汽车发动机原理第4章 换气过程与循环充量.pdf

第4章换气过程与循环充量换气过程—排出废气和充入新气的全过程◎周期性、非稳态流动过程（不同于其它热机）◎从“量”的方面影响动力性和经济性)2)(()()2)(1)(()1(0000τφφηηητφφφφηηηηni TRpVlHni ll TRpVlHHGPsss sc au mtcaasss sc au mtcummete=+ +==发动机构造图对换气过程的要求：1.最大限度地吸入新鲜充量——φc是核心问题；2.最小的换气损失；3. 各缸进气均匀性；4.在缸内形成合理的流场，以控制混合气形成和 燃烧4.1 四冲程发动机的换气过程4.1.1 换气过程与换气系统1. 如图4-1，换气过程从膨胀冲程末期排气门开启 （a’点）时算起，直到进气门关闭（b’点）时为 止，大约为410ºCA~480ºCA；2. 换气系统包括：气缸加上进气和排气系统，组 成的以大气为边界的流动的开式热力系统； （增压机和有排气后处理装置时更复杂）图4 - 1 四冲程机的换气系统和换气过程4 . 1. 2 换气过程及其分期换气过程=排气阶段+ 进气阶段+ 气门重叠阶段(展开图表示更明确)1.排气过程=自由排气+强制排气1) 自由排气阶段排气门开启初期，缸内压力p远大于排气管压力 （ p=0.2MPa~0.5MPa ）,在此压差下废气流出，因此称 为自由排气阶段。

根据气体力学孔口节流的规律，当排气阀两端压力 之比大于1.83时，喉口处出现音速流动，也称为超临超临 界状态界状态（排气门开启时，缸内压力p=0 . 2 MP a ￣0 . 5MP a , 而 pe=0 . 11MP a ￣0 . 12 MP a ，所以一般发动机都要经历超临界排气 阶段）超临界排气超临界排气时，气门喉口（最小截面）始终保持当 地音速状态，a=（kRT）0.5，即排气流量只与缸内状 态和流通截面积有关,而与压差无关排气初期 T =7 0 0 K ￣110 0 K ，则a =50 0 ￣7 0 0 m/ s ，形成发动机排气噪声 的主要来源）随汽缸压力下降，当排气阀两端压力之比小于1.83 时，喉口流速低于音速，进入亚临界自由排气阶段， 流量大小取决于压差和流通截面，但仍保持高的排气 速度自由排气阶段大约到下止点后10ºCA~30ºCA结束 （一般排气提前角排气提前角为30ºCA~80ºCA）占总排气时间 的1/3左右，但排气量达60%以上所以这一时期也是 排气阻力、噪声最大的时期2) 强制排气阶段自由排气结束后，缸内压力大大降低，必须依靠活 塞上行强制排气这一阶段中，缸内与排气管的平均 压差约为0.01~0.02MPa，时间占总排气时期的2/3。

排气后期到上止点时，压力略有上升（图4-1）, 这是气门流通截面减小排气不畅的缘故排气上止点时，气流仍有向外流动的惯性惯性，所以一 般排气门晚关排气门晚关10ºCA~35ºCA 2．进气过程缸内进气压力线呈中凹形初期压力较大下降， 是活塞下行加速度加大，使真空度加大的结果；后期压力上升，则是高速流入气缸的充量，其 动能转变为势能（压力）的结果进气过程的核心问题是充量系数充量系数φφc的问题（本 章后面要重点分析）3. 气门重叠过程图4-1d-r′段是气门重叠期气门重叠期（！展开图），气门重叠期=排气门晚关角+进气门早开角（后面要进一步讨论这一问题）Residual gas control (Gas exchange of 4-stroke engine at TDC)E5975VK2pIpELimit: W/o valve overlapWith valve overlap pI pEor high speed (Dynamic)TDC换气损失 =泵气损失功+ 膨胀损失功或：换气损失=排气损失功+ 进气损失功=( 7 5￣8 0 ) % + ( 2 0 ￣2 5) %E2024Gas exchange losses of 4-stroke engineVK1, VK22EVO41IVC IVO1′ ′EVCppuTDCBDCV34.1.3 进排气相位角及其对性能的影响1、相位角及其功用、相位角及其功用进、排气门相对于上、下止点早开、晚关的四个角度叫做进、 排气相位角。

它们的取值关系到增大进气充量、减小换气损失 和阻力等性能的优化1）排气早开角◎排气早开角的必要性；◎主要影响换气损失，对充量系数影响较小；◎存在一个使换气损失为最小的最佳排气早开角（如图4-3）；◎不同转速时要求的最佳排气早开角不同4.1.3 进排气相位角及其对性能的影响2）排气晚关角◎排气晚关角的必要性——利用气流惯性；◎主要影响充量系数和换气质量；◎存在最佳排气晚关角，过小，惯性利用不足，过大，废气倒流3）进气早开角◎排气早开角的必要性——减小进气节流；◎对泵气损失和充量系数均有影响；◎存在一个使换气损失为最小的最佳进气早开角，过小，进气节流大，过大，易回火4）进气晚关角◎排气早开角的必要性——利用气流惯性；◎主要影响充量系数；◎存在最佳进气晚关角，过小，惯性利用不足，过小，回流5）共性问题◎随转速升高，最佳相位角应增大；◎四个相位角中，进气晚关角对充量系数影响最大，排气 早开角对换气损失影响最大；◎最佳相位角，增压机与非增压机不同（图4-5）；◎气门重叠角，汽油机＜柴油机＜增压机4.2 充量系数的解析式1、充量系数充量系数Φc的基本定义Φc=实际进气质量ma/ 理论进气质量（当前大气条件）※按标准大气条件计算时，为充气系数充气系数，如不同海拔标定2、 Φc 的获得方法 ：实测ma（热线、节流、层流、涡列）以及当前大气条件3、为便于分析影响因素，引入Φc的解析式：括号内第一项与进气相关，影响最大，第二项与排气相关。

  ′′′−′∆+′∆+∆−−= rrrasaassssacTRp TTRppppRTKϕεζεφζ )() 1(换气过程示意图4.3 充量系数的主要影响因素4.3.1 Δpa的影响假定进气过程为准稳定过程（不考虑动态效应），则 Δpa为进气流动总压力损失自吸式发动机的Δpa/ps为0.1~0.2，汽油机中低负荷时 更大，因而Δpa为Φc的最大影响因素1、 Δpa等于沿程阻力与局部阻力之和，降低各部流损；2、 Δpa应与进气涡流取得平衡关系；4.3 充量系数的主要影响因素3、进气马赫数（MACH Index）◎ Δpa=0.5λρu2λ—阻力系数，与结构形状、表面粗糙度有关ρ—密度， u —流速流速u取决于流通截面的大小，而最小截面在进气门处◎设进气门处的平均流速为vtm，当地音速为a，则平均进气马赫数平均进气马赫数为： Mam= vtm/a（4-10）◎如图4-8，Mam＞0.5后， Φc会急速下降因为：虽然平均流速未达到音速，但某些小升程段的 流速已接近“壅塞”进气系统设计原则Flow areas at intake valveGeometric cross-section AFlow cross-section ψ ψ.AVValveE2035-2VK2图4-8 充量系数与进气马赫数4.3 充量系数的主要影响因素◎由式（4-12）和（4-13）可知：马赫数主要与D/ds、转速n、冲程s、进气门口流量系 数μs、当地音速a=f（T）有关。

为提高Φc有：◆提高进气门流通截面积◆提高进气门流通截面积，多气门（国内与国外主要差距），2气门（ds/D）2 = 20-25%，4气门则30%以上见表4-2，气门数↑，转矩↑，允许最高转速↑，则最大功率↑↑◆提高气门处流量系数μs ◆提高气门处流量系数μs ◇也可减小冲程s◇也可减小冲程sE5844EWM, VK1, VK2Passenger car gasoline engine MB V6-3V with dual-spark ignitionFord Zetec-SE engineE5821EWMVW 4-valve cylinder headE5143VK2FZR 750 engine with 5 valvesE5757VK24.3.2 进气温升对Φc的影响进气温升△Ta ′↑，工质密度↓， Φc ↓进气温升△Ta′由下列四项组成，△Ta′=△Tw+△TL+△Tr+△Tg——（4-17）式中，△Tw—高温壁面传热所引起的温升；合理冷却，降低热负荷；△TL—压力损失变为摩擦热引起的温升；减小Δpa ；△Tr—残余废气与新气混合引起的温升；减小残余废气系数△Tg——进气过程中，燃料汽化、吸热所引起的温度变化 （注意，柴油机为0、汽油机为负值）。

4.3.3 其它因素对Φc的影响◎进排气相位角，通过ζ和ψ起作用◎压缩比ε◎Valve timing (4-stroke engine)Gasoline engine (°°EVO 60 (70) - 40 BBDCEVC4 - 30 (40) ATDCIVO40 (30) - 10 (5) BTDCIVC40 - 60 (80) ABDCCA)Diesel engine (°°CAEVO 50 - 40 BBDCEVC5 - 30 ATDCIVO0 - 25 BTDCIVC30 - 40 (70) ABDC)E3077VK24.4 充量系数随转速的变化规律以上讨论了设计参数对Φc 的影响，本节将讨论工况 的影响1、进气速度特性—Φc随发动机转速n的变化规律；如图4-12 ◎全负荷进气速度特性（进气外特性）—油门全开◎部分负荷速度特性—油门小于标定位置图4-12 进气速度特性曲线2、对Φc-n曲线的分析（1） Φc-n曲线基本决定了各转速下的最大输出功率；（2）汽、柴油机变化规律有很大不同：汽油机： n↑， Φc ↓；部分负荷时， 随n↑，Φc ↓↓（斜率更大）柴油机： n↑， Φc ↓（但斜率小于汽油机）；部分负荷时， Φc 略升？为什么？为什么（3）运转稳定性：汽油机好于柴油机。

4.5 进排气系统的动态效应以上分析的是换气过程的静态特性静态特性，而实际压力是瞬变（波动）的 例如，去掉进气管和空滤器Pe反而下降；再如，摩托车去掉排气管Pe反 而下降压力波动对进排气过程的影响称为动态效应4.5.2 单缸机进气管动态效应的利用既用于分析单缸机，也用于简化多缸机的分析1、本循环压力波的动态效应（惯性效应）图4-16设进气门开启时间为Δts，压力波传播周期为Δt=2L/a，（b） Δt ＞ Δts 时，反射波对进气无影响；（c） Δt ＜ Δts 时，当反射波在进气后期到达气门口时， Φc 提高Φc 提高图4-16 单缸机本循环进气动态效应2、上循环压力波的动态效应（波动效应）上循环残余压力波动的正压波如能处于本循环进气时期， 则会对Φc 有利，否则有负作用记：气门口处压力波动频率为f1= a/（4L），进气门开启频率为f2= n/120，则：频率比q= f1/f2= 30a/（nL）频率比q= f1/f2= 30a/（nL）由图4-18可知：q=1、2、3、、、正整数时，残余负波到达，对Φc 不利；q=1.5 、2.5 、 、 、时,残余正波到达,对Φc 不利图图4-18 上循环压力波的动态效应上循环压力波的动态效应3、惯性效应+ 波动效应 →→“增压”，可使Φc＞1（见图4-20）问题：Φc随转速和进气 管长变化，仅在 某一狭窄区域得 到改善。

所以：可变进气管长度 技术（见图例）Switch-over intake manifold Audi V6 (schematic)Torque positionPower positionE5635-2VK2Full load performance of an Audi V6 engine300Nm27024021018015012000200040008000Engine speedrpmClosed flaps, long intake manifold Opened flaps, sh。