道截面积很小，流动阻力很大如果排气阀太接近下止点时才开启，提前开启的角度太小，废气排出不畅，会造成活塞上行推出废气消耗的功增大。

残余废气量增加，充气效率 η v 下降但排气阀提前开启角也不能太大，否则会使气体膨胀功损失过大图 4-4 表示不同的排气提前角的影响a--最合适，b--过早开启，c --过晚开启 (2)排气阀滞后关：排气阀的滞后关一方面使活塞到达上止点时，排气阀仍有足够通道截面，有利于废气的排出；另一方面，由于利用了排气流的惯性，可使废气排得更干净3)进气阀提前开：进气阀提前开除了使进气冲程开始时有较大的通道截面，以减少进气阻力，提高η v 外，还可形成进排气阀叠开，对燃烧室进行扫气，减少剩余废气量，提高 η v4)进气阀滞后关：进气阀延迟在下止点后关闭，一方面使活塞在下止点附近时进气阀仍有足够开度，不致因开度不足而使 Δp a 增大另一方面还可充分利用进气流的惯性而吸入更多空气图 4-3 中曲线 3 与曲线 2 之间的差距，可认为是所选定的气阀正时，主要是进气阀关闭正时的影响其中在某一转速附近时，这个损失最小高于这个转速时，进气阀关闭过早，未能充分利用进气惯性；低于这个转速时，进气阀关闭过迟，则造成进气倒流不同转速下，存在不同的最佳正时因此要使柴油机的性能达到最佳，运行于不同的转速时，其正时应该是不同的。

但常规的气阀启闭控制机构做不到这一点因此，变速使用的船舶主柴油机，说明书所规定的气阀正时，只是在常用的高转速下才能取得最佳的 η v二冲程柴油机中，进气流动阻力、进气过程结束时气缸内气体温度、剩馀废气系数 γ r 等因素对 η v的影响与四冲程柴油机相似柴油机排气阀扫气口正时影响到排气阀扫气口的通流能力和扫气气流在气缸中的流向，对 η v 有很大的影响为了达到在耗费新气尽可能少的条件下把尽可能多的废气排出缸外，排气阀扫气口正时应符合说明书的规定值，应定期清洁扫气口保证扫气气流在气缸中的流向，减少流动阻力4．2．3 扫气效率、扫气系数和给气比（扫气过量空气系数）的概念和意义扫气效率、扫气系数、扫气过量空气系数是评价二冲程柴油机换气质量的指标扫气效率 s 的定义是，换气过程结束后，气缸内的新鲜空气量 G0 与气缸内全部气体量 Ga 之比【衡量扫气质量】 ，即[更正 ]（8-13）rras 10扫气系数 s 的定义是，在一个循环中通过扫气口的全部扫气量 Gk 与换气过程结束后留在气缸中的新鲜空气量 G0 之比，即 （8-14）0Gks扫气过量空气系数 k 的定义是，每循环通过扫气口的全部扫气量 Gk 与在进气状态下（p s、T s)充满气缸工作容积 Vs 的理论空气量 Gs 之比，即（8-15）skk二冲程柴油机换气进行得好坏，是结合换气的干净程度和扫气空气的消耗两方面来衡量的。

扫气效率s 是衡量扫气干净程度 的指标 s 愈大，标志着扫气扫得愈干净 s 的极限值是 1然而单纯用换气干净程度的指标 s 来说明二冲程柴油机换气的好坏是不全面的因为只要用大量的空气扫气，总是能扫得干净，所以必须要考虑到空气的消耗扫气系数 s 是用来说明扫气空气消耗的相对量【与是否扫干净有关】 ，而扫气过量空气系数 k 则说明扫气空气消耗的绝对量【与是否扫干净无关】 一般扫气系数 s =1.2～2.0，扫气过量空气系数 k=1.0～1.3显然，扫气效率 s 愈高，扫气系数 s 和扫气过量空气系数 k 愈小，扫气质量愈高，换气系统愈完善 4．3 柴油机废气能量分析柴油机提高功率的主要途径由公式 ，可看出提高柴油机功率有60inmVpPSe以下几种途径1.增加柴。