柴油機的換氣過程

1、第五章第五章 換氣機構(gòu)與增壓換氣機構(gòu)與增壓 第一節(jié)第一節(jié) 柴油機的換氣過程（四沖程機）柴油機的換氣過程（四沖程機） 第二節(jié)第二節(jié) 柴油機的換氣機構(gòu)（氣閥及氣柴油機的換氣機構(gòu)（氣閥及氣 閥傳動機構(gòu)）閥傳動機構(gòu)） 第三節(jié)第三節(jié) 柴油機的增壓（廢氣渦輪增壓）柴油機的增壓（廢氣渦輪增壓） 第四節(jié)第四節(jié) 增壓器的檢修（增壓器的檢修（大綱不要求大綱不要求） 換氣過程的定義換氣過程的定義 從排氣過程、掃氣過程到進氣終止的整從排氣過程、掃氣過程到進氣終止的整 個氣體更換過程。個氣體更換過程。 換氣的意義換氣的意義 換氣過程質(zhì)量直接影響柴油機的動力性、換氣過程質(zhì)量直接影響柴油機的動力性、 經(jīng)濟性、可靠性及排氣污

2、染，是柴油機經(jīng)濟性、可靠性及排氣污染，是柴油機 工作優(yōu)劣的先決條件。工作優(yōu)劣的先決條件。 評定換氣過程好壞的標志評定換氣過程好壞的標志 廢氣排除是否干凈廢氣排除是否干凈 新鮮空氣充入量新鮮空氣充入量 新鮮空氣消耗量新鮮空氣消耗量 二、四沖程柴油機的換氣過程二、四沖程柴油機的換氣過程 四沖程柴油機的定時圖四沖程柴油機的定時圖 二、四沖程柴油機的換氣過程二、四沖程柴油機的換氣過程 換氣過程：換氣過程： 1)1)自由排氣階段自由排氣階段 2)2)強制排氣階段強制排氣階段 3)3)進氣階段進氣階段 4)4)氣閥疊開和燃氣閥疊開和燃 燒室掃氣燒室掃氣 四沖程柴油機的定時圖四沖程柴油機的定時圖 自由排自由

3、排 氣階段氣階段 I.排氣閥排氣閥在下止點前在下止點前3080打開，直到打開，直到下止點后下止點后氣缸壓力接近氣缸壓力接近 排氣管壓力排氣管壓力為止。由于廢氣的排出是在壓差的作用下排出，故為止。由于廢氣的排出是在壓差的作用下排出，故 稱為自由排氣階段。稱為自由排氣階段。壓差排氣。壓差排氣。在此階段根據(jù)氣缸內(nèi)外壓差是在此階段根據(jù)氣缸內(nèi)外壓差是 否超過臨界值，可分為超臨界階段（排氣管壓力與氣缸壓力之否超過臨界值，可分為超臨界階段（排氣管壓力與氣缸壓力之 比小于臨界值（比小于臨界值（2/（k+1）k/（ （k-1）和亞臨界階段。 ）和亞臨界階段。 II.排氣閥開啟提前角要大，以便使排氣閥在下止點的開

4、度和下止排氣閥開啟提前角要大，以便使排氣閥在下止點的開度和下止 點前的時面值足夠大。但也不能太大，點前的時面值足夠大。但也不能太大，若太大將引起膨脹功的若太大將引起膨脹功的 損失過多損失過多。 III.自由排氣一般在自由排氣一般在BDC后后1030A結(jié)束。結(jié)束。結(jié)束愈晚，下一階段結(jié)束愈晚，下一階段 活塞排氣消耗的功愈大活塞排氣消耗的功愈大。 IV.自由排氣階段雖然占整個排氣時間的比例不大，但由于廢氣流自由排氣階段雖然占整個排氣時間的比例不大，但由于廢氣流 速很高，排出的廢氣量占可達速很高，排出的廢氣量占可達60%以上以上。 強制排氣階段強制排氣階段 從自由排氣結(jié)束到排氣閥關(guān)閉這一階段從自由排氣

5、結(jié)束到排氣閥關(guān)閉這一階段 排氣過程是由排氣過程是由活塞的推擠活塞的推擠造成的，故稱為強制排氣造成的，故稱為強制排氣 階段。階段。 當活塞到達上止點后向下運行的初期，由于排氣行當活塞到達上止點后向下運行的初期，由于排氣行 程中形成的高速排氣流的程中形成的高速排氣流的慣性作用慣性作用下，廢氣繼續(xù)排下，廢氣繼續(xù)排 出氣缸，故稱為慣性排氣。出氣缸，故稱為慣性排氣。 因此排氣閥在上止點后滯后關(guān)閉，一般排氣遲閉角因此排氣閥在上止點后滯后關(guān)閉，一般排氣遲閉角 為為1070(CA)。實現(xiàn)了過后排氣，延長了排氣時間，。實現(xiàn)了過后排氣，延長了排氣時間， 增大了氣閥的時面值，可使廢氣排得干凈，排氣功增大了氣閥的時面

6、值，可使廢氣排得干凈，排氣功 減小，排氣流的慣性得到充分利用。但過大的排氣減小，排氣流的慣性得到充分利用。但過大的排氣 遲閉角會導(dǎo)致廢氣倒流，最理想的關(guān)閉角是當廢氣遲閉角會導(dǎo)致廢氣倒流，最理想的關(guān)閉角是當廢氣 從氣缸流出的流動剛好停止時。從氣缸流出的流動剛好停止時。 進氣階段進氣階段 從進氣閥開啟到進氣閥關(guān)閉的階段（活塞的抽吸從進氣閥開啟到進氣閥關(guān)閉的階段（活塞的抽吸+進進 氣氣流的慣性）氣氣流的慣性） 進氣提前開啟角進氣提前開啟角(1040)和進氣延后關(guān)閉角的目和進氣延后關(guān)閉角的目 的是為了盡力吸入新鮮空氣。的是為了盡力吸入新鮮空氣。 進氣提前開啟角過大會造成廢氣倒灌進氣提前開啟角過大會造成

7、廢氣倒灌 進氣提前開啟角過小則影響進氣；進氣提前開啟角過小則影響進氣； 進氣延后關(guān)閉角過小會影響空氣流動慣性而減小進氣量，進氣延后關(guān)閉角過小會影響空氣流動慣性而減小進氣量， 進氣延后關(guān)閉角過大則使新鮮空氣倒流出氣缸并使有效壓進氣延后關(guān)閉角過大則使新鮮空氣倒流出氣缸并使有效壓 縮比減小?？s比減小。 實際進氣時刻：是氣缸內(nèi)壓力低于進氣管壓力時才實際進氣時刻：是氣缸內(nèi)壓力低于進氣管壓力時才 真正進入氣缸。非增壓柴油機的實際進氣時刻在上真正進入氣缸。非增壓柴油機的實際進氣時刻在上 止點后。止點后。 氣閥疊開和氣閥疊開和 燃燒室掃氣燃燒室掃氣 氣閥重疊角的定義：在上止點前后，從進氣閥開啟到氣閥重疊角的定

8、義：在上止點前后，從進氣閥開啟到 排氣閥關(guān)閉這段時間進氣閥和排氣閥同時開啟所對應(yīng)排氣閥關(guān)閉這段時間進氣閥和排氣閥同時開啟所對應(yīng) 的曲軸轉(zhuǎn)角稱為氣閥重疊角。一般非增壓機為的曲軸轉(zhuǎn)角稱為氣閥重疊角。一般非增壓機為 2050CA，增壓機為，增壓機為80140CA 燃燒室掃氣：在氣閥疊開期間新鮮空氣對燃燒室的清燃燒室掃氣：在氣閥疊開期間新鮮空氣對燃燒室的清 掃稱為燃燒室掃氣（一般只有增壓四沖程柴油機才能掃稱為燃燒室掃氣（一般只有增壓四沖程柴油機才能 實現(xiàn)燃燒室掃氣實現(xiàn)燃燒室掃氣 ） 意義：意義： I.新鮮空氣將燃燒室中殘存的廢氣清掃到排氣管新鮮空氣將燃燒室中殘存的廢氣清掃到排氣管 II.新鮮冷空氣對新

9、鮮冷空氣對燃燒室壁面進行冷卻燃燒室壁面進行冷卻 三、二沖程柴油機的換氣過程三、二沖程柴油機的換氣過程 掃氣壓力掃氣壓力pk pd- 自由排氣階段自由排氣階段 強制排氣強制排氣 和掃氣階段和掃氣階段 過后排氣階段過后排氣階段 w二沖程柴油機換氣的特點二沖程柴油機換氣的特點 以彎流掃氣為例以彎流掃氣為例 二沖程柴油機換氣的特點二沖程柴油機換氣的特點 與四沖程機比較：與四沖程機比較： 1)換氣時間少（換氣時間少（120150A） 2)換氣依靠壓差進行，由于存在摻混、死角及短路，換氣依靠壓差進行，由于存在摻混、死角及短路， 換氣質(zhì)量差換氣質(zhì)量差 3)掃氣耗功較多掃氣耗功較多 4)氣缸容積利用率低（由于

10、氣缸下端開有氣口）氣缸容積利用率低（由于氣缸下端開有氣口） I.失效行程失效行程h：活塞在下止點位置時的活塞上平面到氣口上：活塞在下止點位置時的活塞上平面到氣口上 邊沿的距離。邊沿的距離。 II.行程失效系數(shù)行程失效系數(shù) s：失效行程：失效行程h與活塞行程與活塞行程S之比，即之比，即 s h s= 自由排氣階段自由排氣階段 （B-R） 從從排氣口排氣口(閥閥)開啟點開啟點B起到缸內(nèi)壓力與起到缸內(nèi)壓力與 掃氣壓力掃氣壓力pk相等的點相等的點R（進氣開始點）（進氣開始點） 為止的這一階段，叫做自由排氣階段。為止的這一階段，叫做自由排氣階段。 在此階段中廢氣主要借缸內(nèi)與排氣管中在此階段中廢氣主要借缸

11、內(nèi)與排氣管中 的壓力差的壓力差(p-pr)經(jīng)排氣口高速流入排氣經(jīng)排氣口高速流入排氣 管。在此階段根據(jù)氣缸內(nèi)外壓差是否超管。在此階段根據(jù)氣缸內(nèi)外壓差是否超 過臨界值，也可分為超臨界階段和亞臨過臨界值，也可分為超臨界階段和亞臨 界階段。界階段。 強制排氣和掃強制排氣和掃 氣階段氣階段(R-C) 從進氣開始從進氣開始R到活塞經(jīng)下止點再上行而到活塞經(jīng)下止點再上行而 在在C點點關(guān)閉掃氣口關(guān)閉掃氣口為止的階段，叫做強為止的階段，叫做強 制排氣和掃氣階段。制排氣和掃氣階段。 在此階段主要靠新氣與缸內(nèi)廢氣的壓力在此階段主要靠新氣與缸內(nèi)廢氣的壓力 差，利用新氣清掃廢氣，把廢氣從氣缸差，利用新氣清掃廢氣，把廢氣從

12、氣缸 中強制排出。顯然，在此階段內(nèi)新氣與中強制排出。顯然，在此階段內(nèi)新氣與 廢氣發(fā)生摻混，并有部分新氣經(jīng)排氣口廢氣發(fā)生摻混，并有部分新氣經(jīng)排氣口 排出排出 過后排氣階段過后排氣階段 (C-E) 從掃氣口關(guān)閉的從掃氣口關(guān)閉的C點到排氣口關(guān)閉的點到排氣口關(guān)閉的E點（壓縮點（壓縮 開始點）為止的階段，叫做開始點）為止的階段，叫做過后過后排氣階段。排氣階段。 在此階段缸內(nèi)的部分新氣將經(jīng)仍開啟著的排氣在此階段缸內(nèi)的部分新氣將經(jīng)仍開啟著的排氣 口排至排氣管，因而這是一個損失新氣階段?？谂胖僚艢夤?，因而這是一個損失新氣階段。 希望此階段越短越好。希望此階段越短越好。 若使它與進氣口同時關(guān)閉或早于進氣口關(guān)閉，

13、若使它與進氣口同時關(guān)閉或早于進氣口關(guān)閉， 則可避免過后排氣損失或則可避免過后排氣損失或?qū)崿F(xiàn)過后充氣實現(xiàn)過后充氣。 四、評定換氣過程質(zhì)量的參數(shù)四、評定換氣過程質(zhì)量的參數(shù) 殘余廢氣系數(shù)殘余廢氣系數(shù) r 定義定義 降低降低 r值的措施值的措施 充量系數(shù)充量系數(shù)(充氣效率充氣效率) v 定義定義 影響因素影響因素 掃氣效率掃氣效率 s 掃氣過量空氣系數(shù)掃氣過量空氣系數(shù) k 掃氣系數(shù)掃氣系數(shù) S 小結(jié)小結(jié) G0-換氣結(jié)束后留在氣缸內(nèi)的新鮮空氣量換氣結(jié)束后留在氣缸內(nèi)的新鮮空氣量； Gs-進氣口環(huán)境條件下充滿氣缸工作容積進氣口環(huán)境條件下充滿氣缸工作容積Vs 的理論新鮮空氣量的理論新鮮空氣量； Gk-每一循環(huán)

14、流過掃氣口的新鮮空氣量每一循環(huán)流過掃氣口的新鮮空氣量； Gr-留在氣缸內(nèi)的殘余廢氣量留在氣缸內(nèi)的殘余廢氣量 作業(yè)作業(yè) 定義定義 充氣系數(shù)充氣系數(shù) v為換氣結(jié)束后留在氣缸內(nèi)的新鮮空氣為換氣結(jié)束后留在氣缸內(nèi)的新鮮空氣 量量G0與在進氣口環(huán)境條件與在進氣口環(huán)境條件(對非增壓四沖程柴油機為大氣壓力對非增壓四沖程柴油機為大氣壓力p0， 溫度溫度T0；對于二沖程柴油機為掃氣箱掃氣壓力；對于二沖程柴油機為掃氣箱掃氣壓力ps，溫度，溫度Ts；對于增壓柴油機；對于增壓柴油機 則為中間空氣冷卻器后的公共掃氣箱壓力則為中間空氣冷卻器后的公共掃氣箱壓力pk，溫度，溫度Ts)下充滿氣缸工下充滿氣缸工 作容積作容積Vs的

15、理論新鮮空氣量的理論新鮮空氣量Gs之比值，即：之比值，即： 顯然在大多情況下顯然在大多情況下G0Gs，因而，因而 vl，只有在某些增壓柴油機，只有在某些增壓柴油機 中，采用良好的增壓技術(shù)達到中，采用良好的增壓技術(shù)達到G0Gs，則，則 vl。 四沖程柴油機的四沖程柴油機的 v大于二沖程；四沖程增壓柴油機的大于二沖程；四沖程增壓柴油機的 v 大于非增壓；二沖程柴油機中直流掃氣的大于非增壓；二沖程柴油機中直流掃氣的 v最大。最大。 () () ra s s a ra s s a s a s ss a aa r s ra rra sss v T T p p T T p p V V RT Vp RT V

16、p G G GGGG V V V V G G +1 1 1 = +1 1 = +1 1 = +1 = +1=+= 00 0 0 000 - 影響因素影響因素 1.柴油機構(gòu)造：柴油機構(gòu)造： 1)主要有進、排氣通道的形狀，表面狀況，通流截面的大小：要使主要有進、排氣通道的形狀，表面狀況，通流截面的大?。阂?進、排氣通道暢通，流阻下降，排氣背壓較低，殘余廢氣減少，進、排氣通道暢通，流阻下降，排氣背壓較低，殘余廢氣減少， 可使可使 v提高。為此，應(yīng)選擇合理的氣口形狀和盡可能大的進、排提高。為此，應(yīng)選擇合理的氣口形狀和盡可能大的進、排 氣閥直徑。氣閥直徑。 2)S/D是柴油機的一個重要結(jié)構(gòu)參數(shù)。是柴油

17、機的一個重要結(jié)構(gòu)參數(shù)。 I.對不同機型的比較：若對不同機型的比較：若S/D=常數(shù)，則隨著常數(shù)，則隨著S與與D的增加，氣缸的相對散的增加，氣缸的相對散 熱面積熱面積F/V下降，則新氣進入氣缸后與缸壁的熱交換減弱，溫升減小，下降，則新氣進入氣缸后與缸壁的熱交換減弱，溫升減小， 有利于提高有利于提高 v，為此，為此中、大型柴油機的中、大型柴油機的 v較高較高。 II.當當Vs一定而一定而S/D增加時，相應(yīng)地增加時，相應(yīng)地S增加或增加或D減少，則減少，則F/V增加、熱交換強增加、熱交換強 烈烈(傳熱路徑加長傳熱路徑加長)，殘余廢氣增加，則，殘余廢氣增加，則 v下降，下降，對目前發(fā)展中的長行對目前發(fā)展中

18、的長行 程柴油機不利程柴油機不利。 2.運轉(zhuǎn)條件：運轉(zhuǎn)條件： I.轉(zhuǎn)速對轉(zhuǎn)速對 v(n2)影響極大，一般存在一個使影響極大，一般存在一個使 v 最大的最佳轉(zhuǎn)速。最大的最佳轉(zhuǎn)速。 II.柴油機負荷增加后，使缸壁溫度升高，則柴油機負荷增加后，使缸壁溫度升高，則 v下降。下降。 III.氣缸活塞的冷卻條件改變時，也將使氣缸活塞的冷卻條件改變時，也將使 v變化。變化。 3.運轉(zhuǎn)管理質(zhì)量：促使運轉(zhuǎn)管理質(zhì)量：促使 v下降的原因下降的原因 I. v / /f2當進、排氣道及設(shè)備污染、阻塞、積炭嚴重，會使進氣阻當進、排氣道及設(shè)備污染、阻塞、積炭嚴重，會使進氣阻 力系數(shù)力系數(shù)增加，流通面積增加，流通面積f下降下

19、降 II.進氣溫度上升進氣溫度上升 III.氣閥定時的改變或調(diào)整不當時也將影響氣閥定時的改變或調(diào)整不當時也將影響 v 定義定義 w殘余廢氣系數(shù)殘余廢氣系數(shù) r 為換氣結(jié)束后留在氣缸內(nèi)的為換氣結(jié)束后留在氣缸內(nèi)的 殘余廢氣量殘余廢氣量Gr與換氣結(jié)束后留在氣缸內(nèi)的新與換氣結(jié)束后留在氣缸內(nèi)的新 鮮空氣量鮮空氣量G0之比值，即：之比值，即： w四沖程柴油機決定四沖程柴油機決定 r的主要因素是燃燒室掃氣的主要因素是燃燒室掃氣 過程，掃氣過程進行得越好，廢氣清除得越過程，掃氣過程進行得越好，廢氣清除得越 干凈，則干凈，則 r 越小。越小。 w通常增壓柴油機的通常增壓柴油機的 r值在值在00.15之間。四沖程

20、之間。四沖程 增壓柴油機的增壓柴油機的 r值最小，甚至為值最小，甚至為0，二沖程回，二沖程回 流掃氣流掃氣 r值較大。值較大。 0 = G G r r 降低降低 r值的措施值的措施 改善氣道形狀改善氣道形狀 改變掃氣形式改變掃氣形式 清潔掃、排氣口及其通道，降低排氣背壓清潔掃、排氣口及其通道，降低排氣背壓 使排氣通暢使排氣通暢 加大進、排氣閥重疊角，采用燃燒室掃氣加大進、排氣閥重疊角，采用燃燒室掃氣 (此時有新氣流失此時有新氣流失)。 提前打開排氣閥提前打開排氣閥(有膨脹功損失有膨脹功損失) 掃氣效率掃氣效率 s 掃氣效率掃氣效率 s是指掃氣結(jié)束后留在氣缸中的新鮮空氣量是指掃氣結(jié)束后留在氣缸中

21、的新鮮空氣量G0與氣缸內(nèi)全部與氣缸內(nèi)全部 氣體量氣體量Ga之比。之比。 掃氣效率掃氣效率 s 與殘余廢氣系數(shù)與殘余廢氣系數(shù) r的關(guān)系，由于的關(guān)系，由于Ga= G0+Gr 掃氣效率掃氣效率 s 是衡量掃氣效果好壞的重要標志，也表示換氣結(jié)束時是衡量掃氣效果好壞的重要標志，也表示換氣結(jié)束時氣缸氣缸 內(nèi)新鮮空氣的濃度內(nèi)新鮮空氣的濃度(或干凈程度或干凈程度)，主要用于二沖程柴油機。，主要用于二沖程柴油機。 s 越大，越大， 掃氣效果越好。一般情況下掃氣效果越好。一般情況下 s 小于小于1，在理想情況下，當在理想情況下，當 r =0時，時， s =1。 s 值最大為值最大為1。 ra s G G +1 1 = 0 掃氣過量空氣系數(shù)掃氣過量空氣系數(shù) k又稱給氣比又稱給氣比 掃氣過量空氣系數(shù)掃氣過量空氣系數(shù) k 表示每一循環(huán)流表示每一循環(huán)流 過掃氣口的新鮮空氣量過掃氣口的新鮮空氣量Gk(kg)與在進氣與在進氣 狀態(tài)下充滿氣缸工作容積的理論空氣量狀態(tài)下充滿氣缸工作容積的理論空氣量 Gs(kg)之比。即：之比。即： 顯然，掃氣過量空氣系數(shù)顯然，掃氣過量空氣系數(shù) k一般大于一般大于1 說明說明掃氣空氣消耗的絕對量掃氣空氣消耗的絕對量 s k G G k 掃氣系數(shù)掃氣系數(shù) S 掃氣系數(shù)掃氣系數(shù) S 是指整個循環(huán)中流過掃氣口的新是指整個循環(huán)中流過掃氣口的新 鮮空氣量鮮空