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04第四章内燃机的充量更换2009.ppt

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    • 第四章第四章 内燃机的换气过程内燃机的换气过程oo内内内内燃燃燃燃机机机机的的的的换换换换气气气气过过过过程程程程是是内内燃燃机机排排出出本本循循环环已已燃燃气气体体和和为为下下一一循循环环吸吸入入新新鲜鲜充充量量的的进进排排气气过过程程,,指指的的是是从从排排气气门门或或排排气气口口开开启启(对对二二冲冲程程内内燃燃机机而而言言)至至进进气气门门或或排排气气口口关关闭闭的的整整个个阶阶段段,,亦亦即即为为四冲程发动机的进排气过程或二冲程发动机的扫气过程四冲程发动机的进排气过程或二冲程发动机的扫气过程o在在内内燃燃机机的的换换气气过过程程中中,,有有时时为为了了控控制制内内燃燃机机NOx的的排排放放,,有有时还需要进行时还需要进行内燃机的排气再循环内燃机的排气再循环内燃机的排气再循环内燃机的排气再循环(分内部(分内部EGR和外部和外部EGR)oo内内内内燃燃燃燃机机机机采采采采用用用用增增增增压压压压技技技技术术术术可可以以提提高高进进气气密密度度,,从从而而提提高高发发动动机机的的功功率,并改善经济性和排放率,并改善经济性和排放o内内燃燃机机的的性性能能很很大大程程度度上上依依赖赖于于换换换换气气气气过过过过程程程程的的的的完完完完善善善善程程程程度度度度,,为为提提高高动动力力性性和和经经济济性性指指标标,,需需要要研研究究减减少少进进排排气气流流动动阻阻力力、、提提高高充充量系数和各缸均匀性的措施及方法。

      量系数和各缸均匀性的措施及方法 主要内容主要内容oo第一节第一节 四冲程内燃机的换气过程四冲程内燃机的换气过程oo第二节第二节 四冲程内燃机的换气损失四冲程内燃机的换气损失oo第三节第三节 提高内燃机充充量系数的措提高内燃机充充量系数的措施施oo第四节第四节 内燃机的增压内燃机的增压oo第五节第五节 二冲程内燃机的换气二冲程内燃机的换气 第一节第一节 四冲程内燃机的换气过程四冲程内燃机的换气过程排气排气重叠重叠进气进气四冲程内燃机四冲程内燃机换气过程三个换气过程三个阶段阶段配气相位与低压配气相位与低压p-V图图气门升程与低压气门升程与低压p-φ图图 四冲程内燃机的换气过程四冲程内燃机的换气过程进气过程进气过程 1.1.排气提前开启的必要性分析排气提前开启的必要性分析2.2.排气过程分类:按照燃气对活塞的作用分为自由排气排气过程分类:按照燃气对活塞的作用分为自由排气和强制排气;按照其它流动的性质分为超临界排气和和强制排气;按照其它流动的性质分为超临界排气和亚临界排气;亚临界排气;3.3.自由排气、强制排气过程分析:排气门打开到自由排气、强制排气过程分析:排气门打开到BDC,,缸内压力高于排气管压力,缸内气体哟便对活塞做功,缸内压力高于排气管压力,缸内气体哟便对活塞做功,一遍可以自由的排除缸外,称为一遍可以自由的排除缸外,称为自由排气阶段自由排气阶段;活塞;活塞有有BDC向向TDC运动,活塞推动缸内气体,强制排除缸运动,活塞推动缸内气体,强制排除缸外,称为外,称为强制排气阶段强制排气阶段,该过程需要消耗发动机的有,该过程需要消耗发动机的有效功。

      效功4.4.超临界、亚临界排气过程分析超临界、亚临界排气过程分析5.5.排气门迟后关闭分析排气门迟后关闭分析 一、排气过程一、排气过程 由于受配气机构及其运动规律的限制,排气门不可能由于受配气机构及其运动规律的限制,排气门不可能由于受配气机构及其运动规律的限制,排气门不可能由于受配气机构及其运动规律的限制,排气门不可能瞬时打开,气门开启的最初阶段,升程小,流通面积小,废瞬时打开,气门开启的最初阶段,升程小,流通面积小,废瞬时打开,气门开启的最初阶段,升程小,流通面积小,废瞬时打开,气门开启的最初阶段,升程小,流通面积小,废气排出流量小如果排气门刚好在膨胀行程下止点时开启,气排出流量小如果排气门刚好在膨胀行程下止点时开启,气排出流量小如果排气门刚好在膨胀行程下止点时开启,气排出流量小如果排气门刚好在膨胀行程下止点时开启,则排气门流通截面增加过缓,气缸压力下降迟缓,活塞在向则排气门流通截面增加过缓,气缸压力下降迟缓,活塞在向则排气门流通截面增加过缓,气缸压力下降迟缓,活塞在向则排气门流通截面增加过缓,气缸压力下降迟缓,活塞在向上止点回行时将造成较大的反压力,增加排气行程所消耗的上止点回行时将造成较大的反压力,增加排气行程所消耗的上止点回行时将造成较大的反压力,增加排气行程所消耗的上止点回行时将造成较大的反压力,增加排气行程所消耗的功。

      所以,内燃机的排气门往往都在膨胀行程到达末期前,功所以,内燃机的排气门往往都在膨胀行程到达末期前,功所以,内燃机的排气门往往都在膨胀行程到达末期前,功所以,内燃机的排气门往往都在膨胀行程到达末期前,即活塞到达下止点前的某一位置提前开启,这一角度称为排即活塞到达下止点前的某一位置提前开启,这一角度称为排即活塞到达下止点前的某一位置提前开启,这一角度称为排即活塞到达下止点前的某一位置提前开启,这一角度称为排气提前角,一般范围:排气提前角为气提前角,一般范围:排气提前角为气提前角,一般范围:排气提前角为气提前角,一般范围:排气提前角为30º30º30º30º~ ~80º(CA)80º(CA)80º(CA)80º(CA)与发动与发动与发动与发动机的工作方式、转速、增压与否而定,一般汽油机的排气提机的工作方式、转速、增压与否而定,一般汽油机的排气提机的工作方式、转速、增压与否而定,一般汽油机的排气提机的工作方式、转速、增压与否而定,一般汽油机的排气提前角小、柴油机大些、增压柴油机的更大一些前角小、柴油机大些、增压柴油机的更大一些前角小、柴油机大些、增压柴油机的更大一些前角小、柴油机大些、增压柴油机的更大一些。

      排气提前开启分析排气提前开启分析 o在在自自由由排排气气阶阶段段的的初初期期,,由由于于排排气气门门刚刚刚刚开开启启,,缸缸内内压压力力较较高高,,排排气气管管压压力力与与气气缸缸压压力力之之比比往往往往小小于于临临界界值值 ,,流流动动呈呈现现超超临临界界状状态态,,缸缸内内气气体体以以当当地地声声速速流流过过排排气气门门此此时时, ,排排气气质质量量流流量量只只取取决决于于缸缸内内气气体体状状态态和和排排气气门门有有效效开开启启截截面面的的大大小小,,与与排排气气管管内内的的气体状态无关气体状态无关o随随着着排排气气的的进进行行,,排排气气门门流流通通截截面面不不断断增增大大,,排排气气管管压压力力与与气气缸缸压压力力之之比比超超过过临临界界值值之之后后,,气气体体流流动动逐逐渐渐进进入入亚亚临临界界状状态态;;直直到到某某一一时时刻刻气气缸缸压压力力与与排排气气管管内内的的气气体体压压力力接接近近相相等等,,自自由由排排气气阶阶段段结结束束在在该该阶阶段段中中流流出出的的气气体体质质量量,,不不仅仅与与排排气气门门的的有有效效流流通通截截面面有有关关,,还与缸内和排气管内的压力差有关。

      还与缸内和排气管内的压力差有关o曲曲轴轴转转角角少少数数处处于于超超临临界界,,其其余余绝绝大大多多数数曲曲轴轴转转角角处处于于亚亚临临界界超超临临界界排排出出气气体体量量与与转转速速无无关关,,所所以以高高转转速速时时,,超超临临界界占占曲曲轴轴转转角角增增加,为保证缸内压力及时下降,需要加大排气提前角加,为保证缸内压力及时下降,需要加大排气提前角o超超临临界界排排气气流流速速高高,,排排出出废废气气量量可可以以达达到到60%60%以以上上,,持持续续到到BDCBDC后后10-3010-30°°((CACA)) 超临界、亚临界排气过程分析超临界、亚临界排气过程分析 随着活塞的上行,排气门流通截面开始逐渐减小,气体流经气随着活塞的上行,排气门流通截面开始逐渐减小,气体流经气随着活塞的上行,排气门流通截面开始逐渐减小,气体流经气随着活塞的上行,排气门流通截面开始逐渐减小,气体流经气门的节流作用加强,因而在上止点附近,气缸压力再次升高,其直接门的节流作用加强,因而在上止点附近,气缸压力再次升高,其直接门的节流作用加强,因而在上止点附近,气缸压力再次升高,其直接门的节流作用加强,因而在上止点附近,气缸压力再次升高,其直接后果是,排气所消耗的功与缸内的残余废气量都增加了,这对于换气后果是,排气所消耗的功与缸内的残余废气量都增加了,这对于换气后果是,排气所消耗的功与缸内的残余废气量都增加了,这对于换气后果是,排气所消耗的功与缸内的残余废气量都增加了,这对于换气与燃烧过程都不利。

      因此,排气门不允许刚好在活塞到达上止点时关与燃烧过程都不利因此,排气门不允许刚好在活塞到达上止点时关与燃烧过程都不利因此,排气门不允许刚好在活塞到达上止点时关与燃烧过程都不利因此,排气门不允许刚好在活塞到达上止点时关闭,而应当在上止点后一定角度时关闭,这就是排气迟闭排气迟闭闭,而应当在上止点后一定角度时关闭,这就是排气迟闭排气迟闭闭,而应当在上止点后一定角度时关闭,这就是排气迟闭排气迟闭闭,而应当在上止点后一定角度时关闭,这就是排气迟闭排气迟闭期间,可以利用缸内气体流动惯性从气缸内抽吸部分废气,实现过后期间,可以利用缸内气体流动惯性从气缸内抽吸部分废气,实现过后期间,可以利用缸内气体流动惯性从气缸内抽吸部分废气,实现过后期间,可以利用缸内气体流动惯性从气缸内抽吸部分废气,实现过后排气,但由于到达上止点后活塞已开始下行,气缸容积不断增加,过排气,但由于到达上止点后活塞已开始下行,气缸容积不断增加,过排气,但由于到达上止点后活塞已开始下行,气缸容积不断增加,过排气,但由于到达上止点后活塞已开始下行,气缸容积不断增加,过大的排气迟闭会导致废气倒流当废气从气缸流出的流动过程刚刚停大的排气迟闭会导致废气倒流。

      当废气从气缸流出的流动过程刚刚停大的排气迟闭会导致废气倒流当废气从气缸流出的流动过程刚刚停大的排气迟闭会导致废气倒流当废气从气缸流出的流动过程刚刚停止时,就是理想的排气门关闭时刻,排气门迟闭角为止时,就是理想的排气门关闭时刻,排气门迟闭角为止时,就是理想的排气门关闭时刻,排气门迟闭角为止时,就是理想的排气门关闭时刻,排气门迟闭角为10º10º10º10º~ ~70º(70º(70º(70º(CA)CA)CA)CA),,,,与发动机类型有关与发动机类型有关与发动机类型有关与发动机类型有关排气门迟后关闭分析排气门迟后关闭分析 从进气门开启到关闭的全过程都是进气过程为了使得在进气从进气门开启到关闭的全过程都是进气过程为了使得在进气从进气门开启到关闭的全过程都是进气过程为了使得在进气从进气门开启到关闭的全过程都是进气过程为了使得在进气过程开始时,进气门有一定的流通截面,以减少进气过程的阻力,增过程开始时,进气门有一定的流通截面,以减少进气过程的阻力,增过程开始时,进气门有一定的流通截面,以减少进气过程的阻力,增过程开始时,进气门有一定的流通截面,以减少进气过程的阻力,增加进入气缸的新鲜无量,进气门一般也在上止点前提前开启,称为进加进入气缸的新鲜无量,进气门一般也在上止点前提前开启,称为进加进入气缸的新鲜无量,进气门一般也在上止点前提前开启,称为进加进入气缸的新鲜无量,进气门一般也在上止点前提前开启,称为进气提前,进气提前角为气提前,进气提前角为气提前,进气提前角为气提前,进气提前角为10º10º10º10º~ ~40º (40º (40º (40º (CA)CA)CA)CA)。

      刚开始时,由于活塞的下行运动造成缸内体积的膨胀,加上进气刚开始时,由于活塞的下行运动造成缸内体积的膨胀,加上进气刚开始时,由于活塞的下行运动造成缸内体积的膨胀,加上进气刚开始时,由于活塞的下行运动造成缸内体积的膨胀,加上进气门开启还不充分,缸内的压力有一段短时间迅速降低,这为新鲜充量门开启还不充分,缸内的压力有一段短时间迅速降低,这为新鲜充量门开启还不充分,缸内的压力有一段短时间迅速降低,这为新鲜充量门开启还不充分,缸内的压力有一段短时间迅速降低,这为新鲜充量的顺利流人创造了条件随着进气门流通截面积的加大,进入气缸的的顺利流人创造了条件随着进气门流通截面积的加大,进入气缸的的顺利流人创造了条件随着进气门流通截面积的加大,进入气缸的的顺利流人创造了条件随着进气门流通截面积的加大,进入气缸的新鲜充量不断增加,加上已进入气缸的新鲜充量被温度较高的燃烧室新鲜充量不断增加,加上已进入气缸的新鲜充量被温度较高的燃烧室新鲜充量不断增加,加上已进入气缸的新鲜充量被温度较高的燃烧室新鲜充量不断增加,加上已进入气缸的新鲜充量被温度较高的燃烧室表面和残余废气所加热,气缸压力逐渐升高。

      到进气终了,一部分充表面和残余废气所加热,气缸压力逐渐升高到进气终了,一部分充表面和残余废气所加热,气缸压力逐渐升高到进气终了,一部分充表面和残余废气所加热,气缸压力逐渐升高到进气终了,一部分充量的动能转变为压力能量的动能转变为压力能量的动能转变为压力能量的动能转变为压力能二二 进气过程进气过程 o另另—部部分分动动能能由由于于涡涡流流和和湍湍流流而而转转变变为为热热能能,,从从而而加加热热进进气气,,于于是是新新鲜鲜充充量量的的温温度度与与压压力力都都有有所所提提高高为为了了利利用用在在吸吸气气过过程程中中形形成成的的进进气气管管内内气气流流的的流流动动惯惯性性,,实实现现气气缸缸的的过过后后充充气气,,进进气气门门不不在在下下止止点点关关闭闭,,而而是是在在下下止止点点过过后后的的一一定定角角度度时时延延迟迟关关闭闭,,即即进进气气迟迟闭闭这这样样..有有可可能能使使得得进进气气过过程程终终了了时时,,缸缸内内压压力力等等于于或或略略高高于于进进气气管管压压力力进进气气迟迟闭闭角角一一般般为为2020º~6060º( (CA)CA)高高速速时时气气流流流流动的惯性大,进气迟闭角应相应大一些。

      动的惯性大,进气迟闭角应相应大一些o尽尽管管利利用用过过后后充充气气可可以以有有效效地地增增加加进进入入气气缸缸的的空空气气量量,,但但过过大大的的进进气气迟迟闭闭角角,,会会使使得得低低速速时时发发生生缸缸内内气气流流倒倒流流进进入入进进气气管管的的现现象象,,也也会会影影响响有有效效压压缩缩比比,,从从而而影影响响压压缩缩终终了了温温度度,,使使发发动动机机的的冷冷起起动困难因此,合理的进气定时是十分重要的因此,合理的进气定时是十分重要的 (参见下图)二二 进气过程进气过程 进气迟闭角对发动机充量系数和有效功率的影进气迟闭角对发动机充量系数和有效功率的影响响 气门叠开将导致:气门叠开将导致:气门叠开将导致:气门叠开将导致: 如果进气管压力大于排气管压力,新鲜充量在正向压力差的作如果进气管压力大于排气管压力,新鲜充量在正向压力差的作如果进气管压力大于排气管压力,新鲜充量在正向压力差的作如果进气管压力大于排气管压力,新鲜充量在正向压力差的作用下流入气缸,与缸内残余废气进行混合后,部分可以直接排入用下流入气缸,与缸内残余废气进行混合后,部分可以直接排入用下流入气缸,与缸内残余废气进行混合后,部分可以直接排入用下流入气缸,与缸内残余废气进行混合后,部分可以直接排入排气管中。

      一方面,有利于扫除缸内的残余废气,增加气缸充量,排气管中一方面,有利于扫除缸内的残余废气,增加气缸充量,排气管中一方面,有利于扫除缸内的残余废气,增加气缸充量,排气管中一方面,有利于扫除缸内的残余废气,增加气缸充量,达到扫气目的;另一方面,又可以降低燃烧室内气缸盖、排气门、达到扫气目的;另一方面,又可以降低燃烧室内气缸盖、排气门、达到扫气目的;另一方面,又可以降低燃烧室内气缸盖、排气门、达到扫气目的;另一方面,又可以降低燃烧室内气缸盖、排气门、活塞顶、缸套的温度尽管带走的热量不多,但对于这些受热严活塞顶、缸套的温度尽管带走的热量不多,但对于这些受热严活塞顶、缸套的温度尽管带走的热量不多,但对于这些受热严活塞顶、缸套的温度尽管带走的热量不多,但对于这些受热严重且冷却困难的关键零件,其效果却是显著的重且冷却困难的关键零件,其效果却是显著的重且冷却困难的关键零件,其效果却是显著的重且冷却困难的关键零件,其效果却是显著的 三、气门叠开和燃烧室扫气过程三、气门叠开和燃烧室扫气过程在排气行程上止点附近出现进、排气门同时开启的特殊现象,通常在排气行程上止点附近出现进、排气门同时开启的特殊现象,通常在排气行程上止点附近出现进、排气门同时开启的特殊现象,通常在排气行程上止点附近出现进、排气门同时开启的特殊现象,通常将这一现象称为气门叠开,相应的角度是气门叠开角,它是排气迟将这一现象称为气门叠开,相应的角度是气门叠开角,它是排气迟将这一现象称为气门叠开,相应的角度是气门叠开角,它是排气迟将这一现象称为气门叠开,相应的角度是气门叠开角,它是排气迟闭角与进气提前角之和。

      闭角与进气提前角之和闭角与进气提前角之和闭角与进气提前角之和 配气相位图 对于点燃式内燃机而言,由于它是采用节气门来调节内燃机对于点燃式内燃机而言,由于它是采用节气门来调节内燃机对于点燃式内燃机而言,由于它是采用节气门来调节内燃机对于点燃式内燃机而言,由于它是采用节气门来调节内燃机的功率,进气管内压力总是低于大气压,特别是在小开度时更是的功率,进气管内压力总是低于大气压,特别是在小开度时更是的功率,进气管内压力总是低于大气压,特别是在小开度时更是的功率,进气管内压力总是低于大气压,特别是在小开度时更是如此叠开角过大时高温废气有可能倒流进入进气管乃至燃料供如此叠开角过大时高温废气有可能倒流进入进气管乃至燃料供如此叠开角过大时高温废气有可能倒流进入进气管乃至燃料供如此叠开角过大时高温废气有可能倒流进入进气管乃至燃料供应系统中,引起进气管回火同时,由于新鲜充量中含有燃料,利应系统中,引起进气管回火同时,由于新鲜充量中含有燃料,利应系统中,引起进气管回火同时,由于新鲜充量中含有燃料,利应系统中,引起进气管回火同时,由于新鲜充量中含有燃料,利用新鲜充量进行扫气将导致燃料的损失以及未燃碳氢排放物的增用新鲜充量进行扫气将导致燃料的损失以及未燃碳氢排放物的增用新鲜充量进行扫气将导致燃料的损失以及未燃碳氢排放物的增用新鲜充量进行扫气将导致燃料的损失以及未燃碳氢排放物的增加,因此,这类内燃机的气门叠开角一般都是比较小的。

      加,因此,这类内燃机的气门叠开角一般都是比较小的加,因此,这类内燃机的气门叠开角一般都是比较小的加,因此,这类内燃机的气门叠开角一般都是比较小的 在非增压柴油机中,其进气管内压力始终接近大气压力,因在非增压柴油机中,其进气管内压力始终接近大气压力,因在非增压柴油机中,其进气管内压力始终接近大气压力,因在非增压柴油机中,其进气管内压力始终接近大气压力,因此可以允许采用较大的气门叠开角,增强扫气效果,以达到提高此可以允许采用较大的气门叠开角,增强扫气效果,以达到提高此可以允许采用较大的气门叠开角,增强扫气效果,以达到提高此可以允许采用较大的气门叠开角,增强扫气效果,以达到提高内燃机在常用转速范围内充量质量的目的统计显示,一般非增内燃机在常用转速范围内充量质量的目的统计显示,一般非增内燃机在常用转速范围内充量质量的目的统计显示,一般非增内燃机在常用转速范围内充量质量的目的统计显示,一般非增压柴油机的气门叠开角在压柴油机的气门叠开角在压柴油机的气门叠开角在压柴油机的气门叠开角在20º~50º(20º~50º(20º~50º(20º~50º(CA)CA)CA)CA)范围内。

      范围内内燃机的型式不同,内燃机的型式不同,气门叠开角的大小也有所差异气门叠开角的大小也有所差异 对于对于增压柴油机增压柴油机增压柴油机增压柴油机而言:而言:1 1、、增增压压柴柴油油机机进进气气管管内内的的压压力力在在气气门门叠叠开开朗朗内内总总是是高高于于排排气气管管内内的的压压力力,,因因此此总总有有一一定定数数量量的的新新鲜鲜无无量量在在正正向向压压力力差差的的作作用用下下由由进进气气管管通通过过燃燃烧烧室室后后流流入入排排气气管管中,以达到扫除燃烧室内残余气体的目的中,以达到扫除燃烧室内残余气体的目的2 2、、增增压压柴柴油油机机的的热热负负荷荷较较非非增增压压柴柴油油机机严严重重,,适适当当的的扫扫气气冷冷却却既既有有助助于于降降低低受受热热零零件件((如如排排气气门门))表表面面的的温温度度..提提高高其其可可靠靠性性,,还还可可以以降降低低增增压压器器涡涡轮轮的的进进口口温温度内燃机的型式不同内燃机的型式不同气门叠开角的大小也有所差异气门叠开角的大小也有所差异正因为燃烧室扫气有如此有利的作用,增压柴油机都采用比非增压柴油正因为燃烧室扫气有如此有利的作用,增压柴油机都采用比非增压柴油机大的气门叠开角,一般为机大的气门叠开角,一般为80º~140º(80º~140º(CA)CA);; 3 3、、对对于于机机械械增增压压柴柴油油机机,,由由于于进进、、排排气气压压差差大大,,且且过过多多的的扫扫气气会会加加重重压压气气机机的的负负担担而而使使机机械械效效率率降降低低,,故故其其叠开角一般取较小值;叠开角一般取较小值;4 4、、对对于于涡涡轮轮增增压压柴柴油油机机,,由由于于进进、、排排气气压压差差小小,,叠叠开开角角可可取取较较大大的的值值。

      但但是是,,过过大大的的叠叠开开角角可可能能会会排排气气门门与与活活塞塞发发生生相相撞撞,,活活塞塞上上的的气气旧旧让让坑坑相相应应地地要要加加深深,,从从而而直直接接影影响响燃燃烧烧空空气气体体运运动动的的合合理理组组织织以以及及压压缩缩比比的的大大小小而而且且,,过过多多的的扫扫气气空空气气也也会会加加重重涡涡轮轮增增压压器器的的负担内燃机的型式不同内燃机的型式不同气门叠开角的大小也有所差异气门叠开角的大小也有所差异 内燃机的理论循环内燃机的理论循环不考虑换气过程造不考虑换气过程造成的循环有用功的成的循环有用功的损失,而实际发动损失,而实际发动机换气过程存在因机换气过程存在因为为排气门早开造成排气门早开造成的膨胀损失、流动的膨胀损失、流动阻力造成的活塞强阻力造成的活塞强制排气的推出损失制排气的推出损失和吸气过程的损失和吸气过程的损失,,与理论循环相比,与理论循环相比,实际循环在换气过实际循环在换气过程中所产生的有用程中所产生的有用功损失统称为换气功损失统称为换气损失第二节第二节 四冲程内燃机的换气损失四冲程内燃机的换气损失 一、排气损失一、排气损失W:膨胀损失:膨胀损失X+u:推出损失:推出损失W+X+u:排气损失:排气损失 o对对于于增增压压内内燃燃机机而而言言,,理理论论的的换换气气过过程程( (图图4 4——2 2c)c)是是经经过过压压缩缩的的新新鲜鲜充充量量以以增增压压压压力力p pb b等等压压地地流流人人气气缸缸,,而而排排气气则则以以p pT T等等压压地地排排出出,,进进气气与与排排气气压压力力值值均均高高于于大大气气压压力力,,且且p pb b>>p pT T。

      这这样样,,换换气气过过程程所所获获得得的的功功( (其其值值为为正正) )为为图图中中的的矩矩形形面面积积所所示示;;而而实实际际的的换换气气过过程程中中( (图图4 4——2 2d)d),,换换气气过过程程所所获获得得的的功功却却是是图图中中的的封封闭闭曲曲线线面面积积,,小小于于理理论论循循环环值值,,两两者者之之差差就是换气损失,其大小可由图就是换气损失,其大小可由图4 4——2 2d d中的阴影面积来表示中的阴影面积来表示o由由于于换换气气过过程程主主要要是是由由进进气气过过程程和和排排气气过过程程所所组组成成,,因因而而其损失也是由进气损失和排气损失两部分组成其损失也是由进气损失和排气损失两部分组成一、排气损失一、排气损失 oo定定定定义义义义: : : :从从排排气气门门提提前前开开启启,,直直到到吸吸气气行行程程开开始始、、气气缸缸内内压压力力达达到到或接近进气管压力之前或接近进气管压力之前, ,在此阶段所损失的功称为排气损失在此阶段所损失的功称为排气损失oo构构构构成成成成: : : :它它又又可可以以分分为为两两部部分分,,即即膨膨胀胀损损失失和和推推出出损损失失,,在在图图4 4——2 2b b和和图图4 4——2 2d d上上分分别别以以面面积积w w和和x x来来表表示示,,前前者者是是有有效效膨膨胀胀功功的的减减少,后者是把排气推出所消耗的功。

      少,后者是把排气推出所消耗的功oo影响因素影响因素影响因素影响因素: : : :(1) (1) 随随着着排排气气提提前前角角的的增增大大,,膨膨胀胀损损失失增增加加,,而而推推出出损损失失功功减减小小,,这这可可以以从从图图4 4——3 3所所示示的的一一台台增增压压内内燃燃机机的的示示例例中中可可以以清清楚楚地地看看出出因因此此,,最最有有利利的的排排气气提提前前角角,,应应当当是是使使两两者者损损大大之之和和为为最最小一.排气损失一.排气损失 除除了了排排气气提提前前角角以以外外,,发发动动机机的的转转速速对对排排气气损损失失影影响响也也较较大大( (图图4 4—3 3b)b)一一般般而而言言,,转转速速增增高高时时,,发发动动机机膨膨胀胀损损失失的的增增加加幅幅度度远远远远小小于于推推出出损损失失的的增增加加幅幅度度,,而而两两者者之之和和在在总总体体上上呈呈现增加的趋势现增加的趋势 降低排气损失的主要方法降低排气损失的主要方法: : 合合理理确确定定排排气气提提前前角角,,以以有有效效地地减减少少排排气气过程中的损失。

      过程中的损失一.排气损失一.排气损失 一、排气损失一、排气损失选择排气提前角的原则:选择排气提前角的原则:W+X+u=min o与与排排气气过过程程不不同同的的是是,,进进气气损损失失不不仅仅体体观观在在进进进进气气气气过过过过程程程程所所所所消消消消耗耗耗耗的的的的功功功功上上上上,,更更重重要要的的是是体体现现在在进进气气过过程程中中所所所所吸吸吸吸人人人人新新新新鲜鲜鲜鲜充充充充量量量量的的的的多多多多少少少少上上上上,,因因为为前前者者对对于于内内燃燃机机的的热热热热效效效效率率率率乃乃乃乃至至至至功功功功率率率率影影响响不不大大,,而而后后者者对对内内内内燃机性能燃机性能燃机性能燃机性能有显著的影响有显著的影响o如如图图4 4——2 2b b和和图图4 4——2 2d d所所示示,,由由于于进进气气道道、、进进气气门门等等处处存存在在流流动动阻阻力力损损失失,,进进气气压压力力线线位位于于大大气气压压力力线线p pT T( (非非增增压压机机) )或或增增压压压压力力线线p p b b( (增增压压机机) )之之下下,,两两者者之之差差围围成成的的阴阴影影部部分分面面积积可可分分别别用用y y表表示示。

      将将它它与与排排气气过过程程中中的的损损失失相相比比,,其其值值明明显显相相对对较较小小( (图图4 4——4)4)o合合理理调调整整配配气气定定时时,,加加大大进进气气门门的的流流通通截截面面、、正正确确设设计计进进气气管管及及进进气气道道的的流流动动路路径径以以及及降降低低活活塞塞平平均均速速度度等等,,都都会会使使进进气气损损失减少二.进气损失二.进气损失 二.进气损失二.进气损失 o换换气气损损失失由由进进气气损损失失与与排排气气损损失失所所组组成成,,对对应应图图4 4——2 2中中面面积积W W、、y y与与x x之之和和从从实实际际循循环环示示功功图图的的分分析析中中可可以以发发现现,,面面积积ωω以以及及掺掺杂杂在在面面积积x x和和y y中中的的一一小小部部分分u(u(图图中中以以交交叉叉线线表表示示) )所所表表示示的的功功损损失失,,已已经经在在求求取取平平均均有有效效压压力力时时包包括括进进去去,,故故将将换换气气损损失失中中剩剩余余的的由由面面积积x+y-ux+y-u所所表表示示的的功功损损失失,,定定义义为为泵气损失泵气损失泵气损失泵气损失o在在非非非非增增增增压压压压内内内内燃燃燃燃机机机机中中,,泵泵气气损损失失是是由由p p——V V图图中中换换气气过过程程封封闭闭曲曲线线面面积积所所代代表表的的负负功功来来表表示示的的,,如如以以W WP P表表示示泵泵气气损损失失,,则有:则有: 式中,式中,L pL p为示功图的比例系数。

      为示功图的比例系数3.泵气功与泵气损失.泵气功与泵气损失 o泵泵气气损损失失就就应应当当是是由由增增压压压压力力和和涡涡轮轮排排气气压压力力所所围围成成的的矩矩形形面面积积与与实实际际换换气气过过程程所所围围成成的的封封闭闭曲曲线线面面积积之之差,共计算式如下差,共计算式如下o一般用平均泵气压力一般用平均泵气压力p pb b来表示泵气损失的大小,来表示泵气损失的大小, 3.泵气功与泵气损失.泵气功与泵气损失 一般而言,所有减少换气一般而言,所有减少换气损失的措施以及以后将要损失的措施以及以后将要讨论到的提高充量系数的讨论到的提高充量系数的途径,对降低泵气损失都途径,对降低泵气损失都是有利的另外,由于二是有利的另外,由于二冲程内燃机没有单独的进、冲程内燃机没有单独的进、排气活塞行程,所以泵气排气活塞行程,所以泵气功为零 3.泵气功与泵气损失.泵气功与泵气损失 一、四冲程内燃机的充量系数一、四冲程内燃机的充量系数第三节第三节 提高内燃机充量系数的措施提高内燃机充量系数的措施 衡量内燃机充气性能的一个重要指标是充量系数,其定义衡量内燃机充气性能的一个重要指标是充量系数,其定义为:内燃机每循环实际进入气缸的新鲜充量为:内燃机每循环实际进入气缸的新鲜充量m1m1与以进气管内状与以进气管内状态充满气缸的工作容积的理论充量态充满气缸的工作容积的理论充量mshmsh之比。

      之比 这里所指的进气管状态,是指进人气缸前气体的热力学状这里所指的进气管状态,是指进人气缸前气体的热力学状态,如温度与压力等由于充量系数对于评价进气系统如此重态,如温度与压力等由于充量系数对于评价进气系统如此重要.首先应导出充量系数的理论分析式,以便用来分析提高充要.首先应导出充量系数的理论分析式,以便用来分析提高充量系数的各种措施量系数的各种措施第三节第三节 提高内燃机充量系数的措施提高内燃机充量系数的措施 理论上每循环吸入空气量理论上每循环吸入空气量(s为进气管状态为进气管状态)::第三节第三节 提高内燃机充量系数的措施提高内燃机充量系数的措施进气门关闭时,缸内状态为进气门关闭时,缸内状态为a,缸内气体总质量为:,缸内气体总质量为: 从从分分析析式式不不难难看看出出,,在在发发动动机机的的结结构构参参数数( (如如压压缩缩比比εεc c) )确确定定的的前前提提下下充充量量系系数数的的措措施施可可以以归归结结为为以下几点:以下几点: 1)1)降降低低进进气气系系统统的的阻阻力力损损失失,,提提高高气气缸缸内内进进气气终了时的终了时的压力压力压力压力p p p pa a a a 2)2)降降低低排排气气系系统统的的阻阻力力损损失失,,以以减减小小缸缸内内的的残残残残余废气系数余废气系数余废气系数余废气系数φφφφr r r r 3)3)减减少少高高温温零零件件在在进进气气系系统统中中对对新新鲜鲜充充量量的的加加热,以降低进气终了时的热,以降低进气终了时的充量温度充量温度充量温度充量温度T T T Ta a a a 4 4))合合理理选选择择配配气气定定时时和和气气门门升升程程规规律律,,在在减减小小m mr r r r的同时,增加的同时,增加m m1 1 1 1,减小,减小φφφφr r r r二、提高充量系数的措施二、提高充量系数的措施 措施措施o1 1、、降低进气系统的流动阻力降低进气系统的流动阻力o2 2、、采用可变配气系统技术采用可变配气系统技术o3 3、合理利用进气谐振、合理利用进气谐振o4 4、降低排气系统的阻力、降低排气系统的阻力o5 5、减小对进气充量的加热、减小对进气充量的加热 进气系统的流动阻力,按其性质可分为两类:o一类是沿沿程程阻阻力力,实际上是管道牵擦阻力,与管长和管内流动面上的表面质量有关;o另一类是局局部部阻阻力力,它是由于流通截面大小、形状以及流动方向变化,在局部产生涡流损失所引起的。

      1 1、、降低进气系统的流动阻力降低进气系统的流动阻力 o在内燃机进气流动中,由于管道较短,壁在内燃机进气流动中,由于管道较短,壁面比较光滑、其面比较光滑、其沿程阻力并不大沿程阻力并不大;;oo局部阻力则是流道中的主要损失局部阻力则是流道中的主要损失,它由一,它由一系列的局部阻力叠加而成,尤其在进气门系列的局部阻力叠加而成,尤其在进气门座处、空气滤清器和流道转弯处,流动损座处、空气滤清器和流道转弯处,流动损失更为明显,失更为明显, 降低局部阻力损失降低局部阻力损失, ,对降低进气系统的对降低进气系统的流动阻力流动阻力, ,提高充量系数有显著的意义提高充量系数有显著的意义 降低进气系统的流动降低进气系统的流动阻力阻力的措施的措施1 1.降低进气门处的流动损失.降低进气门处的流动损失2 2.采用可变进气系统技术.采用可变进气系统技术 o进进气气门门座座处处的的流流通通截截面面,,是是进进气气流流道道中中截截面面最最小小、、流流速速最最高高的的地地方方,,因因而而该该处处的的局局部部阻阻力力最最大大..该该阻阻力力除除了了与与阻阻力力系数系数ξξ有关外,还与该处的流动速度有关外,还与该处的流动速度v vs s的平方成正比。

      即的平方成正比即o这这样样,,降降低低进进气气门门处处的的流流动动损损失失,,可可以以从从降降低低气气门门座座处处的的流速和改善气门座处的流动情况以提高流量系数入手解决流速和改善气门座处的流动情况以提高流量系数入手解决 o过过高高的的气气体体流流速速,,还还会会发发生生气气体体阻阻塞塞现现象象考考察察气气门门座座处处的的流流动动情情况况,,并并定定义义平平均均进进气气马马赫赫数数M Ma a,,并并结结合合流流量量方方程程,,可可得得 (4 (4——5)5)o式式中中,,v vs s为为进进气气门门座座处处气气流流的的平平均均速速度度;;c cs s为为进进气气门门流流通通截截面面处处的的气气体体声声速速;;μμs s为为进进气气门门在在开开启启期期间间的的平平均均流流量量系系数数,,其其求求法法是是::以以气气门门盘盘面面积积为为参参考考面面积积,,通通过过稳稳流流吸吸风风试试验验..测测得得在在不不同同曲曲轴轴转转角角( (即即个个同同升升程程) )下下的的流流量量系系数数,,求求出出其其平平均值均值 o即即可可见见,,进进气气平平均均马马赫赫数数M Ma a综综合合了了进进气气门门大大小小、、形形状状、、升升程程规规律律以以及及活活塞塞速速度度等等因因素素,,并并且且其其大大小小与与发发动动机机的的转转速速成成正正比比。

      研研究究发发现现,,对对对对于于于于小小小小型型型型四四四四冲冲冲冲程程程程发发发发动动动动机机机机,,,,当当当当M M M Ma a a a超超超超过过过过0.50.50.50.5后后后后,,,,充充充充量量量量系系系系数数数数急急急急剧剧剧剧下下下下降降降降( (图图4 4——5)5)这这一一结结论论,,对对于于设设计计和和评价气门机构是很有用的评价气门机构是很有用的 减小进气门流通截面处流动损失的具体措施oo(1)(1)加大进气门直径加大进气门直径oo(2)(2)增加进气门数目增加进气门数目oo(3)(3)合理设计进气道及气门的结构合理设计进气道及气门的结构 由由于于进进气气过过程程的的重重要要性性,,一一般般应应尽尽可可能能布布置置较较大大尺尺寸寸的的进进气气门门,,以以降降低低流流经经进进气气门门截截面面时时的的气气体体流流速速,,从从而而降降低低局局部部流流动动阻阻力力在在现现代代高高速速内内燃燃机机2 2气气门门结结构构中中,,进进气气门门直直径径d d与与缸缸径径D D的的比比值值可可达达45%~50%45%~50%面面积积比比为为0.2~0.250.2~0.25,,这这样样排排气气门门不不得得不不缩缩小小,,但但过过小小的的排排气气门门又又会会导导致致排排气气阻阻力力的的增增大大。

      因因此此,,通通过过加加大大进进气气门门直直径径的的方式来提高充量系数,是受到限制的方式来提高充量系数,是受到限制的1)(1)加大进气门直径加大进气门直径 增加进气门数,可以取得与加大进气门直径同样的效果,即增加进气门数,可以取得与加大进气门直径同样的效果,即增大了进气门的有效流通截面积高速柴油机以往仅在缸径大增大了进气门的有效流通截面积高速柴油机以往仅在缸径大于于120120mmmm时才考虑采用两进时才考虑采用两进((进气门进气门) )、两排、两排( (排气门排气门) )即即4 4气门的气门的可能性;现在对于可能性;现在对于D=80~90mmD=80~90mm的柴油机,也认为采用的柴油机,也认为采用4 4气门利大气门利大于弊o 除了换气损失小、充量系数高以外,喷油器的垂直中冒对混除了换气损失小、充量系数高以外,喷油器的垂直中冒对混合气形改极为有利合气形改极为有利o 4 4气门柴油机对具有进气中冷的高增压系统也非常合适气门柴油机对具有进气中冷的高增压系统也非常合适o 对于汽油机来说.其效果也是相当好的对于汽油机来说.其效果也是相当好的( (表表4 4——1)1)。

      (2)(2)增加进气门数目增加进气门数目 采用两进、两排的气门结构后,进气门面积之和可采用两进、两排的气门结构后,进气门面积之和可以达到气缸面积的以达到气缸面积的30%30%,几乎比,几乎比2 2气门提高气门提高30%~50%30%~50%表4 4—l l列出了采用双顶置凸轮轴列出了采用双顶置凸轮轴( (DOHCDOHC,,Double Double Overhead Camshaft)4Overhead Camshaft)4气门发动机的优、缺点,总的结气门发动机的优、缺点,总的结论是优点大于缺点论是优点大于缺点 近年来,几乎所有强化程度高的车用发动机均采用近年来,几乎所有强化程度高的车用发动机均采用了这一技术,发动机转速可达了这一技术,发动机转速可达60006000r r//minmin或更高,平或更高,平均有效压力达均有效压力达1.01.0MPaMPa以上最小的以上最小的4 4气门发动机,其缸气门发动机,其缸径仅为径仅为8080mmmm 显然,采用顶显然,采用顶置凸轮轴置凸轮轴4 4气门气门技术技术, ,可以便发可以便发动机的功率提动机的功率提高约高约15%~30%15%~30%,,转矩增大约转矩增大约5%~10%5%~10%。

      经济经济性能也得到改性能也得到改善 对于对于D D<<80mm80mm的点燃式内燃机,若采用两进、两排的的点燃式内燃机,若采用两进、两排的4 4气门结构在气缸盖缸中间部位往往难以布置即便是最小尺气门结构在气缸盖缸中间部位往往难以布置即便是最小尺寸的火花塞,这时只好适当缩小进气门直径若采用三进寸的火花塞,这时只好适当缩小进气门直径若采用三进二排的气门结构,既能充分利用气缸外围尺寸,又能利用二排的气门结构,既能充分利用气缸外围尺寸,又能利用气缸中心布置火花塞气缸中心布置火花塞 图图4 4—7 7是采用是采用5 5气门气门( (三个进气门,两个排气门三个进气门,两个排气门) )的发动的发动机与机与4 4气门发动机的比较情况,可见其高速性能进一步改善气门发动机的比较情况,可见其高速性能进一步改善对于排量较小对于排量较小(1.5(1.5L L以下以下) )的的4 4缸小型轿车用汽油机来说,也缸小型轿车用汽油机来说,也有采用有采用—进、二排的进、二排的3 3气门结构,这样既能发挥多气门的优气门结构,这样既能发挥多气门的优越性,结构又相对简单越性,结构又相对简单。

      改善进气门座、进气道以及改善进气门座、进气道以及气门头部的结构,也有助于降气门头部的结构,也有助于降低局部阻力,提高气门流通截低局部阻力,提高气门流通截面的流量系数一般在高速内面的流量系数一般在高速内燃机中,均利用气道使进气在燃机中,均利用气道使进气在其中发生弯曲和旋转,以便在其中发生弯曲和旋转,以便在气缸中形成定向的空气运动,气缸中形成定向的空气运动,以利于燃烧的进行但这势必以利于燃烧的进行但这势必影响气门的流量系数,增大流影响气门的流量系数,增大流动损失,动损失,(3)(3)合理设计进气道及气门的结合理设计进气道及气门的结构构 从获得最大充量系数的角度出发,比较理想的配气系统应当从获得最大充量系数的角度出发,比较理想的配气系统应当要满足以下要求:要满足以下要求: 1) 1)低速时,采用较小的气门叠开角以及较小的气门升程,防低速时,采用较小的气门叠开角以及较小的气门升程,防止出现缸内新鲜无量向进气系统的倒流,以便增加转矩,提高止出现缸内新鲜无量向进气系统的倒流,以便增加转矩,提高燃油经济性燃油经济性 2) 2)高速时应具有最大的气门升程和进气门迟闭角,以最大限高速时应具有最大的气门升程和进气门迟闭角,以最大限度地减小流动阻力,充分利用过后充气,提高充量系数,以满度地减小流动阻力,充分利用过后充气,提高充量系数,以满足动力性要求。

      足动力性要求 3 3)配合以上变化,进气门从开启到关闭的进气持续角也进)配合以上变化,进气门从开启到关闭的进气持续角也进行相应调整,以实现最佳正时,将泵气损失降到最低行相应调整,以实现最佳正时,将泵气损失降到最低2、、采用可变配气系统技术采用可变配气系统技术 总之,理想的气门定时应当是总之,理想的气门定时应当是根据发动机的工作情况及时作出调根据发动机的工作情况及时作出调整,应具有整,应具有 一定程度的灵活性一定程度的灵活性显然,对于传统的凸轮挺杆气门机显然,对于传统的凸轮挺杆气门机构,由于在工作中无法作出相应的构,由于在工作中无法作出相应的调控,也就难于达到上述要求,因调控,也就难于达到上述要求,因而限制了发动机性能的进一步提高而限制了发动机性能的进一步提高 完全满足上述各项要求的机构是相当复杂的,目前还完全满足上述各项要求的机构是相当复杂的,目前还仅仅处于研究阶段.如仅仅处于研究阶段.如( (GMGM汽车公司推出的无凸轮的电磁汽车公司推出的无凸轮的电磁气门驱动机构以及气门驱动机构以及FordFord汽车公司的液压气门驱动机构。

      由汽车公司的液压气门驱动机构由于制造成本和可靠性等原因,若将这种全电控的技术应用于制造成本和可靠性等原因,若将这种全电控的技术应用于实际发动机中气门要时间于实际发动机中气门要时间 1 1、可变凸轮机构、可变凸轮机构 可变凸轮机构技术一般都是通过两套凸轮或摇臂来可变凸轮机构技术一般都是通过两套凸轮或摇臂来实现的,即在高速时采用高速凸轮,其升程与作用角都较大;而在实现的,即在高速时采用高速凸轮,其升程与作用角都较大;而在低速时切换到低速凸轮,升程与作用角均较小,如图低速时切换到低速凸轮,升程与作用角均较小,如图4 4—8 8a a所示图图4 4—8 8b b是采用可变凸轮机构后,发动机的性能与传统配气机构的是采用可变凸轮机构后,发动机的性能与传统配气机构的性能比较,显然低速转矩和高速动力性能都得到了改善性能比较,显然低速转矩和高速动力性能都得到了改善 (2)(2)可变气门定时可变气门定时 相对于可变凸轮机构,可变气门定时技术相对于可变凸轮机构,可变气门定时技术的应用较多一些:对于的应用较多一些:对于DOHCDOHC系统而言,由于进、排气门是系统而言,由于进、排气门是分别通过两根凸轮轴单独驱动的,可以通过一套特殊的机分别通过两根凸轮轴单独驱动的,可以通过一套特殊的机构将进气凸轮轴按要求转过一定的角度,从而达到改变进构将进气凸轮轴按要求转过一定的角度,从而达到改变进气相位的目的。

      根据实现机构的不向,这种改变又可以分气相位的目的根据实现机构的不向,这种改变又可以分成分级可变与连续可变两类,调节范围最高可达成分级可变与连续可变两类,调节范围最高可达6060º( (CA)CA)由于技术上相对成熟,很多高性能的汽油发动机均采用了由于技术上相对成熟,很多高性能的汽油发动机均采用了这一技术从图这一技术从图4 4—9 9可以看出采用可以看出采用VVTVVT技术可以使得发功机技术可以使得发功机的低速转矩性能得到大幅度的改善某的低速转矩性能得到大幅度的改善某3 3L L排量的排量的6 6缸车用发缸车用发动机上运用这一技术,油耗最大降低了动机上运用这一技术,油耗最大降低了4.5%4.5%,,HCHC及及NO2NO2排放排放下降幅度分别达到下降幅度分别达到10%10%和和4%4% 措施措施o1 1、、降低进气系统的流动阻力降低进气系统的流动阻力o2 2、、采用可变配气系统技术采用可变配气系统技术o3 3、合理利用进气谐振、合理利用进气谐振o4 4、降低排气系统的阻力、降低排气系统的阻力o5 5、减小对进气充量的加热、减小对进气充量的加热 3、合理利用进气谐振、合理利用进气谐振 在进气过程中,活塞的下行运动在进气过程中,活塞的下行运动可导致进气管内产生膨胀波,该可导致进气管内产生膨胀波,该膨胀波将在进气管的开口端反射,膨胀波将在进气管的开口端反射,然后产生正向压力波向气缸传播:然后产生正向压力波向气缸传播:在合适的条件下在合适的条件下( (如转速、出气管如转速、出气管长度等长度等) ),这个正向压力波可以使,这个正向压力波可以使得进气过程结束时,进气门处的得进气过程结束时,进气门处的压力高于正常的进气压力.这样压力高于正常的进气压力.这样发动机就可以多进气,从而使充发动机就可以多进气,从而使充量系数得到提高,即是图中充量量系数得到提高,即是图中充量系数峰值所在。

      系数峰值所在 进气管长度和直径对充量系数的影响进气管长度和直径对充量系数的影响进气管长度增加或管径减小,充量系数峰值项低速方向移动;进气管长度增加或管径减小,充量系数峰值项低速方向移动;反之,向高速方向移动反之,向高速方向移动 为了追求最佳的充量系数值,可以采用可变进气系统,以充为了追求最佳的充量系数值,可以采用可变进气系统,以充分利用进气谐振的效果,达到高速与低速性能的最优化比分利用进气谐振的效果,达到高速与低速性能的最优化比较常见的可变进气系统是通过改变进气管长度或流通截面的较常见的可变进气系统是通过改变进气管长度或流通截面的方式来实现,如图方式来实现,如图4—14—13 3所示在低速时控制阀保持关闭状所示在低速时控制阀保持关闭状态,气体从主气道流入发动机中;而高速时控制阀打开,气态,气体从主气道流入发动机中;而高速时控制阀打开,气体从主、副两个气道同时流入气缸中控制阀关闭时,相当体从主、副两个气道同时流入气缸中控制阀关闭时,相当于进气管流通截面减小,相应提高了低速充量系数于进气管流通截面减小,相应提高了低速充量系数( (图图4—4—1 13b)3b)进气谐振的利用进气谐振的利用 图4-11 进气谐振的利用进气谐振的利用 措施措施o1 1、、降低进气系统的流动阻力降低进气系统的流动阻力o2 2、、采用可变配气系统技术采用可变配气系统技术o3 3、合理利用进气谐振、合理利用进气谐振o4 4、降低排气系统的阻力、降低排气系统的阻力o5 5、减小对进气充量的加热、减小对进气充量的加热 认识现代轿车排气消声系统基本结构认识现代轿车排气消声系统基本结构 o降降低低排排气气系系统统阻阻力力,,可可以以使使气气缸缸内内的的残残余余废废气气压压力力下下降降,,这这样样不不仅仅可可以以减减少少残残余余废废气气系系数数,,有有利利于于提提高高充充量量系系数数,,而而且且可可以以减减少少泵泵气气损损失失,,提提高高指指示示效效率率。

      排排排排气气气气系系系系统统统统的的的的设设设设计计计计目标是目标是目标是目标是::降低排气背压,减小排气噪声降低排气背压,减小排气噪声降低排气背压,减小排气噪声降低排气背压,减小排气噪声o与进气系统一样,排气流通截面最小处是排气门座处,此与进气系统一样,排气流通截面最小处是排气门座处,此处的流速最高、压降最大,故在设计时应保证气门及其座处的流速最高、压降最大,故在设计时应保证气门及其座面的良好结构排气道应当是渐扩型,以保证排出气体的面的良好结构排气道应当是渐扩型,以保证排出气体的充分膨胀,从而降低气缸与排气管内的压力差,使得气缸充分膨胀,从而降低气缸与排气管内的压力差,使得气缸内的废气压力得以迅速下降,达到提高充量系数和降低泵内的废气压力得以迅速下降,达到提高充量系数和降低泵气损失的目的气损失的目的 4 4、、降低排气系统的流动阻力降低排气系统的流动阻力 o与与进进气气管管一一样样,,排排气气管管也也存存在在调调调调谐谐谐谐现现现现象象象象,,只只不不过过所所希希望望的的调调谐谐效效果果是是使使得得排排气气门门处处压压力力降降低低,,以以利利于于排排气气为为此此,,需需要要通通过过大大量量的的理理论论计计算算以以及及试试验验,,确确定定合合理理的的排排气气管管长长度,对于高速二冲程内燃机,这一点尤其重要。

      度,对于高速二冲程内燃机,这一点尤其重要o良良好好的的歧歧管管流流型型与与结结构构也也有有助助于于降降低低整整个个流流动动阻阻力力,,特特别别是是对对于于高高速速多多缸缸发发动动机机,,为为避避免免排排气气压压力力波波的的互互相相干干涉涉,,用用多多枝枝型型排排气气管管或或多多排排气气管管结结构构来来替替代代单单排排气气管管,,可可以以获获得的低速转矩与充量系数值得的低速转矩与充量系数值o在在排排气气管管中中往往往往还还有有消消声声器器和和排排气气后后处处理理器器((催催化化转转化化器器)),,设设计计时时应应该该保保证证足足够够的的消消声声与与降降污污效效果果的的前前提提下下,,尽尽可可能降低流动阻力能降低流动阻力4、降低排气系统的流动阻力、降低排气系统的流动阻力 措施措施o1 1、、降低进气系统的流动阻力降低进气系统的流动阻力o2 2、、采用可变配气系统技术采用可变配气系统技术o3 3、合理利用进气谐振、合理利用进气谐振o4 4、降低排气系统的阻力、降低排气系统的阻力o5 5、减小对进气充量的加热、减小对进气充量的加热 o在在进进气气的的过过程程中中,,进进入入气气缸缸的的新新鲜鲜充充量量将将会会被被各各种种高高温温表表面面所所加加热热而而温温度度升升高高。

      从从而而导导致致进进气气密密度度下下降降,,充充量量系系数数减减小小,,还还可可能能促促使使发发功功机机整整体体热热负负荷荷提提高高和和不不正正常常燃燃烧烧的的发发生生进进气气温温升升受受到到各各种种结结构构与与运运行行参参数数的的影影响响,,如如进进气气管管结结构构、、发发动机转速、负荷、冷却水温度动机转速、负荷、冷却水温度5 5、、减少对进气充量的加热减少对进气充量的加热o对于进气道喷射的汽油机以及柴油机,均采用进、排气管两对于进气道喷射的汽油机以及柴油机,均采用进、排气管两侧布置的方案,以提高充量系数侧布置的方案,以提高充量系数o对于高速内燃机,有时也采用进气冷却技术,以降低进气温对于高速内燃机,有时也采用进气冷却技术,以降低进气温度o增压内燃机则将进气中冷技术作为进一步提高增压压力、降增压内燃机则将进气中冷技术作为进一步提高增压压力、降低热负荷的重要途径之一低热负荷的重要途径之一 第四节第四节 内燃机的增压内燃机的增压o内内燃燃机机所所能能发发出出的的最最大大功功率率受受到到气气缸缸内内所所能能燃燃烧烧的的燃燃料料的的限限制制,,而而燃燃料料量量又又受受到到每每个个循循环环内内气气缸缸所所能能吸吸人人空空气气量量的的限限制制。

      如如果果空空气气能能在在进进入入气气缸缸前前得得到到压压缩缩而而使使其其密密度度增增大大、、则则同同样样的的气气缸缸工工作作容容积积可可以以容容纳纳更更多多的的新新鲜鲜充充量量,,从从而而就就可可以以多多供供给给燃燃料料,,得得到更大的输出功率这就是到更大的输出功率这就是增压的基本目的增压的基本目的o内内燃燃机机的的增增压压问问题题,,涉涉及及到到增增压压器器本本身身、、增增压压器器与与内内燃燃机机的的匹匹配配以以及及内内燃燃机机为为适适应应增增压压需需要要而而进进行行的的必要调整等内容,必要调整等内容, 增压器的直观认识增压器的直观认识 增压器的直观认识增压器的直观认识 内容提要o一、内燃机增压技术概述一、内燃机增压技术概述o二、涡轮增压器的工作特性二、涡轮增压器的工作特性o三、排气涡轮增压系统简介三、排气涡轮增压系统简介o四、涡轮增压器与内燃机的匹配四、涡轮增压器与内燃机的匹配o五、汽油机的增压技术五、汽油机的增压技术o六、机械增压六、机械增压 o增增压压技技术术萌萌生生于于1919世世纪纪,,在在2020世世纪纪初初期期得得到到初初步步应应用用随随着着材材料料科科学学及及制制造造技技术术的的进进步步,,柴柴油油机机的的涡涡轮轮增增压压技技木木在在2020世世纪纪中中叶叶开开始始走走向向大大规规模模商商业业应应用用、、并并逐逐步步推推广广到到汽汽油油机机中中。

      目目前前,,大大功功率率柴柴油油机机的的绝绝大大部部分分、、车车用用柴柴油油机机的的半半数数以以上上以以及及相相当当比比例例的的高高性性能能汽汽油油机机,,均采用了增压技术均采用了增压技术o一一般般而而言言,,增增压压后后的的功功率率可可比比原原机机提提高高40%~60%40%~60%甚甚至至更更多多发发动动机机的的平平均均有有效效压压力力可可达达到到3 3MPaMPa事事实实上上,,增增压压已已经经成成为为发发动动机机强强化化的的一一个个十十分分重重要要而而有有效效的的技技术术手段一、内燃机增压技术概述一、内燃机增压技术概述 一、内燃机增压技术概述一、内燃机增压技术概述o增压器结构:传统的径流涡轮和轴流涡轮,为了改增压器结构:传统的径流涡轮和轴流涡轮,为了改善涡轮效率和汽车加速性能,出现了轴向径向混流善涡轮效率和汽车加速性能,出现了轴向径向混流涡轮增压和可调喷嘴流通截面涡轮增压系统涡轮增压和可调喷嘴流通截面涡轮增压系统o喷嘴叶片角度可变,调整喷嘴出口气体流速和方向,喷嘴叶片角度可变,调整喷嘴出口气体流速和方向,解决低速转矩小、加速相应差、部分负荷的经济性解决低速转矩小、加速相应差、部分负荷的经济性。

      径流式径流式轴流式轴流式可调喷嘴可调喷嘴 一、内燃机增压技术概述一、内燃机增压技术概述o1、内燃机的增压方式、内燃机的增压方式o2、增压对内燃机动力性和经济性的影响、增压对内燃机动力性和经济性的影响o3、发动机增压技术的优势和代价、发动机增压技术的优势和代价 1 1 、内燃机的增压方式、内燃机的增压方式 根据方式的不同,内燃机增压可以分成以下类型:根据方式的不同,内燃机增压可以分成以下类型:(1)(1)机机械械增增压压 发发动动机机输输出出轴轴直直接接驱驱动动机机械械增增压压器器,,实实现现对对进气的压缩进气的压缩2)(2)排排气气涡涡轮轮增增压压 压压气气机机与与涡涡轮轮同同轴轴相相连连,,构构成成涡涡轮轮增增压压器器涡涡轮轮在在排排气气能能量量的的推推动动下下旋旋转转,,带带动动压压气气机机工工作作,,实现进气增压实现进气增压o近近年年发发展展了了电电机机驱驱动动耦耦合合涡涡轮轮增增压压::排排气气能能量量不不足足时时,,电电机机带带动动涡涡轮轮增增压压器器工工作作;;排排气气能能量量富富裕裕时时,,涡涡轮轮带带动动发电机发电,避免增压器超速或增压压力过高发电机发电,避免增压器超速或增压压力过高 内燃机增压器的几种基本形式内燃机增压器的几种基本形式机械增压机械增压一级涡轮增压一级涡轮增压二级涡轮增压二级涡轮增压复合增压复合增压 一、内燃机增压技术概述一、内燃机增压技术概述o1、内燃机的增压方式、内燃机的增压方式o2、增压对内燃机动力性和经济性的影响、增压对内燃机动力性和经济性的影响o3、发动机增压技术的优势和代价、发动机增压技术的优势和代价 内燃机的动力性指标(以有效功率Pe为代表)与经济性指标(以有效燃油消耗率be为代表)可以表示为 2、增压对经济性及动力性能的影响4-10 4-11 假设增压后发动机转速假设增压后发动机转速n和过量空气系数和过量空气系数φa保持不变保持不变增增压压后后换气过程形成正的泵气功,换气过程形成正的泵气功,指示热效率指示热效率ηit增加增加增压度增加,增压度增加, ηm增加增加增压度增加,增压度增加, ρs增加增加增压度增加,增压度增加, φc增加增加所所以以Pebe 一、内燃机增压技术概述一、内燃机增压技术概述o1、内燃机的增压方式、内燃机的增压方式o2、增压对内燃机动力性和经济性的影响、增压对内燃机动力性和经济性的影响o3、发动机增压技术的优势和代价、发动机增压技术的优势和代价 3 3、发动机增压技术的优势与代价、发动机增压技术的优势与代价1) 1) 输出功率可以以得到大幅度的提高,整机的比质量减小、升功率相应增大。

      输出功率可以以得到大幅度的提高,整机的比质量减小、升功率相应增大降低内燃机单位功率的造价,提高材料的利用率降低内燃机单位功率的造价,提高材料的利用率2)2) 排气可以在涡轮中获得进一步的膨胀,排气噪声有所降低排气可以在涡轮中获得进一步的膨胀,排气噪声有所降低3)3) 有利于内燃机在高原稀薄空气条件下恢复功率,以达到或接近平原性能有利于内燃机在高原稀薄空气条件下恢复功率,以达到或接近平原性能4)4) 压力升高比有所降低燃烧柔和,燃烧噪声有所降低压力升高比有所降低燃烧柔和,燃烧噪声有所降低5)5)过量空气系数较大,过量空气系数较大,HCHC、、COCO和烟度排放降低和烟度排放降低6 )6 )技术适用性广,从低速到高速、二冲程到四冲程、大缸径到小缸径.技术适用性广,从低速到高速、二冲程到四冲程、大缸径到小缸径.优势优势优势优势 代价代价o1)1)增增压压后后缸缸内内工工作作压压力力以以及及温温度度提提高高,,机机械械负负荷荷及及热热负负荷荷加加大大,,内燃机的可靠性受到严峻的考验内燃机的可靠性受到严峻的考验o2)2)低低速速时时由由于于排排气气能能量量不不足足,,可可能能会会使使发发动动机机的的低低速速转转矩矩受受到到影响影响, ,对车用发动机十分不利。

      对车用发动机十分不利o3)3)由由于于在在涡涡轮轮增增压压器器中中,,从从排排气气能能量量的的传传递递到到进进气气压压力力的的建建立立需要实践,内燃机的加速响应性能较非增压机型差需要实践,内燃机的加速响应性能较非增压机型差o4)4)增增压压发发动动机机性性能能的的进进一一步步优优化化..受受到到增增压压器器及及中中冷冷器器的的限限制制,,其其中中增增压压器器的的问问题题集集中中在在材材料料、、耐耐热热性性能能、、润润滑滑、、效效率率等等方方面面,,而中冷器则要求体积小、效率高、质量轻而中冷器则要求体积小、效率高、质量轻 内容提要o一、内燃机增压技术概述一、内燃机增压技术概述o二、涡轮增压器的工作特性(简介)二、涡轮增压器的工作特性(简介)o三、排气涡轮增压系统简介三、排气涡轮增压系统简介o四、涡轮增压器与内燃机的匹配四、涡轮增压器与内燃机的匹配o五、汽油机的增压技术五、汽油机的增压技术o六、机械增压六、机械增压 o涡轮增压器由压气机和涡轮两大部分组成根据排气在涡轮中流动方向的不同,排气涡轮增压器可以分为两大类,即径流式涡轮增压器和轴流式涡轮增压器一般大型柴油机多采用轴流式,以满足大流量、高效率的要求;而车用发动机多采用径流式,以适应高转速及较高响应性能的要求。

      增压器的压气机部分,一般都采用单级离心式结构图4—15是一个径流式祸轮增压器的示意图二、涡轮增压器的工作特性 离心式压气机的功用是提高气体的压力,它主要由进气道、离心式压气机的功用是提高气体的压力,它主要由进气道、工作轮、扩压器和出气蜗壳等部件组成工作轮、扩压器和出气蜗壳等部件组成( (图图4 4——1 16)6)首先,新鲜首先,新鲜充量沿截面收缩的轴向进气道进人工作轮.气流略有加速充量沿截面收缩的轴向进气道进人工作轮.气流略有加速( (图图4 4——1 16b6b中的位置中的位置1)1)然后,气流进人工作轮上叶片组成的气流然后,气流进人工作轮上叶片组成的气流通道由于工作轮的转速很高通道由于工作轮的转速很高( (一般为每分钟几万转.有时高达一般为每分钟几万转.有时高达每分钟几十万转每分钟几十万转) ),离心力的作用使得新鲜充量得到了很大的压,离心力的作用使得新鲜充量得到了很大的压缩,其压力、温度以及气流速度均有较大程度的增加缩,其压力、温度以及气流速度均有较大程度的增加( (图中位置图中位置2)2),这部分能量是由驱动,这部分能量是由驱动工工作轮的机械功转化而来,而机械功作轮的机械功转化而来,而机械功又是来源于与之间轴铀相连的涡轮。

      又是来源于与之间轴铀相连的涡轮 o然然后后,,压压力力提提高高了了的的气气体体沿沿y y作作轮轮径径向向流流出出,,进进人人扩扩压压器器和和出出气气蜗蜗壳壳由由于于两两者者均均是是截截面面逐逐渐渐增增大大的的通通道道,,气气体体所所拥拥有有动动能能的的大大部部分分会会在在其其中中转转变变为为压压力力能能、、这这样样,,压压力力得得以以进进一一步步升升高高..而而气气流流速速度度则则相相应应下下降降( (图图中中位位置置3 3、、4)4)::同同时时,,出出气气蜗蜗壳壳还还兼有收集流出的气体以便向内燃机进气管输送的目的兼有收集流出的气体以便向内燃机进气管输送的目的o由由此此可可见见,,新新鲜鲜充充量量在在压压气气机机中中完完成成了了一一系系列列的的功功能能转转换换,,并并将将涡涡轮轮机机传传给给压压气气工工作作轮轮的的机机械械能能,,尽尽可可能能多多地地转转变变为为充充量量的的压力能后续内容不介绍,自学或选修课程介绍后续内容不介绍,自学或选修课程介绍 内容提要o一、内燃机增压技术概述一、内燃机增压技术概述o二、涡轮增压器的工作特性(简介)二、涡轮增压器的工作特性(简介)o三、排气涡轮增压系统简介三、排气涡轮增压系统简介o四、涡轮增压器与内燃机的匹配四、涡轮增压器与内燃机的匹配o五、汽油机的增压技术五、汽油机的增压技术o六、机械增压六、机械增压 三、排气涡轮增压系统简介三、排气涡轮增压系统简介o燃料燃烧燃料燃烧25%的能量被排气带走,而其中的能量被排气带走,而其中可用能量约占排气总能量的可用能量约占排气总能量的60%。

      o排气涡轮增压器就是利用这部分能量实现对排气涡轮增压器就是利用这部分能量实现对进气的加压,增加进气密度,提高内燃机的进气的加压,增加进气密度,提高内燃机的各项性能指标各项性能指标o按照排气能量在涡轮中的利用方式,可分为按照排气能量在涡轮中的利用方式,可分为定压涡轮增压和脉冲涡轮增压定压涡轮增压和脉冲涡轮增压 涡轮增压的两种基本形式涡轮增压的两种基本形式a)定压系统定压系统 b)脉冲系统脉冲系统 三、排气涡轮增压系统简介三、排气涡轮增压系统简介o(一)定压涡轮增压系统(一)定压涡轮增压系统o(二)脉冲涡轮增压系统(二)脉冲涡轮增压系统o(三)定压系统和脉冲系统的比较(三)定压系统和脉冲系统的比较o(四)可变增压系统(四)可变增压系统 (一)定压涡轮增压系统(一)定压涡轮增压系统o定压涡轮增压系统是把内燃机所有气缸的排气收集定压涡轮增压系统是把内燃机所有气缸的排气收集到一个体积足够大的排气管内,然后再引入涡轮到一个体积足够大的排气管内,然后再引入涡轮尽管各缸是交替排气的,但由于排气管的稳压作用,尽管各缸是交替排气的,但由于排气管的稳压作用,涡轮人口处的压力基本不变,故称为定压增压系统。

      涡轮人口处的压力基本不变,故称为定压增压系统o下面根据增压柴油机的理论示功图,来说明定压增下面根据增压柴油机的理论示功图,来说明定压增压对内燃机排气能量的利用情况压对内燃机排气能量的利用情况 定压增压对内燃机排气能量的利用情况定压增压对内燃机排气能量的利用情况o3—a为吸气行程,吸入空气压力为为吸气行程,吸入空气压力为pb;;a—c—z’—z—b为燃烧、膨胀为燃烧、膨胀和做功,和做功,b—5为排气过程;为排气过程;o由于排气涡轮的存在排气背压即增压由于排气涡轮的存在排气背压即增压器前压力为器前压力为pT该压力对于定压增压该压力对于定压增压系统而言是恒定的,显然系统而言是恒定的,显然 o面积面积2-3-a-0系压缩进入内燃机气缸系压缩进入内燃机气缸内的空气所需的能量,面积内的空气所需的能量,面积i-g'-3-2则为压缩扫气空气所需的能量,故则为压缩扫气空气所需的能量,故压气机消耗的总能量为上述两部分之压气机消耗的总能量为上述两部分之和,由面积和,由面积i-g'-a-0表示 定压增压对内燃机排气能量的利用情况定压增压对内燃机排气能量的利用情况o排气中涡轮的可用能量应为涡轮排气中涡轮的可用能量应为涡轮前压力线与大气压力线所围成的前压力线与大气压力线所围成的面积面积i-g-e-f,它由三部分组成:,它由三部分组成:(1)面积面积i-g-4-2是扫气空气提是扫气空气提供的能量;供的能量;(2)面积面积2-4-5-1为为活塞强制推出排气所做的推出功,活塞强制推出排气所做的推出功,系发动机给予;系发动机给予;(3)面积面积1-5-e-f是真正取自燃气的能量。

      是真正取自燃气的能量 定压增压对内燃机排气能量的利用情况定压增压对内燃机排气能量的利用情况o燃气所具有的可用能为燃气所具有的可用能为1-b-f,它是,它是排气由排气门开启始点状态排气由排气门开启始点状态b等熵膨胀等熵膨胀到大气压力到大气压力f所能做的最大功定压系所能做的最大功定压系统仅能从损失的能量统仅能从损失的能量5-b-e-5中回收中回收一小部分热能,加热排气,从而使定一小部分热能,加热排气,从而使定压系统中排气的温度从压系统中排气的温度从e点提高至点提高至e’点,点,因此排气在涡轮中将沿着因此排气在涡轮中将沿着e’-f’线膨胀,线膨胀,涡轮可用能量的面积将增加一项涡轮可用能量的面积将增加一项e-e’-f’-f,因此,因此5-b-e-5中大部分能量不中大部分能量不可避免地损失了若采用高增压,使可避免地损失了若采用高增压,使增压压力和涡轮前的压力提高,即提增压压力和涡轮前的压力提高,即提高排气总管内的压力,上述损失将会高排气总管内的压力,上述损失将会降低,能量的利用率就会有所提高降低,能量的利用率就会有所提高 定压增压对内燃机排气能量的利用情况定压增压对内燃机排气能量的利用情况o涡轮前排气的可用能量面积涡轮前排气的可用能量面积i-g-e’-f’与与涡轮机效率的乘积才是涡轮机对压气机所涡轮机效率的乘积才是涡轮机对压气机所给出的功,压气机所消耗的功是面积给出的功,压气机所消耗的功是面积i-g'-a-0除以压气机效率和整个增压器的除以压气机效率和整个增压器的机械效率。

      要在增压压力较低、而增压器机械效率要在增压压力较低、而增压器的综合效率又不高时,实现涡轮与压气机的综合效率又不高时,实现涡轮与压气机之间的功率平衡就变得相当困难,其原因之间的功率平衡就变得相当困难,其原因就在于面积就在于面积5-b-e那块能量未能很好地利那块能量未能很好地利用 定压涡轮增压的主要优缺点定压涡轮增压的主要优缺点o主要优点是:主要优点是:涡轮在定压下全周进气,效率较高;气流涡轮在定压下全周进气,效率较高;气流引起的激振较小,不易引起叶片断裂;排气系统简单,引起的激振较小,不易引起叶片断裂;排气系统简单,成本较低,易于布置和维护成本较低,易于布置和维护o主要缺点是:主要缺点是:脉冲能量的利用率较低,试验表明,当增脉冲能量的利用率较低,试验表明,当增压压力较小时,定压增压系统仅仅利用了排气能量的压压力较小时,定压增压系统仅仅利用了排气能量的12%%~15%,高增压时可达%,高增压时可达30%以上此外,定压增%以上此外,定压增压的内燃机的低速转矩特性和加速性能较差压的内燃机的低速转矩特性和加速性能较差 三、排气涡轮增压系统简介三、排气涡轮增压系统简介o(一)定压涡轮增压系统(一)定压涡轮增压系统o(二)脉冲涡轮增压系统(二)脉冲涡轮增压系统o(三)定压系统和脉冲系统的比较(三)定压系统和脉冲系统的比较o(四)可变增压系统(四)可变增压系统 (二二)脉冲涡轮增压系统脉冲涡轮增压系统o脉冲涡轮增压系统旨在提高在定压系统中损脉冲涡轮增压系统旨在提高在定压系统中损失能量失能量(面积面积5-b-e)的利用率。

      这种方案的的利用率这种方案的特点是排气管做得短而细,排气系统容积要特点是排气管做得短而细,排气系统容积要尽可能小,使排气能直接迅速地进入涡轮机尽可能小,使排气能直接迅速地进入涡轮机中膨胀做功,减少节流损失此外,为减少中膨胀做功,减少节流损失此外,为减少各缸排气压力波的相互干扰,往往采用两根各缸排气压力波的相互干扰,往往采用两根或更多排气支管将相邻发火气缸的排气相互或更多排气支管将相邻发火气缸的排气相互隔开隔开 (二二)脉冲涡轮增压系统脉冲涡轮增压系统 发火顺序为发火顺序为1-5-3-6-2-4,,1、、2、、3缸共用一根排气管,缸共用一根排气管,4、、5、、6缸缸共用另一根排气管,例如当缸共用另一根排气管,例如当缸1开始排气后,排气管内的压力开始排气后,排气管内的压力pT,能够,能够迅速升高到接近缸内气体压力迅速升高到接近缸内气体压力p1,因而减少了排气的节流损失,而在缸,因而减少了排气的节流损失,而在缸1排气过程中,同一排气管内其他气缸尚无排气门打开,与另一排气管排气过程中,同一排气管内其他气缸尚无排气门打开,与另一排气管中缸中缸5排气也不产生排气压力波的相互干扰随着排气流入涡轮,缸内排气也不产生排气压力波的相互干扰。

      随着排气流入涡轮,缸内和排气管内压力和排气管内压力pT迅速下降,待到同一排气管内相邻发火间隔的气缸迅速下降,待到同一排气管内相邻发火间隔的气缸3开始排气时,缸开始排气时,缸1排气门已经关闭,缸排气门已经关闭,缸3的排气压力波不会影响缸的排气压力波不会影响缸1的排的排气过程随着缸气过程随着缸3排气的进行,管内的压力排气的进行,管内的压力PT,又迅速升高,而后又降,又迅速升高,而后又降低,于是形成了排气管内的压力周期性脉动由于排气管内的压力周期低,于是形成了排气管内的压力周期性脉动由于排气管内的压力周期性脉动,造成涡轮进口压力的周期性脉动,涡轮是在进口压力有较大波性脉动,造成涡轮进口压力的周期性脉动,涡轮是在进口压力有较大波动的情况下工作的,所以称为脉冲涡轮增压系统动的情况下工作的,所以称为脉冲涡轮增压系统 脉冲涡轮增压系统的优势脉冲涡轮增压系统的优势o脉冲系统比定压系统能更好地利用内燃机的排气能量,且排气管容积越小越好,以至于近年来出现了一种将增压器与排气管作成一体的紧凑结构o一般而言,当排气系统设计较好时,在定压系统所损失的可用能量5-b-e中,大约有40%~50%可以在脉冲系统中得到利用,因此涡轮的可用能量大,可以建立的增压压力pb就高。

      o如果要求同样的增压压力pb,那么在脉冲系统中就可以放大涡轮喷嘴环的截面积,使排气管的排空更快,从而减小排气背压,改善内燃机的扫气性能 三、排气涡轮增压系统简介三、排气涡轮增压系统简介o(一)定压涡轮增压系统(一)定压涡轮增压系统o(二)脉冲涡轮增压系统(二)脉冲涡轮增压系统o(三)定压系统和脉冲系统的比较(三)定压系统和脉冲系统的比较o(四)可变增压系统(四)可变增压系统 (三)定压系统和脉冲系统的比较(三)定压系统和脉冲系统的比较1.排气能量利用排气能量利用2.扫气作用扫气作用3.内燃机的加速性能内燃机的加速性能4.增压器的效率增压器的效率5.增压系统的结构增压系统的结构 1、排气能量利用、排气能量利用o脉冲涡轮增压系统中,由于排气节流所造成的排气能量的脉冲涡轮增压系统中,由于排气节流所造成的排气能量的损失比定压增压系统的小,同时还考虑了对排气脉冲能量损失比定压增压系统的小,同时还考虑了对排气脉冲能量的利用,而在定压涡轮增压系统中,脉冲能量由于排气管的利用,而在定压涡轮增压系统中,脉冲能量由于排气管容积大而几乎损失殆尽,所以脉冲增压对排气能量的利用容积大而几乎损失殆尽,所以脉冲增压对排气能量的利用比定压增压要好。

      比定压增压要好o但当增压比提高时,定压系统排气管内的压力也相应提高,但当增压比提高时,定压系统排气管内的压力也相应提高,排气能量的损失有所下降,且脉冲能量在排气能量中所占排气能量的损失有所下降,且脉冲能量在排气能量中所占的比重也随增压比的增加而减小,所以两种系统对排气能的比重也随增压比的增加而减小,所以两种系统对排气能量的利用效果将随增压比的提高而逐渐接近量的利用效果将随增压比的提高而逐渐接近o一般而言,当增压比小于一般而言,当增压比小于2.5时,采用脉冲增压系统对排时,采用脉冲增压系统对排气能量的利用比较好气能量的利用比较好 2.扫气作用.扫气作用 o在内燃机气门叠开扫气期间在内燃机气门叠开扫气期间(图图4-25a),脉冲系统的排气管,脉冲系统的排气管压力压力pT正处于波谷,因此即使在部分负荷工况下,仍能保持正处于波谷,因此即使在部分负荷工况下,仍能保持足够的扫气压力差足够的扫气压力差pb-pT,以保证气缸有良好的扫气,达到,以保证气缸有良好的扫气,达到提高充量系数、减小燃烧室中受热零件热负荷的目的而在提高充量系数、减小燃烧室中受热零件热负荷的目的而在定压系统中由于排气管压力定压系统中由于排气管压力pT,波动小,波动小(图图4-25b),扫气压,扫气压力差小力差小(比较图比较图4-25a、、b的阴影部分面积的阴影部分面积),不容易保证气,不容易保证气缸内的扫气质量。

      缸内的扫气质量 3.内燃机的加速性能.内燃机的加速性能o在脉冲增压系统中,由于排气管容积较小,当内燃机负荷改变在脉冲增压系统中,由于排气管容积较小,当内燃机负荷改变时,排气温度和压力的变化很快传递到涡轮机,并由涡轮直接时,排气温度和压力的变化很快传递到涡轮机,并由涡轮直接反映到压气机,从而使增压器能较快响应发动机负荷的变化,反映到压气机,从而使增压器能较快响应发动机负荷的变化,所以采用脉冲增压系统的内燃机加速性能好所以采用脉冲增压系统的内燃机加速性能好o在内燃机转速降低时,脉冲增压系统的可用能与定压增压系统在内燃机转速降低时,脉冲增压系统的可用能与定压增压系统的可用能之比增大,有利于改善内燃机的转矩特性在排气管的可用能之比增大,有利于改善内燃机的转矩特性在排气管容积较大的定压系统中,涡轮机前的压力变化比较缓慢,特别容积较大的定压系统中,涡轮机前的压力变化比较缓慢,特别是在低增压时,排气能量的利用率低,加速性能差是在低增压时,排气能量的利用率低,加速性能差o定压系统的转矩特性也不如脉冲系统定压系统的转矩特性也不如脉冲系统 4.增压器的效率.增压器的效率o从排气涡轮的效率来看,脉冲系统的平均等熵效率比定压系统从排气涡轮的效率来看,脉冲系统的平均等熵效率比定压系统略低。

      略低o脉冲系统在内燃机开始排气时,排气以很高的流速进入涡轮,脉冲系统在内燃机开始排气时,排气以很高的流速进入涡轮,流动损失增加;流动损失增加;o涡轮前的排气温度和压力都是周期性脉动的,进入工作轮叶片涡轮前的排气温度和压力都是周期性脉动的,进入工作轮叶片的排气流动方向也是周期性地改变,这使得气流的撞击损失增的排气流动方向也是周期性地改变,这使得气流的撞击损失增加;加;o脉动的压力有时还造成涡轮机的部分进气现象,因此脉冲系统脉动的压力有时还造成涡轮机的部分进气现象,因此脉冲系统的热效率较低的热效率较低o定压增压系统的涡轮前压力恒定,且涡轮喷嘴环全周进气,涡定压增压系统的涡轮前压力恒定,且涡轮喷嘴环全周进气,涡轮的效率较高轮的效率较高 5.增压系统的结构.增压系统的结构o与定压系统相比,脉冲系统的尺寸较大,排气管的结构与定压系统相比,脉冲系统的尺寸较大,排气管的结构也比较复杂也比较复杂o综上所述,内燃机在低增压时宜采用脉冲增压系统,高综上所述,内燃机在低增压时宜采用脉冲增压系统,高增压时两种系统均可采用车用发动机大部分时间是在增压时两种系统均可采用车用发动机大部分时间是在部分负荷下工作,对加速性能和转矩特性要求较高,故部分负荷下工作,对加速性能和转矩特性要求较高,故较多采用脉冲增压系统。

      对于船用、发电等场合,由于较多采用脉冲增压系统对于船用、发电等场合,由于变工况要求并不突出,对增压系统的空间安装位置也无变工况要求并不突出,对增压系统的空间安装位置也无严格限制,且增压度一般较高,故多采用定压增压系统严格限制,且增压度一般较高,故多采用定压增压系统 三、排气涡轮增压系统简介三、排气涡轮增压系统简介o(一)定压涡轮增压系统(一)定压涡轮增压系统o(二)脉冲涡轮增压系统(二)脉冲涡轮增压系统o(三)定压系统和脉冲系统的比较(三)定压系统和脉冲系统的比较o(四)可变增压系统(四)可变增压系统 (四)可变增压系统(四)可变增压系统o一般增压器喷嘴叶片固定,工况变化,流通面积和排气出口一般增压器喷嘴叶片固定,工况变化,流通面积和排气出口速度方向不变,低速时,系统增压压力降低,动力性下降,速度方向不变,低速时,系统增压压力降低,动力性下降,加速响应差,高速高负荷需要放气,避免超速和超压加速响应差,高速高负荷需要放气,避免超速和超压o可变流通截面涡轮增压器(可变流通截面涡轮增压器(Variable Nozzle Geometry Turbocharger-VNT/VGT)喷嘴叶片可)喷嘴叶片可以电控调节:低速低负荷,减小喷嘴叶片流通截面积,排以电控调节:低速低负荷,减小喷嘴叶片流通截面积,排气流速提高,气流速度方向与叶片设计的入射角度更加接气流速提高,气流速度方向与叶片设计的入射角度更加接近,效率提高,改善低速性能;高负荷工况,扩大喷嘴流近,效率提高,改善低速性能;高负荷工况,扩大喷嘴流通面积,降低流速,减小排气与涡轮的撞击损失,避免超通面积,降低流速,减小排气与涡轮的撞击损失,避免超速和超压,且减小排气流动阻力以减小泵气损失。

      速和超压,且减小排气流动阻力以减小泵气损失 (四)可变增压系统(四)可变增压系统 (四)可变增压系统(四)可变增压系统 内容提要o一、内燃机增压技术概述一、内燃机增压技术概述o二、涡轮增压器的工作特性(简介)二、涡轮增压器的工作特性(简介)o三、排气涡轮增压系统简介三、排气涡轮增压系统简介o四、涡轮增压器与内燃机的匹配(了解)四、涡轮增压器与内燃机的匹配(了解)o五、汽油机的增压技术五、汽油机的增压技术o六、机械增压六、机械增压 四、涡轮增压器与内燃机的匹配四、涡轮增压器与内燃机的匹配(内涵)(内涵)o内燃机与涡轮增压器之间没有机械联系,只有气动联系,即内燃机与涡轮增压器之间没有机械联系,只有气动联系,即只通过内燃机的进排气流动将二者联系起来只通过内燃机的进排气流动将二者联系起来o内燃机的工作特性参数是用内燃机的工作特性参数是用转速和负荷转速和负荷来表示的,来表示的,不同的转不同的转速和负荷下排气的流量和温度不同,即排气能量不同速和负荷下排气的流量和温度不同,即排气能量不同,通过,通过增压器转换后,反过来影响进气状态,进而又影响发动机的增压器转换后,反过来影响进气状态,进而又影响发动机的性能及排气状态,在稳定工况下达到一种平衡。

      性能及排气状态,在稳定工况下达到一种平衡o内燃机的转速范围是从内燃机的转速范围是从最低稳定转速到标定转速最低稳定转速到标定转速,甚至更高,,甚至更高,其其负荷变化可以从零到满负荷负荷变化可以从零到满负荷,要使增压内燃机有良好的性,要使增压内燃机有良好的性能,就必须使涡轮与压气机的联合运行工作特性在宽广的范能,就必须使涡轮与压气机的联合运行工作特性在宽广的范围内与内燃机有良好的配合,彼此适应,这就是所谓的围内与内燃机有良好的配合,彼此适应,这就是所谓的涡轮涡轮增压器与发动机的增压器与发动机的““匹配匹配”” 四、涡轮增压器与内燃机的匹配四、涡轮增压器与内燃机的匹配(要求)(要求)o1)1)设计工况下的增压压力、空气流量、发动机功率和燃油消耗率设计工况下的增压压力、空气流量、发动机功率和燃油消耗率等参数达到设计要求等参数达到设计要求o2)2)部分负荷工况有较好的性能高负荷时,发动机不超出冒烟极部分负荷工况有较好的性能高负荷时,发动机不超出冒烟极限,燃油经济性好限,燃油经济性好o3)3)涡轮增压器应在内燃机的各种工况下都能高效率地运行内燃涡轮增压器应在内燃机的各种工况下都能高效率地运行内燃机与涡轮增压器的联合运行线应穿过压气机特性的高效率区,且机与涡轮增压器的联合运行线应穿过压气机特性的高效率区,且尽可能和压气机的等效率曲线相平行,无喘振和堵塞现象。

      尽可能和压气机的等效率曲线相平行,无喘振和堵塞现象o4)4)涡轮增压器和内燃机应能在各种工况下稳定、可靠地工作,无涡轮增压器和内燃机应能在各种工况下稳定、可靠地工作,无增压器超速、柴油机最高燃烧压力超高现象,排温及零件热负荷增压器超速、柴油机最高燃烧压力超高现象,排温及零件热负荷在合理的范围内在合理的范围内o5)5)对于车用发动机,还要求发动机的外特性具有足够的转矩储备对于车用发动机,还要求发动机的外特性具有足够的转矩储备和转速储备和转速储备, ,以及瞬态加速响应性能以及瞬态加速响应性能匹配细节不介绍,自学或选修课程介绍匹配细节不介绍,自学或选修课程介绍 内容提要o一、内燃机增压技术概述一、内燃机增压技术概述o二、涡轮增压器的工作特性(简介)二、涡轮增压器的工作特性(简介)o三、排气涡轮增压系统简介三、排气涡轮增压系统简介o四、涡轮增压器与内燃机的匹配四、涡轮增压器与内燃机的匹配o五、汽油机的增压技术五、汽油机的增压技术o六、机械增压六、机械增压 从排气能量利用的观点看,汽油机的从排气能量利用的观点看,汽油机的涡轮增压与柴油机相比并没有本质的区涡轮增压与柴油机相比并没有本质的区别,但长期以来,涡轮增压技术除了在别,但长期以来,涡轮增压技术除了在赛车发动机和高性能轿车发动机中得到赛车发动机和高性能轿车发动机中得到应用外,在其他应用领域,其普及性远应用外,在其他应用领域,其普及性远不如柴油机。

      究其原因,是由于两种发不如柴油机究其原因,是由于两种发动机在工作过程中的不同特点所决定的动机在工作过程中的不同特点所决定的限制汽油机增压的主要技术障碍是爆限制汽油机增压的主要技术障碍是爆燃、热负荷和增压器的特殊要求等方面燃、热负荷和增压器的特殊要求等方面五、汽油机的增压技术五、汽油机的增压技术 o汽油机增压后,由于混合气压缩始点的压力、温度增高,以汽油机增压后,由于混合气压缩始点的压力、温度增高,以及燃烧室受热零件热负荷提高等原因,将促使爆燃的发生及燃烧室受热零件热负荷提高等原因,将促使爆燃的发生为此,必须采用为此,必须采用降低压缩比、推迟点火时刻、采用进气中冷降低压缩比、推迟点火时刻、采用进气中冷等技术措施,但相应会带来热效率下降、排温过高、成本增等技术措施,但相应会带来热效率下降、排温过高、成本增加等不利影响正因为如此.汽油机的增压比一般比柴油机加等不利影响正因为如此.汽油机的增压比一般比柴油机低得多,一般不超过低得多,一般不超过2 2,这样,功率最高增加幅度约为,这样,功率最高增加幅度约为40%~50%40%~50%,而燃油经济性则不一定有所改善而燃油经济性则不一定有所改善o目前采用缸内直喷技术、爆燃传感器的使用,缓解了控制爆目前采用缸内直喷技术、爆燃传感器的使用,缓解了控制爆燃的难度燃的难度1 1.爆燃.爆燃 o汽油机的过量空气系数小.燃烧温度高,膨胀比小,排气温度汽油机的过量空气系数小.燃烧温度高,膨胀比小,排气温度也比柴油机高也比柴油机高200º~300ºC200º~300ºC。

      增压后.汽油机的整体温度水平提增压后.汽油机的整体温度水平提高,热负荷问题加重同时,为避免可燃混合气的损失,一般高,热负荷问题加重同时,为避免可燃混合气的损失,一般气门叠开角不大,燃烧室的扫气作用不明显,因此,增压汽油气门叠开角不大,燃烧室的扫气作用不明显,因此,增压汽油机的排气门、活塞、涡轮等处的热负荷均比增压柴油机严重机的排气门、活塞、涡轮等处的热负荷均比增压柴油机严重o为此,汽油机在进行涡轮增压时,一般都采用为此,汽油机在进行涡轮增压时,一般都采用涡轮前放气的调涡轮前放气的调节方案节方案,以抑制发动机高速、高负荷时增比压力的过度增长,,以抑制发动机高速、高负荷时增比压力的过度增长,这不仅是限制最高燃烧压力的需要,也是抑制爆燃、降低热负这不仅是限制最高燃烧压力的需要,也是抑制爆燃、降低热负荷的需要荷的需要2 2.热负荷.热负荷 o汽油机增压比低、流量范围广、热负荷高、最高转速高且转速变汽油机增压比低、流量范围广、热负荷高、最高转速高且转速变化范围大,这就要求增压器体积要小、耐高温性能要好、转动惯化范围大,这就要求增压器体积要小、耐高温性能要好、转动惯量要小,同时效率还要保证在一定的范围内,还要求有增压调节量要小,同时效率还要保证在一定的范围内,还要求有增压调节装置。

      装置o实际上,汽油机增压技术的应用与进步,很大程度上取决于高性实际上,汽油机增压技术的应用与进步,很大程度上取决于高性能涡轮增压器的发展情况汽油机的增压技术在过去的能涡轮增压器的发展情况汽油机的增压技术在过去的2020年中获年中获得了重大的突破,各种装备增压汽油机的高性能轿车陆续维出得了重大的突破,各种装备增压汽油机的高性能轿车陆续维出统计数据显示,目前全世界的增压汽油机已经占到厂汽油机总量统计数据显示,目前全世界的增压汽油机已经占到厂汽油机总量的的20%20%随着电子控制技术以及发动机管理系统的大规模应用,随着电子控制技术以及发动机管理系统的大规模应用,以及高性能增压器的不断出现,汽油机增压技术的发展将有一个以及高性能增压器的不断出现,汽油机增压技术的发展将有一个新的局面新的局面3 3.对增压器的特殊要求.对增压器的特殊要求 汽油机增压器汽油机增压器 双增压汽油机样机双增压汽油机样机 内容提要o一、内燃机增压技术概述一、内燃机增压技术概述o二、涡轮增压器的工作特性(简介)二、涡轮增压器的工作特性(简介)o三、排气涡轮增压系统简介三、排气涡轮增压系统简介o四、涡轮增压器与内燃机的匹配四、涡轮增压器与内燃机的匹配o五、汽油机的增压技术五、汽油机的增压技术o六、机械增压六、机械增压 六、机械增压六、机械增压o机械增压低速性能、加速性能好,近年应用,其原机械增压低速性能、加速性能好,近年应用,其原因:因:1.材料及制造水平提高,机械增压器体积和噪声减小,材料及制造水平提高,机械增压器体积和噪声减小,效率和寿命增加;效率和寿命增加;2.小排量发动机采用涡轮增压难度大,机械增压器比小排量发动机采用涡轮增压难度大,机械增压器比涡轮增压具有更好的动力、转矩和经济性;涡轮增压具有更好的动力、转矩和经济性;3.对于安装后处理装置的发动机,机械增压系统对排对于安装后处理装置的发动机,机械增压系统对排气系统无需改动。

      气系统无需改动o分类:螺杆式、涡旋式、旋转活塞式、刮片式等,分类:螺杆式、涡旋式、旋转活塞式、刮片式等,前两者体积小、机械损失小、噪音低前两者体积小、机械损失小、噪音低 各种机械增压器结构各种机械增压器结构螺杆式螺杆式涡旋式涡旋式旋转活塞式旋转活塞式螺杆式螺杆式刮片式刮片式 第五节第五节 二冲程内燃机的换气二冲程内燃机的换气o二冲程内燃机换气过程:该过程助工作顺二冲程内燃机换气过程:该过程助工作顺序是:在膨胀行程的末期,活塞下行.首序是:在膨胀行程的末期,活塞下行.首先打开排气口,开始排气,而后扫气口开先打开排气口,开始排气,而后扫气口开启,具有一定压力的新鲜充量由扫气口流启,具有一定压力的新鲜充量由扫气口流人气缸,并强迫废气由排气口流出,进行人气缸,并强迫废气由排气口流出,进行充量更换,然后,活塞到达下止点后又上充量更换,然后,活塞到达下止点后又上行,依次将扫气口和排气口关闭,换气过行,依次将扫气口和排气口关闭,换气过程结束新鲜充量由扫气泵提供,力气泵程结束新鲜充量由扫气泵提供,力气泵的作用是对新鲜无量进行压缩,使其压力的作用是对新鲜无量进行压缩,使其压力提高后,再进入气缸提高后,再进入气缸。

      一、二冲程内燃机的换气过程一、二冲程内燃机的换气过程 二冲程汽油机工作原理二冲程汽油机工作原理 二冲程柴油机工作原理二冲程柴油机工作原理 二冲程内燃机换气过程示意图二冲程内燃机换气过程示意图 o从排气口开启直到新鲜充量进入气缸为止,称为自由排气从排气口开启直到新鲜充量进入气缸为止,称为自由排气阶段排气口一般在下止点前阶段排气口一般在下止点前60º~75º(CA)60º~75º(CA)开启,排气口开启,排气口刚开启时,气缸内压力较高,约为刚开启时,气缸内压力较高,约为300~600kPa300~600kPa,压力比,压力比pbpb/pr/pr超过临界值,气缸内的燃气以声速流出在该阶段,超过临界值,气缸内的燃气以声速流出在该阶段,排气流量与排气管内的气体状态无关.只取决于缸内气体排气流量与排气管内的气体状态无关.只取决于缸内气体的状态和排气口流通截面的大小在自由排气阶段的状态和排气口流通截面的大小在自由排气阶段, ,缸内缸内燃气可以流出大约燃气可以流出大约70%~80%70%~80%,所以它是二冲程内燃机换气,所以它是二冲程内燃机换气过程的一个重要阶段过程的一个重要阶段1. 1. 自由排气阶段自由排气阶段 o当气缸压力下降到稍低于扫气压力当气缸压力下降到稍低于扫气压力psps时,扫气口开启,新鲜无量时,扫气口开启,新鲜无量进入气缸,直到活塞下行到下止点后再上行将扫气口关闭为止,进入气缸,直到活塞下行到下止点后再上行将扫气口关闭为止,即是所谓的扫气与强制排气阶段:在这即是所谓的扫气与强制排气阶段:在这——阶段,除利用扫气气体阶段,除利用扫气气体强制将废气排出气缸外,还要充入新鲜充量。

      在这一阶段初期,强制将废气排出气缸外,还要充入新鲜充量在这一阶段初期,扫气口开度很小,而排气口已开大,主要的流动阻力在扫气口扫气口开度很小,而排气口已开大,主要的流动阻力在扫气口随着活塞的下行及废气的迅速外流.缸内气体压力骤降,有可能随着活塞的下行及废气的迅速外流.缸内气体压力骤降,有可能形成相当高的真空度,此时出于扫气口开度也已经加大,可以使形成相当高的真空度,此时出于扫气口开度也已经加大,可以使新鲜充量急速流人气缸中随后,扫气口与排气口开度均较大,新鲜充量急速流人气缸中随后,扫气口与排气口开度均较大,扫气气流经过扫气口进入气缸,将缸内废气从排气口压向排气管,扫气气流经过扫气口进入气缸,将缸内废气从排气口压向排气管,实现气缸扫气实现气缸扫气2. 2. 扫气阶段扫气阶段 o发动机的后燃以及废气与缸壁、废气与新鲜充量的热发动机的后燃以及废气与缸壁、废气与新鲜充量的热交换,加上排气管内的压力波动等等,都会给扫气和交换,加上排气管内的压力波动等等,都会给扫气和强制排气带来影响因此,合理设计一台燃烧良好而强制排气带来影响因此,合理设计一台燃烧良好而又扫气完善的二冲程内燃机,需要进行细致的理论研又扫气完善的二冲程内燃机,需要进行细致的理论研究和大量的调整试验工作。

      究和大量的调整试验工作2. 2. 扫气阶段扫气阶段 o从扫气口关闭到排气口关闭期间,称为过后排气阶段一般二从扫气口关闭到排气口关闭期间,称为过后排气阶段一般二冲程发动机扫气口关闭时刻早于排气口,这时由于活塞上行的冲程发动机扫气口关闭时刻早于排气口,这时由于活塞上行的排挤和排气气流的惯性作用,一部分废气或新鲜充量与废气的排挤和排气气流的惯性作用,一部分废气或新鲜充量与废气的混合气可以继续被排出,直到排气口关闭为止对于扫气口关混合气可以继续被排出,直到排气口关闭为止对于扫气口关闭时刻晚于排气口的发动机而言,由于可以获得新鲜充量的额闭时刻晚于排气口的发动机而言,由于可以获得新鲜充量的额外加入,故这一阶段被称为过后充气阶段外加入,故这一阶段被称为过后充气阶段o通常,该阶段所持续的时间较短由于活塞已经开始上行,缸通常,该阶段所持续的时间较短由于活塞已经开始上行,缸内气体受到压缩而压力提高,这对过后排电是有利的而不利于内气体受到压缩而压力提高,这对过后排电是有利的而不利于过后充气:要达到过后充气的目的.就必须提高扫气泵的扫气过后充气:要达到过后充气的目的.就必须提高扫气泵的扫气压力,相应地增加扫气泵消耗的机械功。

      压力,相应地增加扫气泵消耗的机械功3 3.过后排气或过后充气阶段.过后排气或过后充气阶段 o二冲程内燃机的换气过程与四冲程相比,有下列问题:二冲程内燃机的换气过程与四冲程相比,有下列问题:o(1)(1)换气时间短换气时间短 二冲程内燃机的换气过程持续的时间为二冲程内燃机的换气过程持续的时间为120º~150º120º~150º((CACA),而四冲),而四冲程内燃机的换气时间为程内燃机的换气时间为400º~500º400º~500º((CACA),前者明显短于后者由于换),前者明显短于后者由于换气时间短,换气质量较差,从气门叠开角占整个内燃机换气时间的比例气时间短,换气质量较差,从气门叠开角占整个内燃机换气时间的比例来看,非增压内燃机约为来看,非增压内燃机约为3%~8%3%~8%,增压内燃机为,增压内燃机为20%~30%20%~30%,而二冲程内燃,而二冲程内燃机达到了机达到了70%~80%70%~80%这就意味着在扫气期间,将会较多的新鲜充量经过这就意味着在扫气期间,将会较多的新鲜充量经过排气门直接流人排气管中,增加了空气消耗量排气门直接流人排气管中,增加了空气消耗量( (对于柴油机而言对于柴油机而言) )或混合或混合气消耗量气消耗量( (对于汽油机而言对于汽油机而言) )。

      这也是为什么同等功率下,与二冲程增压这也是为什么同等功率下,与二冲程增压发动机所匹配的增压器比四冲程发动机流量大的原因发动机所匹配的增压器比四冲程发动机流量大的原因二、二冲程内燃机换气过程的特点二、二冲程内燃机换气过程的特点 o(2)(2)进、排气过程同时进行进、排气过程同时进行 四冲程内燃机的换气过程在两个不四冲程内燃机的换气过程在两个不同的活塞行程中进行.新鲜充量与废气掺混的机会较少,换气终同的活塞行程中进行.新鲜充量与废气掺混的机会较少,换气终了时残余废气系数较小;而二冲程内燃机换气时活塞在下止点附了时残余废气系数较小;而二冲程内燃机换气时活塞在下止点附近,进、排气过程同时进行,新鲜充量与废气易于掺混,残余废近,进、排气过程同时进行,新鲜充量与废气易于掺混,残余废气系数比较大气系数比较大o(3)(3)扫气消耗功大扫气消耗功大 尽管二冲程内燃机无泵气损失,但消耗的空尽管二冲程内燃机无泵气损失,但消耗的空气量大,扫气泵耗功多,使得其指示热效率明显低于四冲程内燃气量大,扫气泵耗功多,使得其指示热效率明显低于四冲程内燃机,因此燃油消耗率较高机,因此燃油消耗率较高o(4) (4) 二冲程汽油机的二冲程汽油机的HCHC排放高排放高 对于二冲程汽油机而言,由于在对于二冲程汽油机而言,由于在扫气期间有较多新华充星短路而直接流入排气管,导致其未燃扫气期间有较多新华充星短路而直接流入排气管,导致其未燃HCHC排放远高于四冲程发动机。

      排放远高于四冲程发动机二、二冲程内燃机换气过程的特点二、二冲程内燃机换气过程的特点 三、换气过程质量评价参数三、换气过程质量评价参数o1 1.扫气系数.扫气系数o 扫气系数的定义为:换气过程结束后扫气系数的定义为:换气过程结束后, , 留在气缸内的留在气缸内的新鲜充量的质量新鲜充量的质量m0m0与缸内气体总质量与缸内气体总质量mgmg的比值,即的比值,即 式中,式中, m mr r是残余废气质量是残余废气质量o 是衡量扫气效果优劣的重要标志是衡量扫气效果优劣的重要标志 越大,扫越大,扫气效果越好,极限情况是气效果越好,极限情况是s s==1 1,则,则m0=0m0=0,意味着完全扫,意味着完全扫气,残余废气系数为零气,残余废气系数为零 2.过量扫气系数(给气比)o过量扫气系数,通常用每循环流过扫气口的充量质量过量扫气系数,通常用每循环流过扫气口的充量质量m mk k与扫气与扫气状态状态( (p ps s,T,Ts s) )下气缸冲程容积的充量质量下气缸冲程容积的充量质量m ms s之比来表示,即之比来表示,即o显然、过量扫气系数是指扫气总量占进气量的比值,故又称给显然、过量扫气系数是指扫气总量占进气量的比值,故又称给气比。

      由于二冲程力气是过量的,故该值一般为气比由于二冲程力气是过量的,故该值一般为1.2~1.51.2~1.5换气系统越完善,能达到同样换气效果的系统越完善,能达到同样换气效果的 越小,消耗于驱动扫越小,消耗于驱动扫气泵的功率也越小气泵的功率也越小o对于理想换气系统的要求,应当是在尽可能小的过量扫气系数对于理想换气系统的要求,应当是在尽可能小的过量扫气系数的前提下,获得尽可能高的扫气系数,降低残余废气系数的前提下,获得尽可能高的扫气系数,降低残余废气系数 o根据新鲜充量在气根据新鲜充量在气缸中流动的性质,缸中流动的性质,二冲程内燃机的换二冲程内燃机的换气方案可以分为横气方案可以分为横流扫气、回流扫气流扫气、回流扫气和直流扫气三种,和直流扫气三种,如图如图4—324—32所示四、不同换气方案的比较四、不同换气方案的比较 o扫气口与排气口布置在气缸圆扫气口与排气口布置在气缸圆周相对的两个壁而上为了使周相对的两个壁而上为了使扫气进行得完善,扫气口在纵扫气进行得完善,扫气口在纵横方向均有倾斜角,以控制气横方向均有倾斜角,以控制气流流入气缸的方向由于扫、流流入气缸的方向由于扫、排气定时对称.扫气口比排气排气定时对称.扫气口比排气口早关,会使本来进入气缸的口早关,会使本来进入气缸的新鲜充量外逸一部分,产生过新鲜充量外逸一部分,产生过后排气.而在气缸顶部区域易后排气.而在气缸顶部区域易于残留废气,在扫气口与排气于残留废气,在扫气口与排气口之间易产生扫气短路,换气口之间易产生扫气短路,换气效果差。

      效果差1 1.横流扫气.横流扫气 o扫气口不是正对着排气口设置,扫气口不是正对着排气口设置,而是扫气口与排气口位于气缸同而是扫气口与排气口位于气缸同侧扫气门也在纵横方向有倾斜侧扫气门也在纵横方向有倾斜角.使扫气气流的主流在气缸内角.使扫气气流的主流在气缸内沿活塞顶和气缸壁流动时转弯而沿活塞顶和气缸壁流动时转弯而形成回流.将废气由排气口挤出形成回流.将废气由排气口挤出这样,可以部分克服横流扫气时这样,可以部分克服横流扫气时大量新鲜无量短路的缺点,扫气大量新鲜无量短路的缺点,扫气效果要比横流扫气好得多同时,效果要比横流扫气好得多同时,其结构简单,制造方便.在小型其结构简单,制造方便.在小型高速汽油机上获得广泛应用高速汽油机上获得广泛应用2 2.回流扫气.回流扫气 o某些小型单缸风冷二冲程柴油机,广泛采用曲轴箱二孔式某些小型单缸风冷二冲程柴油机,广泛采用曲轴箱二孔式扫气方案,如图扫气方案,如图4—334—33所示:从扫气型式上说,它也是横流所示:从扫气型式上说,它也是横流或回流扫气,只是用曲轴箱来代替扫气泵而已当活塞上或回流扫气,只是用曲轴箱来代替扫气泵而已当活塞上行进行压缩时,曲轴箱容积增大,产生真空度,混合气通行进行压缩时,曲轴箱容积增大,产生真空度,混合气通过簧片式止回阀过簧片式止回阀( (图图4—33a)4—33a)或在活塞底边开启进气口后或在活塞底边开启进气口后( (图图4—33b)4—33b),进入曲轴箱。

      当膨胀行程结束进行换气时,先打,进入曲轴箱当膨胀行程结束进行换气时,先打开排气口.然后曲轴相中受压缩的混合气通过扫气口进人开排气口.然后曲轴相中受压缩的混合气通过扫气口进人气缸进行扫气,完成扫气过程该换气方案不需要附加的气缸进行扫气,完成扫气过程该换气方案不需要附加的扫气泵,结构简单扫气泵,结构简单 o直流扫气方案的主要特点是扫气气流沿气直流扫气方案的主要特点是扫气气流沿气缸轴线运动,换气品质最好缸轴线运动,换气品质最好o图图4—32c4—32c所示的是直流换气方案中的一种,所示的是直流换气方案中的一种,即气门即气门——气孔换气方案在该方案中.排气孔换气方案在该方案中.排气门是由凸轮机构驱动,因此可以方便地气门是由凸轮机构驱动,因此可以方便地实现不对称换气,将排气门较早关闭,以实现不对称换气,将排气门较早关闭,以达到过后天气的目的为了使新鲜无量不达到过后天气的目的为了使新鲜无量不与废气掺混,扫气口沿切线方向排列,使与废气掺混,扫气口沿切线方向排列,使进入气缸的扫气充量旋转,形成一个进入气缸的扫气充量旋转,形成一个““空空气活塞气活塞””,可以较好地避免新鲜充量与废,可以较好地避免新鲜充量与废气的互相混合,并将废气经燃烧室顶部的气的互相混合,并将废气经燃烧室顶部的排气门推出气缸。

      活塞由于受到扫气空气排气门推出气缸活塞由于受到扫气空气的冷却作用,工作条件较好的冷却作用,工作条件较好3 3.直流扫气.直流扫气 本章作业1.4-12.4-23.4-34.4-45.4-5 。

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