第二章 發(fā)動機(jī)的換氣過程

1、- 換氣過程換氣過程排氣過程排氣過程進(jìn)氣過程進(jìn)氣過程 減少換氣損失減少換氣損失方向與措施方向與措施/ 研究的內(nèi)容研究的內(nèi)容換氣過程的進(jìn)行情況換氣過程的進(jìn)行情況 分析影響充氣量的各種因素分析影響充氣量的各種因素 提高充氣量提高充氣量找出找出. 換氣過程的任務(wù)換氣過程的任務(wù) 排凈缸內(nèi)廢氣排凈缸內(nèi)廢氣吸足新鮮充量吸足新鮮充量盡可能小的換氣損失盡可能小的換氣損失第一節(jié)第一節(jié) 四沖程發(fā)動機(jī)的換氣過程四沖程發(fā)動機(jī)的換氣過程自由排氣階段自由排氣階段 強(qiáng)制排氣階段強(qiáng)制排氣階段 進(jìn)氣過程進(jìn)氣過程 燃燒室掃氣燃燒室掃氣 排氣損失排氣損失進(jìn)氣損失進(jìn)氣損失 下止點(diǎn)下止點(diǎn)上止點(diǎn)上止點(diǎn)一、換氣過程一、換氣過程 u 四沖程

2、發(fā)動機(jī)的換氣過程包括從四沖程發(fā)動機(jī)的換氣過程包括從的全過程，的全過程， 約占約占410480CA。 u 換氣過程可分為換氣過程可分為4個階段個階段 。四沖程發(fā)動機(jī)換氣過程的典型曲線四沖程發(fā)動機(jī)換氣過程的典型曲線kPa1、自由排氣階段、自由排氣階段自由排氣階段：從排氣門打開到氣缸壓力自由排氣階段：從排氣門打開到氣缸壓力p接近于排氣管壓力接近于排氣管壓力pr的這個時期。的這個時期。 kPa1、自由排氣階段、自由排氣階段自由排氣階段：從排氣門打開到氣缸壓力自由排氣階段：從排氣門打開到氣缸壓力p接近于排氣管壓力接近于排氣管壓力pr的這個時期。的這個時期。 排氣提前角：排氣提前角：BBDC3080CA。

3、 自由排氣階段廢氣的流動狀態(tài)分為自由排氣階段廢氣的流動狀態(tài)分為超臨界超臨界狀態(tài)流動狀態(tài)流動和和亞臨界狀態(tài)流動亞臨界狀態(tài)流動四沖程發(fā)動機(jī)換氣過程的典型曲線四沖程發(fā)動機(jī)換氣過程的典型曲線kPa超臨界狀態(tài)四沖程發(fā)動機(jī)換氣過程的典型曲線四沖程發(fā)動機(jī)換氣過程的典型曲線kPa（1）超臨界狀態(tài)流動）超臨界狀態(tài)流動 排氣門剛開啟時氣缸內(nèi)廢氣壓力還很高，缸內(nèi)壓力排氣門剛開啟時氣缸內(nèi)廢氣壓力還很高，缸內(nèi)壓力與排氣管壓力之比大于臨界值與排氣管壓力之比大于臨界值1.9，排氣的流動處于超臨，排氣的流動處于超臨界狀態(tài)。界狀態(tài)。 在超臨界排氣階段，廢氣流量與排氣管壓力無關(guān)，在超臨界排氣階段，廢氣流量與排氣管壓力無關(guān)，只取決

4、于氣缸內(nèi)的只取決于氣缸內(nèi)的氣體狀態(tài)氣體狀態(tài)和氣門和氣門最小開啟截面最小開啟截面。（2）亞臨界狀態(tài)流動）亞臨界狀態(tài)流動 隨著廢氣大量流出，缸內(nèi)壓力迅速下降，廢氣流速小隨著廢氣大量流出，缸內(nèi)壓力迅速下降，廢氣流速小于當(dāng)?shù)芈曀?，排氣的流動就轉(zhuǎn)入亞臨界狀態(tài)。于當(dāng)?shù)芈曀?，排氣的流動就轉(zhuǎn)入亞臨界狀態(tài)。 廢氣流量取決于氣缸內(nèi)和排氣管內(nèi)的壓力差。廢氣流量取決于氣缸內(nèi)和排氣管內(nèi)的壓力差。p/pr=1.9強(qiáng)制排氣階段：從缸內(nèi)壓力接近于排氣管壓強(qiáng)制排氣階段：從缸內(nèi)壓力接近于排氣管壓力到排氣門關(guān)閉。力到排氣門關(guān)閉。缸內(nèi)平均壓力缸內(nèi)平均壓力略高于略高于排氣管平均壓力。氣流排氣管平均壓力。氣流速度越高，壓力差越大，克服排

5、氣系統(tǒng)阻力速度越高，壓力差越大，克服排氣系統(tǒng)阻力所消耗的功越多。所消耗的功越多。排氣遲閉角：排氣遲閉角：ATDC1035CA。 （2）強(qiáng)制排氣階段）強(qiáng)制排氣階段ATDC1035CA進(jìn)氣過程：從進(jìn)氣門打開到進(jìn)氣門關(guān)閉。進(jìn)氣過程：從進(jìn)氣門打開到進(jìn)氣門關(guān)閉。進(jìn)氣提前角一般為進(jìn)氣提前角一般為BTDC 040CA進(jìn)氣遲閉角一般為進(jìn)氣遲閉角一般為ABDC 4070CA（3）進(jìn)氣過程）進(jìn)氣過程ABDC 4070CA（3）進(jìn)氣過程）進(jìn)氣過程BTDC 040CA氣門重疊：進(jìn)、排氣門同氣門重疊：進(jìn)、排氣門同時開啟。時開啟。氣門重疊角：進(jìn)、排氣門氣門重疊角：進(jìn)、排氣門同時開啟時對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)同時開啟時對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，

6、它是排氣門遲閉角與角，它是排氣門遲閉角與進(jìn)氣提前角之和。進(jìn)氣提前角之和。（4）燃燒室掃氣）燃燒室掃氣非增壓發(fā)動機(jī)：非增壓發(fā)動機(jī)：2060CA增壓發(fā)動機(jī)：增壓發(fā)動機(jī)： 80160CA 燃燒室掃氣的作用燃燒室掃氣的作用 ： 利用新鮮充量來幫助清除廢氣利用新鮮充量來幫助清除廢氣 降低燃燒室熱區(qū)零件的溫度降低燃燒室熱區(qū)零件的溫度 避碰坑避碰坑換換氣氣損損失失二、換氣損失二、換氣損失泵氣損失泵氣損失提前排氣損失提前排氣損失泵氣損失：工質(zhì)流動時需要克服的進(jìn)、排氣系統(tǒng)泵氣損失：工質(zhì)流動時需要克服的進(jìn)、排氣系統(tǒng) 阻力所消耗的功。阻力所消耗的功。 提前排氣損失：因排氣門在下止點(diǎn)前提前開啟提前排氣損失：因排氣門在

7、下止點(diǎn)前提前開啟 而產(chǎn)生的損失而產(chǎn)生的損失 。（自由排氣損失）。（自由排氣損失）uWWrrWW回憶回憶u換換氣氣損損失失排氣排氣損失損失進(jìn)氣進(jìn)氣損失損失X自由自由排氣損失排氣損失強(qiáng)制強(qiáng)制排氣損失排氣損失 YW排開排開排關(guān)排關(guān)進(jìn)關(guān)進(jìn)關(guān)1 1、排氣損失、排氣損失定義定義: :從排氣門提前開啟從排氣門提前開啟，直到進(jìn)氣過程開始，直到進(jìn)氣過程開始，缸缸內(nèi)壓力到達(dá)大氣壓力前內(nèi)壓力到達(dá)大氣壓力前 循環(huán)功的損失。循環(huán)功的損失。構(gòu)成構(gòu)成: : a. a.自由排氣損失自由排氣損失W W： 由于排氣門提前打開由于排氣門提前打開而引起的膨脹功的減少。而引起的膨脹功的減少。 b.b.強(qiáng)制排氣損失強(qiáng)制排氣損失Y Y：

8、活塞將廢氣推出所消活塞將廢氣推出所消耗的功。耗的功。排開排開排關(guān)排關(guān) 減少排氣損失的主要方法：減少排氣損失的主要方法：減小排氣系統(tǒng)阻力減小排氣系統(tǒng)阻力減小排氣門處的流動損失減小排氣門處的流動損失 最有利的排氣提前角應(yīng)使面積（最有利的排氣提前角應(yīng)使面積（W+Y）之）之和最小。和最小。 排氣門截面小時，為減少排氣損失，應(yīng)適當(dāng)排氣門截面小時，為減少排氣損失，應(yīng)適當(dāng)加大排氣提前角。加大排氣提前角。定義：定義：由于進(jìn)氣系統(tǒng)阻力的存在，使進(jìn)氣過程氣缸由于進(jìn)氣系統(tǒng)阻力的存在，使進(jìn)氣過程氣缸壓力低于進(jìn)氣管壓力而造成的損失壓力低于進(jìn)氣管壓力而造成的損失 。 2、進(jìn)氣損失、進(jìn)氣損失A換氣損失：換氣損失：( W+X

9、+Y )A泵氣損失：泵氣損失：(X+Y-u)增壓發(fā)動機(jī)與非增壓發(fā)動機(jī)換氣損失對比增壓發(fā)動機(jī)與非增壓發(fā)動機(jī)換氣損失對比換氣損失：換氣損失：理論循環(huán)理論循環(huán)換氣功與換氣功與實際循環(huán)實際循環(huán)換氣功之差。換氣功之差。第二節(jié)第二節(jié) 四沖程發(fā)動機(jī)的充量系數(shù)四沖程發(fā)動機(jī)的充量系數(shù)p充量系數(shù)充量系數(shù)c進(jìn)氣終了狀態(tài)壓力進(jìn)氣終了狀態(tài)壓力pa進(jìn)氣終了狀態(tài)溫度進(jìn)氣終了狀態(tài)溫度Ta殘余廢氣系數(shù)殘余廢氣系數(shù)r配氣相位配氣相位壓縮比壓縮比進(jìn)氣狀態(tài)進(jìn)氣狀態(tài) ps 、Tsp影響充量系數(shù)的因素影響充量系數(shù)的因素一、充量系數(shù)一、充量系數(shù)c定義定義：實際進(jìn)入氣缸的實際進(jìn)入氣缸的與與 進(jìn)氣狀態(tài)下進(jìn)氣狀態(tài)下 充滿氣缸工作容積的充滿氣缸工

10、作容積的的比值。的比值。sscVVmm11m1實際進(jìn)入氣缸的新鮮充量的質(zhì)量；實際進(jìn)入氣缸的新鮮充量的質(zhì)量；V1實際進(jìn)入氣缸的新鮮充量的體積；實際進(jìn)入氣缸的新鮮充量的體積；ms進(jìn)氣狀態(tài)下充滿氣缸工作容積的新鮮充量的質(zhì)量；進(jìn)氣狀態(tài)下充滿氣缸工作容積的新鮮充量的質(zhì)量；Vs進(jìn)氣狀態(tài)下充滿氣缸工作容積的新鮮充量的體積。進(jìn)氣狀態(tài)下充滿氣缸工作容積的新鮮充量的體積。充氣效率或容積效率充氣效率或容積效率柴油機(jī)：柴油機(jī)：0.90.75c汽油機(jī)汽油機(jī)：0.850.7c sscVVmm11m1實際進(jìn)入氣缸的新鮮充量的質(zhì)量；實際進(jìn)入氣缸的新鮮充量的質(zhì)量；V1實際進(jìn)入氣缸的新鮮充量的體積；實際進(jìn)入氣缸的新鮮充量的體積；

11、ms進(jìn)氣狀態(tài)下充滿氣缸工作容積的新鮮充量的質(zhì)量；進(jìn)氣狀態(tài)下充滿氣缸工作容積的新鮮充量的質(zhì)量；Vs進(jìn)氣狀態(tài)下充滿氣缸工作容積的新鮮充量的體積。進(jìn)氣狀態(tài)下充滿氣缸工作容積的新鮮充量的體積。二、充量系數(shù)二、充量系數(shù) 的表達(dá)式的表達(dá)式c排開排開排關(guān)排關(guān)進(jìn)關(guān)進(jìn)關(guān)二、充量系數(shù)二、充量系數(shù) 的表達(dá)式的表達(dá)式c1）進(jìn)氣門關(guān)閉時，缸內(nèi)氣體總質(zhì)量）進(jìn)氣門關(guān)閉時，缸內(nèi)氣體總質(zhì)量2）排氣門關(guān)閉時，缸內(nèi)殘余廢氣的質(zhì)量）排氣門關(guān)閉時，缸內(nèi)殘余廢氣的質(zhì)量3）充入氣缸的新鮮充量的質(zhì)量）充入氣缸的新鮮充量的質(zhì)量 ascaVVm)(進(jìn)氣終了時：進(jìn)氣終了時：進(jìn)氣狀態(tài)下：進(jìn)氣狀態(tài)下：aaaTp、sssTp、rrrVmrammm14）

12、殘余廢氣系數(shù)）殘余廢氣系數(shù)r1mmrr1)1 (mrma5）充量系數(shù)表達(dá)式）充量系數(shù)表達(dá)式ssascsascVVVrmmrmm)(11111assacccTTppr111進(jìn)氣終了狀態(tài)壓力進(jìn)氣終了狀態(tài)壓力pa進(jìn)氣終了狀態(tài)溫度進(jìn)氣終了狀態(tài)溫度Ta殘余廢氣系數(shù)殘余廢氣系數(shù)r配氣相位配氣相位壓縮比壓縮比進(jìn)氣狀態(tài)進(jìn)氣狀態(tài) ps 、Ts影響充量影響充量系數(shù)的因素系數(shù)的因素c三、影響充量系數(shù)三、影響充量系數(shù) 的因素的因素c 1進(jìn)氣終了時的壓力進(jìn)氣終了時的壓力pa pa對對 有重要影響，有重要影響，pa愈高，愈高， 值愈大值愈大 pa氣體流動時，克服進(jìn)氣系統(tǒng)阻力而引氣體流動時，克服進(jìn)氣系統(tǒng)阻力而引起起 的壓降

13、。的壓降。 ccasappp 由流體力學(xué)可知：由流體力學(xué)可知： 式中式中 管道阻力系數(shù)；管道阻力系數(shù)； 進(jìn)氣狀態(tài)下氣體的密度；進(jìn)氣狀態(tài)下氣體的密度； v 管道內(nèi)氣體的流速。管道內(nèi)氣體的流速。 可見，可見，pa主要取決于各段管道的阻力系數(shù)和氣體流主要取決于各段管道的阻力系數(shù)和氣體流速。若速。若 大、大、 v 高時，高時，pa增加，使增加，使pa下降，下降， 減小。減小。22vpac轉(zhuǎn)速和負(fù)荷對轉(zhuǎn)速和負(fù)荷對 pa 的影響的影響1）轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速 n增加，增加，v增大，增大，pa降低。降低。2）負(fù)荷負(fù)荷 汽油機(jī)：當(dāng)節(jié)氣門關(guān)小時，節(jié)流損失增加，引汽油機(jī)：當(dāng)節(jié)氣門關(guān)小時，節(jié)流損失增加，引起起 pa下降下降,

14、且且pa隨轉(zhuǎn)速的增加而下降的愈快，即曲隨轉(zhuǎn)速的增加而下降的愈快，即曲線變化愈陡。線變化愈陡。 柴油機(jī)：負(fù)荷調(diào)節(jié)為柴油機(jī)：負(fù)荷調(diào)節(jié)為“質(zhì)調(diào)節(jié)質(zhì)調(diào)節(jié)”，負(fù)荷減小時，負(fù)荷減小時pa變化很小。變化很小。22vpa 2進(jìn)氣終了時的溫度進(jìn)氣終了時的溫度Ta 進(jìn)氣終了時的溫度進(jìn)氣終了時的溫度Ta越高，充量系數(shù)越高，充量系數(shù) 越小。越小。 進(jìn)氣終了時的溫度進(jìn)氣終了時的溫度Ta高于進(jìn)氣狀態(tài)溫度高于進(jìn)氣狀態(tài)溫度Ts 。引起引起Ta升高的升高的原因原因: 1）新鮮工質(zhì)進(jìn)入發(fā)動機(jī)與高溫零件接觸而）新鮮工質(zhì)進(jìn)入發(fā)動機(jī)與高溫零件接觸而 被加熱。被加熱。 2）新鮮工質(zhì)與高溫殘余廢氣混合而被加熱。）新鮮工質(zhì)與高溫殘余廢氣混合

15、而被加熱。c 轉(zhuǎn)速和負(fù)荷對轉(zhuǎn)速和負(fù)荷對Ta 的影響的影響 1）轉(zhuǎn)速）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，所以壁等接觸時間短，傳熱量少，所以Ta稍有下降。稍有下降。 2）負(fù)荷）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，溫度升高，Ta有所上升。有所上升。3.殘余廢氣系數(shù)殘余廢氣系數(shù)r 1）r 增加，增加， c降低，燃燒惡化，油耗、排放增降低，燃燒惡化，油耗、排放增加；加； 2）壓縮比提高，）壓縮比提高，r 減?。粶p??； 3) 進(jìn)、排氣門的疊開角越大，進(jìn)、排氣門的疊開角越

16、大，r 越小。越小。 一般，柴油機(jī)的一般，柴油機(jī)的 r 比汽油機(jī)要低。比汽油機(jī)要低。 由于進(jìn)氣門遲閉由于進(jìn)氣門遲閉 1 ,新鮮充量的容積減小新鮮充量的容積減小,但但pa值卻可能因有氣流慣性而使進(jìn)氣有所增加值卻可能因有氣流慣性而使進(jìn)氣有所增加,合適的配合適的配氣相位應(yīng)考慮氣相位應(yīng)考慮 pa具有最大值。具有最大值。6. 進(jìn)氣狀態(tài)進(jìn)氣狀態(tài)Ts、ps壓力對壓力對c影響不大。影響不大。5. 壓縮比壓縮比 壓縮比增加壓縮比增加, ,余隙容積減小余隙容積減小, ,殘余廢氣量隨之減小殘余廢氣量隨之減小, ,因而因而c c有所增加。有所增加。4. 配氣相位配氣相位scscVVVV第三節(jié)第三節(jié) 提高發(fā)動機(jī)充量系數(shù)

17、的措施提高發(fā)動機(jī)充量系數(shù)的措施措施措施降低進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力降低進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力減少對進(jìn)氣充量的加熱減少對進(jìn)氣充量的加熱降低排氣系統(tǒng)的阻力降低排氣系統(tǒng)的阻力合理選擇配氣相位合理選擇配氣相位諧振進(jìn)氣與可變進(jìn)氣支管諧振進(jìn)氣與可變進(jìn)氣支管一、降低進(jìn)氣系統(tǒng)的流動阻力一、降低進(jìn)氣系統(tǒng)的流動阻力u 發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)是由空氣濾清器、進(jìn)氣發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)是由空氣濾清器、進(jìn)氣管、進(jìn)氣道和管、進(jìn)氣道和 等組成。等組成。u 減少各段通道的阻力，增大其流通能力，減少各段通道的阻力，增大其流通能力，是提高充量系數(shù)，改善發(fā)動機(jī)性能的主要是提高充量系數(shù)，改善發(fā)動機(jī)性能的主要途徑。途徑。1減少進(jìn)氣門處的流動損失減少進(jìn)氣門處的流動損

18、失（1）進(jìn)氣馬赫數(shù)）進(jìn)氣馬赫數(shù)M 進(jìn)氣馬赫數(shù)進(jìn)氣馬赫數(shù)M是進(jìn)氣門處氣流平均速度是進(jìn)氣門處氣流平均速度vm與與該處音速該處音速a之比，即之比，即M=vm/ a 。 M是決定氣流流動性質(zhì)，影響充量系數(shù)的重是決定氣流流動性質(zhì)，影響充量系數(shù)的重要參數(shù)。要參數(shù)。 M0.5左右，左右， 急劇下降。急劇下降。c（2）減小氣門處流動損失）減小氣門處流動損失措措 施施增大進(jìn)氣門直徑增大進(jìn)氣門直徑增加進(jìn)氣門數(shù)目增加進(jìn)氣門數(shù)目改善氣門處流體改善氣門處流體動力性能動力性能改進(jìn)配氣凸輪型線改進(jìn)配氣凸輪型線適當(dāng)增加氣門升程適當(dāng)增加氣門升程 由于進(jìn)氣過程的重要性，一般應(yīng)盡可能布置由于進(jìn)氣過程的重要性，一般應(yīng)盡可能布置較大尺

19、寸的進(jìn)氣門，以降低流經(jīng)進(jìn)氣門截面時的較大尺寸的進(jìn)氣門，以降低流經(jīng)進(jìn)氣門截面時的氣體流速，從而降低流動阻力氣體流速，從而降低流動阻力。 目前在目前在2氣門結(jié)構(gòu)中，進(jìn)氣門直徑氣門結(jié)構(gòu)中，進(jìn)氣門直徑d與缸徑與缸徑D的的比值可達(dá)比值可達(dá)45%50%。面積比為。面積比為0.20.25，這樣排，這樣排氣門不得不縮小，但過小的排氣門又會導(dǎo)致排氣氣門不得不縮小，但過小的排氣門又會導(dǎo)致排氣阻力的增大。阻力的增大。 1) 增大進(jìn)氣門直徑增大進(jìn)氣門直徑通過增大進(jìn)氣門直徑的方式來提高充量系數(shù)，通過增大進(jìn)氣門直徑的方式來提高充量系數(shù)，是受到限制的。是受到限制的。 2)增加進(jìn)氣門數(shù)目增加進(jìn)氣門數(shù)目 增加增加進(jìn)氣門數(shù)進(jìn)氣門

20、數(shù)，可以增大進(jìn)氣門的有效流，可以增大進(jìn)氣門的有效流通截面積。通截面積。 3)改善氣門處的流體動力性能改善氣門處的流體動力性能 4)改進(jìn)配氣凸輪型線，適當(dāng)增加氣門升程改進(jìn)配氣凸輪型線，適當(dāng)增加氣門升程 在慣性力容許條件下，使氣門開閉得盡可在慣性力容許條件下，使氣門開閉得盡可能快，從而提高氣門處的通過能力。能快，從而提高氣門處的通過能力。 適當(dāng)加大氣門桿身與頭部的適當(dāng)加大氣門桿身與頭部的過渡圓弧過渡圓弧，減，減小氣門座密封面的寬度等。小氣門座密封面的寬度等。1)進(jìn)氣道、進(jìn)氣管：進(jìn)氣道、進(jìn)氣管：保證足夠的流通面積，保證足夠的流通面積，避免急轉(zhuǎn)彎及截面突變，改善表面的光潔避免急轉(zhuǎn)彎及截面突變，改善表面的光潔程度。程度。2)空氣濾清器：空氣濾清器：在保證濾清效果的前提下，在