四沖程發(fā)動機(jī)的換氣過程資料PPT課件

1、第二章 四沖程發(fā)動機(jī)的換氣過程換氣過程排氣過程進(jìn)氣過程 換氣過程的任務(wù) 排除廢氣充入盡可能多的新鮮工質(zhì) 研究的內(nèi)容換氣過程的進(jìn)行情況 分析影響充氣量的各種因素 提高充氣量 減少換氣損失方向與措施。找出第1頁/共47頁 第一節(jié)四行程發(fā)動機(jī)的換氣過程 一、換氣過程 四行程發(fā)動機(jī)的換氣過程包括從排氣門開啟到進(jìn)氣門關(guān)閉的整個時期，約占410480曲軸轉(zhuǎn)角。換氣過程的目的：換氣過程的目的： 最大限度地吸入新鮮充量最大限度地吸入新鮮充量 cc是核心問題是核心問題 最小的換氣損失最小的換氣損失 各缸進(jìn)氣均勻性各缸進(jìn)氣均勻性 在缸內(nèi)形成合理的流場在缸內(nèi)形成合理的流場, ,以控制混合氣形成和燃燒以控制混合氣形成

2、和燃燒第2頁/共47頁換氣過程自由排氣強(qiáng)制排氣進(jìn)氣氣門疊開第3頁/共47頁 1自由排氣階段 排氣門開啟到氣缸壓力接近了排氣管壓力的這一時期，稱為自由排氣階段。 排氣提前角：從排氣門開啟到活塞行至下止點所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角稱為，一般為3080曲軸轉(zhuǎn)角。第4頁/共47頁自由排氣階段超臨界狀態(tài)亞臨界狀態(tài) （1）超臨界狀態(tài) 排氣門開啟時，氣缸內(nèi)廢氣壓力較高（0.20.5Mpa），缸內(nèi)壓力與排氣管壓力之比1.9，排氣流動處于超臨界狀態(tài)，可利用廢氣自身的壓力自行排出。 第5頁/共47頁通過排氣門口廢氣的流速等于該狀態(tài)下的音速（m/s）式中 K絕熱指數(shù)； T氣體的絕對溫度； R氣體常數(shù)Nm/（kgK）。KRTc

3、 在超臨界排氣時期，廢氣流量與排氣管內(nèi)壓力pr無關(guān)，只與氣缸內(nèi)的氣體狀態(tài)及氣門開啟截面積有關(guān)。并且因排氣流速甚高，在排氣過程中伴有刺耳的噪聲，所以排氣系統(tǒng)必須裝有消聲器。第6頁/共47頁 排出的廢氣量決定于氣缸內(nèi)及排氣管內(nèi)的壓力差。壓力差越大排出廢氣越多。當(dāng)?shù)侥骋粫r刻氣缸內(nèi)與排氣管內(nèi)壓力相等，自由排氣階段結(jié)束（一般下止點后1030曲軸轉(zhuǎn)角）。此階段雖然歷程很短，但因排氣流速甚高，排出廢氣量達(dá)60%以上。（2）亞臨界狀態(tài) 缸內(nèi)壓力與排氣管內(nèi)壓力之比下降到1.9以下時，排氣流動轉(zhuǎn)入亞臨界狀態(tài)，廢氣流速降低，產(chǎn)生的噪音較小。 第7頁/共47頁 高速發(fā)動機(jī)其排氣提前角要大一些：在自由排氣階段中，排出的

4、廢氣量與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速無關(guān)。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高時，在同樣的排氣時間（以秒計）所相當(dāng)?shù)那S轉(zhuǎn)角增大，因此，高速發(fā)動機(jī)排氣提前角要大。但不宜過大，否則會使排氣損失加大。第8頁/共47頁 2強(qiáng)制排氣階段：活塞上行強(qiáng)制推出廢氣。 缸內(nèi)平均壓力高于排氣管平均壓力：克服排氣門、排氣道處的阻力，一般高出10kpa左右。氣體的流速越高，此壓差越大，消耗的功越多。慣性排氣。排氣遲閉角，一般為1035曲軸轉(zhuǎn)角。第9頁/共47頁 正常進(jìn)氣 ：活塞下行殘余廢氣膨脹，新鮮氣體充入氣缸。慣性進(jìn)氣。進(jìn)氣遲閉角：一般為4070曲軸轉(zhuǎn)角。 準(zhǔn)備進(jìn)氣。進(jìn)氣提前角：一般為030曲軸轉(zhuǎn)角 第10頁/共47頁 4.氣門疊開 ：進(jìn)、排氣門同時開啟

5、。 作用：由于進(jìn)氣管、氣缸、排氣管互相連通，可以利用氣流的壓差、慣性或進(jìn)、排氣管壓力波的幫助，清除殘余廢氣，增加進(jìn)氣量，降低高溫零件的溫度，但注意不應(yīng)產(chǎn)生廢氣倒流現(xiàn)象。 疊開角：進(jìn)、排氣門同時開啟時對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，一般為2080曲軸轉(zhuǎn)角。在增壓發(fā)動機(jī)可達(dá)80160的曲軸轉(zhuǎn)角。因其進(jìn)氣壓力高。 第11頁/共47頁 二、換氣損失換氣損失由排氣損失和進(jìn)氣損失兩部分組成。第12頁/共47頁 1. 排氣損失 排氣損失是從排氣門提前打開，直到進(jìn)氣行程開始，氣缸內(nèi)壓力到達(dá)大氣壓力之前，循環(huán)功的損失。 （1）自由排氣損失（圖中面積W），是由于排氣門提前打開而引起的膨脹功的減少。 （2）強(qiáng)制排氣損失（圖中面積Y

6、），是活塞上行強(qiáng)制推出廢氣所消耗的功。 第13頁/共47頁 減少排氣損失的主要措施是：減小排氣系統(tǒng)阻力和排氣門處的流動損失。 隨著排氣提前角增大，自由排氣損失面積增加，強(qiáng)制排氣損失面積減小，如圖中b曲線，如排氣提前角減少則強(qiáng)制排氣損失面積增加，如圖中c曲線。所以最有利的排氣提前角應(yīng)使面積（W+Y）之和最小。第14頁/共47頁 2進(jìn)氣損失 進(jìn)氣損失：因進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力而引起的功的損失。 排氣損失與進(jìn)氣損失之和稱換氣損失，即圖中面積(W+X+Y)。在實際循環(huán)示功圖中把面積(x+y-d)相當(dāng)?shù)呢?fù)功稱為泵氣損失。這部分損失放在機(jī)械損失中加以考慮。第15頁/共47頁 第二節(jié) 四行程發(fā)動機(jī)的充氣效率 一、充

7、氣效率 充氣效率是實際進(jìn)入氣缸的新鮮工質(zhì)的質(zhì)量與進(jìn)氣狀態(tài)下充滿氣缸工作容積的新鮮工質(zhì)的質(zhì)量的比值式中 m1 、V1實際進(jìn)入氣缸的新鮮工質(zhì)的質(zhì)量、體積（進(jìn)氣狀態(tài)）； ms 、Vs 進(jìn)氣狀態(tài)下充滿工作容積的新鮮工質(zhì)的質(zhì)量、氣缸工作容積。 ssvvvmm11第16頁/共47頁 二、影響充氣效率的因素 （一）充氣效率v的表達(dá)式 1）進(jìn)氣門關(guān)閉時缸內(nèi)氣體的總質(zhì)量ma 假定進(jìn)氣門關(guān)閉時氣缸容積為（Vs +Vc），此時缸內(nèi)氣體壓力、溫度、密度為Pa、Ta、a，則缸內(nèi)氣體的總質(zhì)量為ascavvm 2）排氣門關(guān)閉時缸內(nèi)殘余廢氣的質(zhì)量 假定排氣門關(guān)閉時缸內(nèi)體積為Vr，殘余廢氣的壓力、溫度、密度為Pr、Tr、 r

8、，則殘余廢氣的質(zhì)量為rrrvm第17頁/共47頁3）充入氣缸新鮮充量的質(zhì)量為rrascssvvvvvssrrascvvvvv第18頁/共47頁經(jīng)變換推導(dǎo)得111aassvTppT式中 Pa、 Ta進(jìn)氣狀態(tài)的溫度和壓力； Ts 、Ps進(jìn)氣終了時的氣體溫度和壓力； 殘余廢氣系數(shù)， 即進(jìn)氣過程結(jié)束時氣缸內(nèi)殘余廢氣量與氣缸內(nèi)新鮮充量的比值； 壓縮比。scscvvvvssvrvm第19頁/共47頁 （二）影響充氣效率的因素 1進(jìn)氣終了時的壓力Pa Pa對 有重要影響，Pa愈高， 值愈大 Pa=Ps-Pa 式中，pa為氣體流動時，克服進(jìn)氣系統(tǒng)阻力而引起的壓降(kPa)。一般可寫成 式中 管道阻力系數(shù)； 進(jìn)

9、氣狀態(tài)下氣體的密度； V管道內(nèi)氣體的流速（m/s）。 可見，pa主要取決于各段管道的阻力系數(shù)和氣體流速。若大、高時，pa增加，使pca下降。vv22vpa第20頁/共47頁轉(zhuǎn)速和負(fù)荷對進(jìn)氣壓力的影響1）轉(zhuǎn)速當(dāng)節(jié)氣門位置一定時，n增加，Pa降低。 第21頁/共47頁2）負(fù)荷 汽油機(jī)：當(dāng)節(jié)氣門關(guān)小時，節(jié)流損失增加，引起Pa下降。 且Pa 隨轉(zhuǎn)速的增加而下降的愈快，即曲線變化愈陡。 柴油機(jī)：負(fù)荷調(diào)節(jié)為“質(zhì)調(diào)節(jié)”，負(fù)荷減小時Pa變化很小。 第22頁/共47頁 2進(jìn)氣終了的溫度Ta 進(jìn)氣終了的溫度Ta高于進(jìn)氣狀態(tài)溫度。引起Ta升高的原因是: 1）新鮮工質(zhì)進(jìn)入發(fā)動機(jī)與高溫零件接觸而被加熱。 2）新鮮工質(zhì)與

10、高溫殘余廢氣混合而被加熱。 3）在化油器式汽油機(jī)上，為了使液體燃料在進(jìn)氣管中蒸發(fā)，以便均勻地與空氣混合而進(jìn)入氣缸，一般都采用廢氣或冷卻水熱量對進(jìn)氣管加熱，故空氣經(jīng)過進(jìn)氣管時受熱而溫度升高。措施：將高溫排氣管與進(jìn)氣管分置于氣缸兩側(cè)，控制進(jìn)氣預(yù)熱，適當(dāng)加大氣門疊開角等，均有利于降低Tca。第23頁/共47頁 轉(zhuǎn)速和負(fù)荷對Ta的影響 1）轉(zhuǎn)速： 當(dāng)負(fù)荷不變而轉(zhuǎn)速增加時，由于新鮮工質(zhì)與缸壁等接觸時間短，傳熱量少，所以Ta稍有下降。 2）負(fù)荷：當(dāng)轉(zhuǎn)速不變而增加發(fā)動機(jī)負(fù)荷時，缸壁等零件溫度升高，Ta有所上升。 3.殘余廢氣系數(shù) 1） 增加， 降低，燃燒惡化，油耗、排放增加， 2）壓縮比提高，殘余廢氣系數(shù)減

11、小。 3）排氣壓力高，廢氣多，充氣效率降低。 4）排氣系統(tǒng)阻力大，排氣壓力高，廢氣多。v第24頁/共47頁44.配氣定時 由 的計算公式可見，由于進(jìn)氣門遲閉而 1 ,新鮮充量的容積減小,但Pa值卻可能因有氣流慣性而使進(jìn)氣有所增加,合適的配氣定時應(yīng)考慮Pa具有最大值。55.壓縮比 壓縮比增加,壓縮容積減小,殘余廢氣量隨之減小,因而有所增加。v第25頁/共47頁 第三節(jié) 提高充氣效率的措施 進(jìn)氣系統(tǒng)：空氣濾清器或加進(jìn)氣消聲器、化油器或噴油器、節(jié)氣門、進(jìn)氣管、進(jìn)氣道和進(jìn)氣門等組成。 減少各段通道的阻力，增大其流通能力，是提高充氣效率，改善發(fā)動機(jī)性能的主要途徑。 一、進(jìn)氣門一、進(jìn)氣門 1.時面值 氣門

12、開啟斷面與對應(yīng)開啟時間的乘積稱為氣門開啟的時面值。它表示氣體流過氣門的通過能力。氣門開啟時間長，開啟斷面大，則氣門開啟時面值大，氣流通過能力越強(qiáng)，阻力越小。 增大進(jìn)氣門頭部直徑，減小氣門頭部錐角，增大氣門升程，延長氣門開啟時間，均可擴(kuò)大氣門開啟時面值。第26頁/共47頁 2. 進(jìn)氣馬赫數(shù)M 進(jìn)氣馬赫數(shù)M是進(jìn)氣門氣流平均速度Vm與該處音速C之比，即M=Vm/C。 M是決定氣流流動性質(zhì)的重要參數(shù)。 M值反映氣體流動和氣門結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系，對充氣效率有重要的影響。 第27頁/共47頁 根據(jù)一系列試驗可知，在正常的配氣定時條件下，當(dāng)超過一定數(shù)值時，大約在0.5左右，充氣效率急劇下降。因此在可能條件下應(yīng)控

13、制在最高轉(zhuǎn)速時不超過一定數(shù)值，以達(dá)到提高充氣效率的目的。第28頁/共47頁 3.氣門直徑和氣門數(shù) 進(jìn)氣門直徑增大,擴(kuò)大氣流通路截面積增加，v提高。 雙氣門（一進(jìn)一排）：進(jìn)氣門直徑可達(dá)活塞直徑的45%50%，氣門與活塞面積之比為0.20.25，進(jìn)氣門比排氣門大15%20%。 受結(jié)構(gòu)限制，進(jìn)一步增大比例已很困難。第29頁/共47頁多氣門結(jié)構(gòu)：缸徑大于80mm時，采用二進(jìn)二排結(jié)構(gòu)； 缸徑小于80mm時，采用三進(jìn)二排結(jié)構(gòu)。第30頁/共47頁 四氣門機(jī)與二氣門機(jī)相比，功 率 可 提 高70%，扭矩可提高30%，且響應(yīng)性比增壓機(jī)好，故是汽車發(fā)動機(jī)高功率化的有力措施。第31頁/共47頁 4.4.氣門升程氣門

14、升程 氣門升程增加、改進(jìn)凸輪型線、減小運(yùn)動件質(zhì)量、增加零件剛度，在慣性力允許條件下使氣門開閉盡可能快，以增大時面值，提高充氣效率。最大氣門升程與閥盤直徑之比L/d取0.260.28。 第32頁/共47頁5.5.減少氣門處的流動損失減少氣門處的流動損失第33頁/共47頁 二、進(jìn)氣道和進(jìn)氣管二、進(jìn)氣道和進(jìn)氣管 保證足夠的流通面積，避免轉(zhuǎn)彎及截面突變，改善表面的光潔程度。汽油機(jī)：燃料的霧化、蒸發(fā)、分配、壓力波的利用柴油機(jī)：形成進(jìn)氣渦流高轉(zhuǎn)速、大功率時，進(jìn)氣管宜短粗；中、低速，進(jìn)氣管宜細(xì)長。 三、空氣濾清器第34頁/共47頁 第四節(jié) 合理選擇配氣定時 在配氣定時各參數(shù)中，進(jìn)氣門遲閉角的改變，對充氣效率

15、v v影響最大。 v在某一轉(zhuǎn)速下達(dá)到最高值，此轉(zhuǎn)速下能最好地利用氣流的慣性充氣。 進(jìn)氣遲閉角增大，v最大值對應(yīng)的轉(zhuǎn)速增加第35頁/共47頁排氣提前角：保證排氣損失最小的前提下，盡量晚開排氣門。轉(zhuǎn)速增加，排氣提前角增大。氣門疊開角：可以增加循環(huán)充量，提高充氣效率， 降低高溫零件的熱負(fù)荷，減少NOxNOx。第36頁/共47頁第五節(jié)進(jìn)氣管的動態(tài)效應(yīng)進(jìn)氣管的動態(tài)效應(yīng)第37頁/共47頁動態(tài)效應(yīng) 由于間歇進(jìn)、排氣，進(jìn)、排氣管存在壓力波，在用特定的進(jìn)氣管條件下，可以利用此壓力波來提高進(jìn)氣門關(guān)閉前的進(jìn)氣壓力，增大充氣效率。 壓力波增壓系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、慣性小、響應(yīng)快等優(yōu)點，適于頻繁變工況的車用。 分為慣性效應(yīng)

16、與波動效應(yīng)兩類 。第38頁/共47頁進(jìn)氣管的慣性效應(yīng) 在進(jìn)氣行程前半期，由于活塞下行的吸入作用，氣缸內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，新鮮工質(zhì)從進(jìn)氣管流入，同時傳出負(fù)壓波，經(jīng)氣門、氣道沿進(jìn)氣管向外傳播，傳播速度為聲速。當(dāng)負(fù)壓波傳到穩(wěn)壓室等空腔的開口端時又從開口端向氣缸方向反射回正壓波，如果進(jìn)氣管的長度適當(dāng)，從負(fù)壓波發(fā)出到正壓波返回進(jìn)氣門所經(jīng)歷的時間，正好與進(jìn)氣門從開啟到關(guān)閉所需時間配合，即正壓波返回進(jìn)氣門時，正值進(jìn)氣門關(guān)閉前夕，從而提高了進(jìn)氣門處的進(jìn)氣壓力，達(dá)到增壓效果 。第39頁/共47頁進(jìn)氣管波動效應(yīng) 當(dāng)進(jìn)氣門關(guān)閉后，進(jìn)氣管的氣柱還在繼續(xù)波動，對各氣缸的進(jìn)氣量有影響，這稱為波動效應(yīng)。 進(jìn)氣門關(guān)閉時，進(jìn)氣管內(nèi)流動

17、的空氣因急速停止而受到壓縮，在進(jìn)氣門處產(chǎn)生正壓波 ，該波在進(jìn)氣管內(nèi)來回傳播。如果使正壓波與下一循環(huán)的進(jìn)氣過程重合，就能使進(jìn)氣終了時壓力升高，因而提高充氣效率。第40頁/共47頁轉(zhuǎn)速與管長（一） 壓力波的固有頻率f1（1/s）為 : 當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為n（rmin）時，進(jìn)氣頻率f2（1s）為 :*14Lcf 1202602nnf第41頁/共47頁轉(zhuǎn)速與管長（二） 對慣性效應(yīng)，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣周期應(yīng)與壓力波半周期相配，即: 對波動效應(yīng) : 當(dāng) 時，正好與正的壓力波相重合，使v 增加。當(dāng)q2=1，2時，開啟期間正好與負(fù)的壓力波重合，使v 減小。*211602nLcffq*21230nLcffq.212,211

18、2q第42頁/共47頁排氣管動態(tài)效應(yīng) 排氣管內(nèi)也存在壓力波。 且排氣能量大，廢氣溫度高，故與進(jìn)氣相比，排氣壓力波的振幅大，傳播速度快 。 若能在排氣過程后期，特別是氣門疊開期，使排氣管的氣門端形成穩(wěn)定的負(fù)壓，便可減少缸內(nèi)殘余廢氣和泵氣損失，并有利于新氣進(jìn)入氣缸。 需要配以長的管路應(yīng)考慮排氣管與消聲器、排放裝置的組合及車體的安裝空間。 第43頁/共47頁排氣管動態(tài)效應(yīng)二沖程排動效應(yīng)管第44頁/共47頁第二章第二章 作業(yè)題（發(fā)動機(jī)的換氣過程）作業(yè)題（發(fā)動機(jī)的換氣過程）1 畫出發(fā)動機(jī)的配氣相位圖，并標(biāo)明各部分名稱。2 簡述排氣過程的各種劃分方法。3 非增壓發(fā)動機(jī)和增壓發(fā)動機(jī)的氣閥疊開角有何不同？為什么？4 簡述燃燒室的掃氣作用。5 什么是充氣效率？怎樣確定一臺發(fā)動機(jī)的充氣效率？6 試根據(jù)充氣效率的分析式，說明提高充氣效率的措施。7 試述轉(zhuǎn)速和負(fù)荷是如何影響充氣效率的，汽油機(jī)與柴油機(jī)有什么不同？8 如何選擇