柴油機換氣過程

1、第四章第四章 換氣機構(gòu)與增壓換氣機構(gòu)與增壓第一節(jié)第一節(jié) 換氣過程及換氣質(zhì)量評定參數(shù)換氣過程及換氣質(zhì)量評定參數(shù)第二節(jié)第二節(jié) 換氣機構(gòu)換氣機構(gòu)第三節(jié)第三節(jié) 廢氣渦輪增壓廢氣渦輪增壓第四節(jié)第四節(jié) 廢氣渦輪增壓器廢氣渦輪增壓器第五節(jié)第五節(jié) 增壓器故障與維護管理增壓器故障與維護管理第一節(jié)第一節(jié) 柴油機的換氣過程及換柴油機的換氣過程及換氣質(zhì)量評定參數(shù)氣質(zhì)量評定參數(shù)一、氣閥與氣口的角面值和時面值一、氣閥與氣口的角面值和時面值二、四沖程柴油機的換氣過程二、四沖程柴油機的換氣過程三、二沖程柴油機的換氣過程三、二沖程柴油機的換氣過程四、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)一、氣閥與氣口的角面值和時面一

2、、氣閥與氣口的角面值和時面值值u換氣過程的定義換氣過程的定義u換氣的意義換氣的意義u評定換氣過程好壞的標志評定換氣過程好壞的標志 氣閥與氣口的角面值和時面值氣閥與氣口的角面值和時面值u四沖程柴油機氣閥開啟的流通面積四沖程柴油機氣閥開啟的流通面積u二沖程柴油機氣閥開啟的流通面積二沖程柴油機氣閥開啟的流通面積u角面值、時面值角面值、時面值u進、排氣氣流的流通能力進、排氣氣流的流通能力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

3、、經(jīng)濟性、可靠性及排氣污染，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四沖程柴油機氣閥開啟的流通面積四沖程柴油機氣閥開啟的流通面積w在換氣過程在換氣過程中，中，氣閥的氣閥的開度是由配開度是由配氣凸輪形線氣凸輪形線控制控制而變化，而變化，其流通面積其流通面積fv是變化的。是變化的。二沖程柴油機氣閥開啟的流通面積二沖程柴油機氣閥開啟的流通面積iipinpiphlfsinsin=w在換氣過程中，在換氣過程中，氣閥的氣閥的開度

4、是由配氣凸輪形線開度是由配氣凸輪形線控制而變化，氣口的流控制而變化，氣口的流通面積由活塞運動決定通面積由活塞運動決定，他們的流通面積他們的流通面積fv或或fp也也是變化的。是變化的。角面值和角面值和時面值時面值w角面值：氣閥或氣口流通面積角面值：氣閥或氣口流通面積f f 的曲線與橫坐標的曲線與橫坐標 的所的所圍的面積（流通面積曲線對曲柄轉(zhuǎn)角的積分值），稱為圍的面積（流通面積曲線對曲柄轉(zhuǎn)角的積分值），稱為角面值。角面值。w時面值的定義時面值的定義：流通面積：流通面積f f與時間與時間t t所圍的面積所圍的面積 w當轉(zhuǎn)速當轉(zhuǎn)速n n不變時，即有不變時，即有w角面值不隨柴油機轉(zhuǎn)速的變化，而時面值則會

5、相應的變化（如角面值不隨柴油機轉(zhuǎn)速的變化，而時面值則會相應的變化（如轉(zhuǎn)速升高，時面值減?。?。轉(zhuǎn)速升高，時面值減?。?。fd30fdtnfdfdt進排氣氣流的流通能力（流量）進排氣氣流的流通能力（流量）tttfdtcfdtcdG000=Gw當流道前后的壓力差為定值時，當流道前后的壓力差為定值時，即流速即流速c為常數(shù)時，時面值越為常數(shù)時，時面值越大，流量越大；大，流量越大；w當流量為定值時，時面值越大，當流量為定值時，時面值越大，所需流速越小，即流道壓力差所需流速越小，即流道壓力差越小。越小。w結(jié)論：時面值表示了氣閥與氣結(jié)論：時面值表示了氣閥與氣口的流通能力?？诘牧魍芰Α注意：柴油機在工作時，氣

6、口、注意：柴油機在工作時，氣口、氣閥結(jié)炭，臟污，開度不足都會氣閥結(jié)炭，臟污，開度不足都會引起時面值減小，柴油機工作性引起時面值減小，柴油機工作性能變差。能變差。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：自由排氣階段自由排氣階段強制排氣階段強制排氣階段進氣階段進氣階段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四沖程柴油機的定時圖定時圖自由排自由排氣階段氣階段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

7、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

8、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結(jié)束到排氣閥關(guān)閉這一階段n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。 n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

9、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。 n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致廢氣倒流，最理想的關(guān)閉角是當廢氣遲閉角會導致廢氣倒流，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

10、止時。進氣階段進氣階段w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）w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

11、縮比減小?？s比減小。w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w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排氣閥關(guān)閉這段時間進氣閥和排氣閥同時開啟所對應的曲軸轉(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80140CAw燃燒室掃氣：在氣閥疊開期間新鮮空

12、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：n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n新鮮冷空氣對新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pkpd-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

13、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shs= 自由排氣階段自由排氣階段（B-R） 從從排氣口排氣

14、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

15、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

16、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?？谂胖僚艢夤埽蚨@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，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)w殘余廢氣系數(shù)殘余廢氣系數(shù) rn定義定義 n降低降低 r值的措施值的措施 w充量系數(shù)充量系數(shù)(充氣效率充氣效率) v n定義定義 n影響因素影響因素 w掃氣效率掃氣效率 s w掃氣過量空氣系數(shù)掃氣過量空氣系數(shù) k w掃氣系數(shù)掃氣系

17、數(shù) S w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)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

18、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

19、的 v最大。最大。()()rassarassasasssaaarsrarrasssvTTppTTppVVRTVpRTVpGGGGGGVVVVGG+111=+11=+11=+1=+1=+=0000000-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?。阂怪饕羞M、排氣通道的形狀，表面狀況，通流截面的大?。阂惯M、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，應選擇合理的氣口形狀和盡可能大的進、排提高。為此，應選擇合理的氣口形狀和盡可能大的進、排氣閥直徑。氣

20、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，相應地增加時，相應地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

21、下降，下降，對目前發(fā)展中的長行對目前發(fā)展中的長行程柴油機不利程柴油機不利。w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。w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w v / /f2當進、排氣道及設備污染、阻塞、積炭嚴重，會使進氣阻當進、排氣道及設備污染、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

22、加，流通面積f下降下降w進氣溫度上升進氣溫度上升2.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。四沖程之間

23、。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=GGrr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)束后留在氣缸中的新鮮空氣量G0與氣缸內(nèi)全部與氣缸內(nèi)

24、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。 rasGG+11=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