《汽车发动机原理》教学课件—03发动机的换气过程.ppt

第三章第三章 发动机的换气过程发动机的换气过程换气过程排气过程进气过程换气过程的任务排除废气充入尽可能多的新鲜工质研究的内容换气过程的进行情况分析影响充气效率的各种因素提高充气效率减少换气损失方向与措施找出第一节第一节 四行程发动机四行程发动机的换气过程的换气过程一、换气过程四行程发动机的换气过程包括从排气门开 启 到 进 气 门 关 闭 的 整 个 时 期 ， 约 占410480曲轴转角换气过程自由排气强制排气进气气门叠开 1自由排气阶段 排气门开启到气缸压力接近了排气管压力的这一时期，称为自由排气阶段 排气提前角：从排气门开启到活塞行至下止点所对应的曲轴转角称为，一般为30 80曲轴转角自由排气阶段超临界状态亚临界状态 （1）超临界状态 排气门开启时，气缸内废气压力较高（0.20.5Mpa），缸内压力与排气管压力之比1.9，排气流动处于超临界状态，可利用废气自身的压力自行排出 通过排气门口废气的流速等于该状态下的音速（m/s）在超临界排气时期，废气流量与排气管内压力pr无关，只与气缸内的气体状态及气门开启截面积有关并且因排气流速甚高，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。

式中 K绝热指数； T气体的绝对温度； R气体常数Nm/（kgK）排出的废气量决定于气缸内及排气管内的压力差压力差越大排出废气越多当到某一时刻气缸内与排气管内压力相等，自由排气阶段结束（一般下止点后1030曲轴转角）此阶段虽然历程很短，但因排气流速甚高，排出废气量达60%以上2）亚临界状态缸内压力与排气管内压力之比下降到1.9以下时，排气流动转入亚临界状态，废气流速降低，产生的噪音较小高速发动机其排气提前角要大一些：在自由排气阶段中，排出的废气量与发动机转速无关发动机转速高时，在同样的排气时间（以秒计）所相当的曲轴转角增大，因此，高速发动机排气提前角要大但不宜过大，否则会使排气损失加大 2强制排气阶段：活塞上行强制推出废气 缸内平均压力高于排气管平均压力：克服排气门、排气道处的阻力，一般高出10kpa左右气体的流速越高，此压差越大，消耗的功越多惯性排气排气迟闭角，一般为10 35曲轴转角正常进气 ：活塞下行残余废气膨胀，新鲜气体充入气缸惯性进气进气迟闭角：一般为4070曲轴转角 准备进气进气提前角：一般为0 30曲轴转角 4.气门叠开：进、排气门同时开启作用：由于进气管、气缸、排气管互相连通，可以利用气流的压差、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，但注意不应产生废气倒流现象。

叠开角：进、排气门同时开启时对应的曲轴转角，一般为2080曲轴转角在增压发动机可达80160的曲轴转角因其进气压力高 二、换气损失换气损失由排气损失和进气损失两部分组成 1. 排气损失 排气损失是从排气门提前打开，直到进气行程开始，气缸内压力到达大气压力之前，循环功的损失 （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 减少排气损失的主要措施是：减小排气系统阻力和排气门处的流动损失 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2进气损失进气损失：因进气系统的阻力而引起的功的损失排气损失与进气损失之和称换气损失，即图中面积(W+X+Y)在实际循环示功图中把面积(x+y-d)相当的负功称为泵气损失这部分损失放在机械损失中加以考虑第二节 四行程发动机的充气效率第三章第三章 发动机的换气过程发动机的换气过程式中m1、V1实际进入气缸的新鲜工质的质量、体积（进气状态）；ms、Vs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。

一、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状态下充满气缸工作容积的新鲜工质的质量的比值第三章 发动机换气过程4.2 发动机的充气效率 二、影响充气效率的因素 （一）充气效率v的表达式 1）进气门关闭时缸内气体的总质量ma 假定进气门关闭时气缸容积为（Vs +Vc），此时缸内气体压力、温度、密度为Pa、Ta、a，则缸内气体的总质量为 2）排气门关闭时缸内残余废气的质量 假定排气门关闭时缸内体积为Vr，残余废气的压力、温度、密度为Pr、Tr、 r ，则残余废气的质量为第三章 发动机换气过程4.2 发动机的充气效率3）充入气缸新鲜充量的质量为第三章 发动机换气过程4.2 发动机的充气效率经变换推导得式中Pa、Ta进气状态的温度和压力；Ts、Ps进气终了时的气体温度和压力；残余废气系数，即进气过程结束时气缸内残余废气量与气缸内新鲜充量的比值；压缩比第三章 发动机换气过程4.2 发动机的充气效率（二）影响充气效率的因素（二）影响充气效率的因素1进气终了时的压力PaPa对有重要影响，Pa愈高，值愈大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)一般可写成式中管道阻力系数；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下降第三章 发动机换气过程4.2 发动机的充气效率转速和负荷对进气压力的影响转速和负荷对进气压力的影响1）转速当节气门位置一定时，n增加，Pa降低 2）负荷汽油机：当节气门关小时，节流损失增加，引起Pa下降且Pa随转速的增加而下降的愈快，即曲线变化愈陡柴油机：负荷调节为“质调节”，负荷减小时Pa变化很小第三章 发动机换气过程4.2 发动机的充气效率2进气终了的温度Ta进气终了的温度Ta高于进气状态温度引起Ta升高的原因是:1）新鲜工质进入发动机与高温零件接触而被加热2）新鲜工质与高温残余废气混合而被加热3）在化油器式汽油机上，为了使液体燃料在进气管中蒸发，以便均匀地与空气混合而进入气缸，一般都采用废气或冷却水热量对进气管加热，故空气经过进气管时受热而温度升高措施：将高温排气管与进气管分置于气缸两侧，控制进气预热，适当加大气门叠开角等，均有利于降低Tca第三章 发动机换气过程4.2 发动机的充气效率转速和负荷对Ta的影响1）转速：当负荷不变而转速增加时，由于新鲜工质与缸壁等接触时间短，传热量少，所以Ta稍有下降。

2）负荷：当转速不变而增加发动机负荷时，缸壁等零件温度升高，Ta有所上升3.残余废气系数1）增加，降低，燃烧恶化，油耗、排放增加，2）压缩比提高，残余废气系数减小3）排气压力高，废气多，充气效率降低4）排气系统阻力大，排气压力高，废气多第三章 发动机换气过程4.2 发动机的充气效率4.配气定时配气定时由的计算公式可见，由于进气门迟闭而1,新鲜充量的容积减小,但Pa值却可能因有气流惯性而使进气有所增加,合适的配气定时应考虑Pa具有最大值5.压缩比压缩比压缩比增加,压缩容积减小,残余废气量随之减小,因而有所增加第三章 发动机换气过程4.2 发动机的充气效率第三节第三节 提高充气效提高充气效率的措施率的措施 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。

第三章 发动机换气过程4.3 提高充气效率的措施2.进气马赫数进气马赫数M 进气马赫数M是进气门气流平均速度Vm与该处音速C之比，即M=Vm/CM是决定气流流动性质的重要参数 M值反映气体流动和气门结构尺寸的关系，对充气效率有重要的影响第三章 发动机换气过程4.3 提高充气效率的措施根据一系列试验可知，在正常的配气定时条件下，当超过一定数值时，大约在0.5左右，充气效率急剧下降因此在可能条件下应控制在最高转速时不超过一定数值，以达到提高充气效率的目的第三章 发动机换气过程4.3 提高充气效率的措施3.气门直径和气门数气门直径和气门数进气门直径增大，扩大气流通路截面积增加，v提高双气门（一进一排）：进气门直径可达活塞直径的45%50%，气门与活塞面积之比 为 0.20.25， 进 气 门 比 排 气 门 大15%20%受结构限制，进一步增大比例已很困难第三章 发动机换气过程4.2 提高充气效率的措施多气门结构多气门结构：缸径大于缸径大于80mm时，采用二进二排结构；时，采用二进二排结构； 缸径小于缸径小于80mm时，采用三进二排结构时，采用三进二排结构第三章 发动机换气过程4.3 提高充气效率的措施四四气气门门机机与与二二气气门门机机相相比比，功功率率可可提提高高70%，扭扭矩矩可可提提高高30%，且且响响应应性性比比增增压压机机好好，故故是是汽汽车车发发动动机机高高功功率率化的有力措施。

化的有力措施第三章 发动机换气过程4.3 提高充气效率的措施4.4.气门升程气门升程气门升程增加、改进凸轮型线、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最大气门升程与阀盘直径之比L/d取取0.260.28第三章 发动机换气过程4.3 提高充气效率的措施5.5.减少气门处的流动损失减少气门处的流动损失第三章 发动机换气过程4.3 提高充气效率的措施二、进气道和进气管二、进气道和进气管保证足够的流通面积，避免转弯及截面突保证足够的流通面积，避免转弯及截面突变，改善表面的光洁程度变，改善表面的光洁程度汽油机：燃料的雾化、蒸发、分配、压汽油机：燃料的雾化、蒸发、分配、压力波的利用力波的利用柴油机：形成进气涡流柴油机：形成进气涡流高转速、大功率时，进气管宜短粗；高转速、大功率时，进气管宜短粗；中、低速，进气管宜细长中、低速，进气管宜细长三、空气滤清器第三章 发动机换气过程4.3 提高充气效率的措施第四节 合理选择配气定时在配气定时各参数中，进气门迟闭角的改变，对充在配气定时各参数中，进气门迟闭角的改变，对充气效率气效率v v影响最大。

影响最大 v在某一转速下达到最在某一转速下达到最高值，此转速下能最好地利高值，此转速下能最好地利用气流的惯性充气用气流的惯性充气 进气迟闭角增大，进气迟闭角增大，v最大值对应的转速增加最大值对应的转速增加第三章 发动机换气过程4.4 合理选择配气定时排气提前角：保证排气损失最小的前提下，尽量排气提前角：保证排气损失最小的前提下，尽量晚开晚开排气门转速增加，排气提前角增大转速增加，排气提前角增大气门叠开角：可以增加循环充量，提高充气效率，气门叠开角：可以增加循环充量，提高充气效率， 降低高温零件的热负荷，减少降低高温零件的热负荷，减少NOxNOx第三章 发动机换气过程4.4 合理选择配气定时第五节第五节第五节第五节进气管的动态效应及进气管进气管的动态效应及进气管长度长度动态效应 由于间歇进、排气，进、排气管存在压力波，在用特定的进气管条件下，可以利用此压力波来提高进气门关闭前的进气压力，增大充气效率压力波增压系统具有结构简单、惯性小、响应快等优点，适于频繁变工况的车用 分为惯性效应与波动效应两类 第三章 发动机换气过程4.5 进气管的动态效应及进气管长度（1）进气管的惯性效应在进气行程前半期，由于活塞下行的吸入作用，气缸内产生负压，新鲜工质从进气管流入，同时传出负压波，经气门、气道沿进气管向外传播，传播速度为。