發(fā)動(dòng)機(jī)原理-第2版-教學(xué)課件-ppt--第三章-發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過(guò)程

1、第三章 發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過(guò)程3-1 四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過(guò)程3-2 充氣效率及其影響因素3-3 提高充氣效率的措施3-4 內(nèi)燃機(jī)增壓3-5 內(nèi)燃機(jī)廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng) 要點(diǎn)： 換氣過(guò)程評(píng)價(jià)方法、充氣效率的定義； 影響因素； 改善換氣過(guò)程的主要措施3-1 四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過(guò)程損失的來(lái)源作用：排除廢氣，充入新鮮氣體，為QW做物質(zhì)準(zhǔn)備.物理過(guò)程：換氣中缸壓、排氣背壓、進(jìn)排氣門(mén)流通面積的變化換氣過(guò)程：排氣+進(jìn)氣 1. 排氣過(guò)程：氣門(mén)開(kāi)啟關(guān)閉=180+oi+oc 由缸壓分為自由排氣和強(qiáng)制排氣 1）自由排氣 排氣門(mén)提前開(kāi)：3080CA， 此時(shí)： 排氣速度：聲速 超臨界排氣：總排氣量的60%排氣量缸內(nèi)氣體狀態(tài)和

2、排氣門(mén)有效流通截面積; 與n、pb等無(wú)關(guān) 2）強(qiáng)制排氣： 下止點(diǎn)到上止點(diǎn)；活塞推出，主要克服排氣阻力。 排氣遲關(guān)角： 1035CA 利用高速的氣流慣性盡可能多排氣。2. 進(jìn)氣過(guò)程：進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟關(guān)閉=180+io+ic 活塞下行，體積增加，氣缸真空，吸氣； 提前角：040CA 足夠開(kāi)啟面積，阻力； 遲關(guān)角：4070CA 利用氣流慣性，多進(jìn)氣隨發(fā)動(dòng)機(jī)工況，設(shè)計(jì)或控制最佳進(jìn)氣遲關(guān)角，對(duì)改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能至關(guān)重要。 3. 配氣定時(shí)及氣門(mén)疊開(kāi)現(xiàn)象 配氣相位圖：進(jìn)氣相位 排氣相位氣門(mén)疊開(kāi)現(xiàn)象： 在進(jìn)氣上止點(diǎn)，因進(jìn)氣提前角和 排氣遲關(guān)角的存在，使進(jìn)、排氣門(mén) 同時(shí)開(kāi)啟的現(xiàn)象。作用：掃氣、冷卻，多進(jìn)氣；缺點(diǎn)：過(guò)大時(shí)倒

3、流。 非增壓：2080CA 增壓：80160CA4. 換氣損失 換氣損失=進(jìn)氣損失(X)+排氣損失(W+Y)W:膨脹損失W:膨脹損失泵氣損失=Y+X-d 1）排氣損失：包括 自由排氣：排氣門(mén)提前開(kāi)引起的膨脹功減小W 又稱(chēng)彭脹損失 強(qiáng)制排氣：活塞推出廢氣所消耗的功Y； 確定排氣提前角的原則： 使W+Y最小 提前角過(guò)大：W過(guò)大， 工質(zhì)做工能力損失； 提前角過(guò)?。鹤杂膳艢舛危沙隽可伲?強(qiáng)制排氣阻力，Y 2）進(jìn)氣損失：進(jìn)氣系統(tǒng)阻力進(jìn)氣中氣缸壓力低于大氣 壓力的損失X。 所以：換氣損失=W+Y+X 泵氣損失=X+Y-d 進(jìn)氣損失0.5時(shí)，v 急劇下降； 所以，即使n，因單位時(shí)間充氣量無(wú)法增加； 功率得

4、不到提高。 故，必控制Ma。限制Ma的措施：合理的配氣相位；優(yōu)化匹配活塞平均速度、 氣缸直徑及氣門(mén)直徑 3) 多氣門(mén)結(jié)構(gòu)： 進(jìn)氣流通面積的方法： 氣門(mén)直徑、氣門(mén)數(shù)布置。增大氣門(mén)直徑djdp；原因？氣門(mén)升程L: 盡可能L； 一般，最大升程與氣門(mén)直徑比：L/dj=0.260.28多氣門(mén)：減小氣門(mén)處的流動(dòng)損失 4氣門(mén)：2進(jìn)2排；5氣門(mén)：3進(jìn)2排氣門(mén)頭部到桿身的過(guò)渡形狀流線形R r、r4）改善配氣機(jī)構(gòu)： 多氣門(mén)頂置布置。 凸輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)：SVOHV SOHC DOHC同名氣門(mén)排成兩列時(shí)S 同名氣門(mén)排成一列時(shí)D 取消搖臂，提高氣門(mén)響應(yīng)性；但凸輪升程受限2）進(jìn)氣道形狀及進(jìn)氣管長(zhǎng)度進(jìn)氣道：形成進(jìn)氣渦流

5、、滾流流動(dòng)損失增加。 合理設(shè)計(jì)進(jìn)氣道，形狀漸縮，內(nèi)壁面光滑，避免氣流急轉(zhuǎn)彎； 進(jìn)氣管阻力：歧管等長(zhǎng)度適當(dāng)，內(nèi)表面光滑，避免界面突變； 可變進(jìn)氣管長(zhǎng)波動(dòng)效應(yīng)。3）空濾器： 作用：濾清，消聲 保證濾清的前提下盡可能減少阻力措施二、合理選擇配氣定時(shí)n1n2進(jìn)氣遲關(guān)角的影響：c=40CA: n=n1時(shí)，vmax; nn1：氣門(mén)關(guān)，流動(dòng)損失， v c=60CA： n1vmax n2; vmax2n1，高速性；兼顧高低速措施：電控可變1）可變配氣相位機(jī)構(gòu) （1）MIVEC（Mitsubishi Innovative Valve timing and lift Electronic Control）系統(tǒng)：

6、特點(diǎn)：高低速2段式電控可變配氣相位的控制機(jī)構(gòu) 高速搖臂高速凸輪低速凸輪低速搖臂T型柄低速：控制油壓不起作用高速：控制油壓起作用休缸控制狀態(tài)高速控制模型：高速凸輪工作，低速凸輪空轉(zhuǎn)； 進(jìn)排氣凸輪升程，配氣相位低速控制模型：高速凸輪空轉(zhuǎn)，低速凸輪工作； 進(jìn)排氣凸輪升程，配氣相位休缸控制模型: 高低速凸輪都空 轉(zhuǎn)氣缸不換氣 停止工作。 MIVEC的控制效果及MIVEC的 MD控制功能高低速運(yùn)行模式切換點(diǎn)轉(zhuǎn)矩相同以免沖擊振動(dòng)MD（Modulated Displacement）控制效果：泵氣損失、冷損、排損 減小機(jī)械損失約44%；熱效率可提高17%左右(2) VVT-I (Variable Valve

7、Timing-intelligent)系統(tǒng)： 特點(diǎn)：隨n可連續(xù)改變進(jìn)氣凸輪軸相對(duì)曲軸的位置 改變配氣相位。1-油壓控制閥 2-VVT-i皮帶輪 3-螺旋齒輪 4-曲軸位置傳感器 5-機(jī)油泵 6-凸輪轉(zhuǎn)角傳感器 系統(tǒng)組成：控制原理： 驅(qū)動(dòng)：油壓控制柱塞齒輪4左右移動(dòng)，此時(shí) 1-遲后側(cè)油壓室 2-進(jìn)角側(cè)油壓室 3-內(nèi)齒輪 4-柱塞齒輪 5-外齒輪 6-帶輪柱塞內(nèi)外表面形成反向螺旋齒輪內(nèi)齒與凸輪軸蝸桿嚙合3相對(duì)曲軸偏轉(zhuǎn)外齒與外齒輪5嚙合帶輪6同步旋轉(zhuǎn)柱塞控制氣門(mén)重疊角實(shí)現(xiàn)內(nèi)部EGR柱塞和凸輪軸構(gòu)成渦輪蝸桿傳動(dòng)原理：ECU控制油壓柱塞左右移動(dòng)凸輪軸相對(duì)帶輪轉(zhuǎn)一定角度配氣相位連續(xù)可變。油壓室（遲后）油壓

8、室（進(jìn)角）凸輪軸外齒蝸桿與柱塞內(nèi)齒嚙合帶輪內(nèi)齒與柱塞外齒嚙合帶輪與曲軸鏈傳動(dòng)曲軸傳動(dòng)帶帶輪外齒輪柱塞齒輪凸輪軸2）凸輪驅(qū)動(dòng)油壓控制式可變配氣機(jī)構(gòu) 1-電磁閥 2-搖臂 3-凸輪4-油壓柱塞凸輪到氣門(mén)之間為高壓油路內(nèi)設(shè)有油壓柱塞；凸輪經(jīng)搖臂將其升程轉(zhuǎn)換為柱塞位移通過(guò)液壓控制 氣門(mén)開(kāi)啟。改變搖臂支點(diǎn)位置控制配氣定時(shí) 電磁閥控制油壓腔內(nèi)油壓控制氣門(mén)的不同升程3) 無(wú)凸輪液壓式可變配氣機(jī)構(gòu) 用電磁閥將高壓共軌內(nèi)油量進(jìn)行合理分配控制油壓柱塞位置控制氣門(mén)升程。1-油壓柱塞 2-位移傳感器 3-彈簧 4-數(shù)字脈沖5-三向閥油壓式可變配氣機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)：控制自由度高，提高進(jìn)排氣效率 氣門(mén)的豐滿系數(shù)接近1；主要缺點(diǎn)

9、：存在氣門(mén)落座速度的控制、電磁閥工作可靠性、以及成本高的問(wèn)題。 為精確控制氣門(mén)升程設(shè)置氣門(mén)位移傳感器措施三、進(jìn)氣管長(zhǎng)度及氣流的動(dòng)態(tài)效應(yīng)進(jìn)氣管對(duì)v的影響：進(jìn)氣管長(zhǎng)度進(jìn)氣系統(tǒng)阻力； 波動(dòng)效應(yīng)管道內(nèi)壓力波動(dòng) 1）可變進(jìn)氣管長(zhǎng)度：從進(jìn)氣阻力角度，越短越好，但氣管長(zhǎng)度低速充氣效率，且峰值 。 低速 低速區(qū)：氣流速度低，流動(dòng)損失不明顯；動(dòng)態(tài)波動(dòng)效應(yīng) v 高速區(qū)：氣流速度高，流動(dòng)損失明顯，v高速2）動(dòng)態(tài)效應(yīng)：慣性效應(yīng) 波動(dòng)效應(yīng) 用發(fā)動(dòng)機(jī)間歇進(jìn)排氣產(chǎn)生的進(jìn)排氣管內(nèi)壓力波v慣性效應(yīng)：利用進(jìn)氣行程中產(chǎn)生的壓力波，在進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉之前進(jìn)氣門(mén)處出現(xiàn)正壓波v的效果。 慣性效應(yīng)原理1-活塞(手) 2-氣缸容積（彈簧） 3-進(jìn)

10、氣閥 4-進(jìn)氣管氣體質(zhì)量（重塊） 壓力波：活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)氣缸容積變化而產(chǎn)生負(fù)壓引起 活塞：激振源；缸內(nèi)容積：彈簧;管內(nèi)氣流柱：慣性質(zhì)量。 本次進(jìn)氣行程中，進(jìn)氣壓力波的固有頻率： 當(dāng)轉(zhuǎn)速為n時(shí)，進(jìn)氣頻率 ： c：進(jìn)氣管內(nèi)氣體的聲速；L：進(jìn)氣管當(dāng)量長(zhǎng)度 則定義慣性效應(yīng)的波動(dòng)次數(shù) ： 由此確定慣性增壓n所對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣管長(zhǎng)度 L(2) 波動(dòng)效應(yīng)： 利用進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉后的進(jìn)氣管內(nèi)壓力波，來(lái)提高氣缸進(jìn)氣量的效果。進(jìn)氣管長(zhǎng)度調(diào)節(jié)，故需與慣性效應(yīng)同時(shí)考慮。進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉：氣門(mén)處向外傳正壓波，至管端反射;管端開(kāi)口邊界: 反相，負(fù)壓波；負(fù)壓波至氣門(mén)處反射負(fù)壓；負(fù)壓波至管端反射正壓波。 周而復(fù)始。正壓波與進(jìn)氣過(guò)程重合時(shí)可提高充氣

11、效率波動(dòng)效應(yīng)：氣體壓力波在進(jìn)氣管道內(nèi)2個(gè)來(lái)回完成一次振動(dòng)，其固有頻率為：故，波動(dòng)效應(yīng)的波動(dòng)次數(shù)為： 當(dāng)qb=1,2,時(shí)波動(dòng)效應(yīng)與進(jìn)氣同步,氣門(mén)開(kāi)啟期與負(fù)壓波重合，v 當(dāng)qb=1.5,2.5,時(shí),氣門(mén)開(kāi)啟期間與正壓波重合，v3）慣性可變諧振增壓進(jìn)氣系統(tǒng)動(dòng)態(tài)效應(yīng)是進(jìn)氣管內(nèi)壓力波的諧振結(jié)果諧振效果 同側(cè)的1/3/5缸和2/4/6缸各采用獨(dú)立進(jìn)氣共振管、穩(wěn)壓箱和各自的進(jìn)氣支管。穩(wěn)壓箱和各進(jìn)氣支管長(zhǎng)度構(gòu)成該氣缸慣性增壓系統(tǒng)。長(zhǎng)進(jìn)氣管2、穩(wěn)壓箱以及各氣缸構(gòu)成各自的共振系統(tǒng)。 圖3-21 慣性可變共振諧振管1-雙節(jié)氣門(mén) 2-共振管長(zhǎng) 3-慣性增壓 4-切換閥 5、7-共振增壓 6-進(jìn)氣支管慣性增壓共振管低速

12、時(shí)：第1缸進(jìn)氣終了進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉前，因進(jìn)氣壓縮波作用，兩個(gè)穩(wěn)壓箱內(nèi)氣柱經(jīng)共振管共振壓力波反射到第1缸，進(jìn)氣充量，此時(shí)慣性增壓系統(tǒng)停止工作。令，共振長(zhǎng)管內(nèi)的氣流質(zhì)量簡(jiǎn)化為慣性質(zhì)量（重塊）；兩個(gè)穩(wěn)壓箱簡(jiǎn)化為2個(gè)彈簧。則，共振管內(nèi)的氣柱在2個(gè)彈簧的作用下振動(dòng)。 相對(duì)共振管進(jìn)氣支管（慣性系統(tǒng)）很短、進(jìn)氣時(shí)氣缸容積相對(duì)穩(wěn)壓箱容積很小，所以慣性很小可忽略。高速時(shí)：共振管內(nèi)的氣流及2個(gè)穩(wěn)壓箱（軟彈簧）的氣流 因其固有頻率低而不共振； 只有短的慣性系統(tǒng)的氣柱共振而 v 因排氣能量大，溫度高，所以排氣壓力波振幅大、傳播速度快、排氣波動(dòng)效應(yīng)強(qiáng)烈； 利用排氣波動(dòng)效應(yīng)，氣門(mén)重疊期產(chǎn)生負(fù)壓，多排氣，減少殘余廢氣，減小泵氣損

13、失，充氣效率。措施四、排氣管的波動(dòng)效應(yīng)3.4 增壓技術(shù)一、分類(lèi) 增壓的目的：，氣缸充量，r，升功率，be和排放 1) 壓氣機(jī)驅(qū)動(dòng)方式不同：機(jī)械增壓機(jī)械損失 廢氣渦輪增壓回收廢氣能量 氣波增壓機(jī)械增壓種類(lèi)：離心式，b) 羅茨式 c) 滑片式 ，d) 螺旋式e) 轉(zhuǎn)子活塞式利用排氣壓力波壓縮進(jìn)氣2) 渦輪和增壓器復(fù)合方式：廢氣能量回收率， t 根據(jù)渦輪位置分三種：a)串聯(lián)后復(fù)合增壓 b)串聯(lián)前復(fù)合增壓 c)并聯(lián)復(fù)合增壓渦輪轉(zhuǎn)速：50000180000r/min；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速：18004000r/min；故均設(shè)減速器和離合器 a)b)c)3) 雙增壓聯(lián)結(jié)方式：直列雙增壓：小型/大型增壓器串聯(lián)； 低速：

14、小型增壓器工作 中高速：大型增壓器切換閥切換閥并列雙增壓：采用2個(gè)小型增壓器兼顧高低速避免各缸排氣干涉優(yōu)點(diǎn)：a，PL和比功率，單位功率造價(jià)；改善經(jīng)濟(jì)性；常用較大空燃比HC、CO和碳煙排放; 相對(duì)自然吸氣，回收排氣能量，t，排噪聲;增壓后，缸內(nèi)壓力和溫度提高，滯燃期縮短，有利于降低壓力升高率和燃燒噪聲。增壓技術(shù)的特點(diǎn):缺點(diǎn)：機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，影響工作可靠性和耐久性需限制缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力。不能兼顧高低速；加速響應(yīng)特性惡化。 從排氣能量變化到進(jìn)氣壓力的建立，需一定時(shí)間二、廢氣渦輪增壓器的能量回收 根據(jù)排氣能量利用方式渦輪增壓器分為：定壓增壓 脈沖增壓 1) 定壓渦輪增壓系統(tǒng)最大能量的回收：排氣狀態(tài)b

15、下，廢氣最大做功能力=面積b-f-1-b；由b狀態(tài)膨脹到渦輪入口(pT)的能量=面積b-e-5-b ；動(dòng)能在穩(wěn)壓箱內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱量加熱廢氣渦輪入口狀態(tài)由e變?yōu)閑 實(shí)際推動(dòng)渦輪工作的能量=面積2-4-e-f-2 +面積 i-g-4-2（掃氣）能量平衡：推動(dòng)渦輪工作的能量渦輪機(jī)效率=渦輪機(jī)推動(dòng)壓氣機(jī)做功所消耗的能量。特點(diǎn)：增壓后泵氣正功=面積a-5-4-3-a 。 定壓增壓排氣能量利用效率低：從損失能量5-b- e-5中只能回收一小部分，大部分能量排掉； 定壓增壓低速轉(zhuǎn)矩特性和加速響應(yīng)特性較差。WC=面積i-g-a-0=面積2-3-a-0+ 面積i-g-3-2掃氣所需能量進(jìn)氣壓力pb壓入氣缸所需能量C

16、:壓氣機(jī)效率m:機(jī)械效率(增)2）脈沖渦輪增壓系統(tǒng)： 目的：盡可能廢氣能量(b-e-5-b)的回收利用率。 特點(diǎn)：將排氣管設(shè)計(jì)成短而細(xì)； 盡可能減小排氣系統(tǒng)容積 使排氣直接迅速?lài)娙霚u輪機(jī)膨脹做功 減小節(jié)流損失。 為減小各缸排氣中壓力波的相互干擾； 將相鄰發(fā)火氣缸的排氣支管互相隔開(kāi)，使 同一根排氣管內(nèi)無(wú)其他缸同時(shí)排氣現(xiàn)象。 =40%50% 3）定壓增壓系統(tǒng)與脈沖增壓系統(tǒng)的比較：定壓增壓系統(tǒng)：排氣管容積大，脈動(dòng)能量損失 排氣能量回效率脈沖增壓； b2.5時(shí)定壓增壓脈沖增壓：掃氣性，因排壓處于波谷充氣效率，缸內(nèi)高溫零件熱負(fù)荷。加速響應(yīng)性：排管容積小脈沖增壓定壓增壓渦輪效率：脈沖增壓汽油機(jī)，而CO2含

17、量少可實(shí)施較大EGR率=40%50%。柴油機(jī)實(shí)施EGR后，在保持經(jīng)濟(jì)性的前提下，可有效降低NOx排放量。 三、EGR系統(tǒng) 1）汽油機(jī)的EGR系統(tǒng)：機(jī)械式和電控式兩種 機(jī)械式EGR系統(tǒng)：進(jìn)氣壓力和排氣壓力來(lái)調(diào)節(jié)EGR閥開(kāi)度控制EGR率。缺點(diǎn)：所能控制的EGR率較小515%，且控制自由度受限制。 電控EGR系統(tǒng)：由ECU控制電磁閥任意控制EGR率；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且可精確地實(shí)施較大的EGR率（1520%）。系統(tǒng)組成：由EGR閥及其控制系統(tǒng)構(gòu)成EGR閥結(jié)構(gòu)：與機(jī)械式基本相同；將EGR閥的負(fù)壓控制系統(tǒng)電控式用專(zhuān)用電磁閥控制負(fù)壓室真空度安裝在發(fā)電機(jī)上的真空泵提供。 1EGR開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) 有三種：簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)式；

18、EGR率可變式； 背壓修正式。 ECU電磁閥EGR閥ECUVCM 電磁閥 EGR閥 EGR率可變式：由臺(tái)架標(biāo)定:EGR率-n-進(jìn)氣量三維MAP; ECU判斷E/G工況 控制電磁閥控制VCM閥的開(kāi)關(guān)時(shí)刻 調(diào)節(jié)負(fù)壓室真空度 控制EGR閥不同開(kāi)度 實(shí)現(xiàn)EGR率de控制。 EGR閥位移傳感器 ECU 電磁閥 2EGR閉環(huán)控制系統(tǒng)：提高EGR率的控制精度 特點(diǎn)：EGR閥開(kāi)度作為反饋信號(hào)反饋控制?；蛟谶M(jìn)氣穩(wěn)壓箱內(nèi)設(shè)EGR率傳感器作為反饋信號(hào)2）柴油機(jī)EGR系統(tǒng)：外部EGR和內(nèi)部EGR兩種。（1）外部EGR系統(tǒng)特點(diǎn)：增壓柴油機(jī)的EGR率 pp-pj 中低速區(qū)：易實(shí)施EGR。但隨n和負(fù)荷，pj，在高速下難實(shí)現(xiàn)EGR。 任何工況，都易實(shí)現(xiàn)EGR；但壓氣機(jī)易污染、腐蝕；耐久性和可靠性 （2）內(nèi)部EGR系統(tǒng)通過(guò)排氣門(mén)相位的控制易實(shí)現(xiàn)EGR。 機(jī)械式內(nèi)部EGR系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在排氣相位凸輪之后專(zhuān)門(mén)設(shè)置一個(gè)EGR凸輪。 內(nèi)部EGR率：通過(guò)EGR凸輪升程和半包角以及EGR凸輪工作時(shí)刻來(lái)控制。 要點(diǎn)：換氣的實(shí)質(zhì)進(jìn)氣量？，進(jìn)氣成分？實(shí)際循環(huán)的特點(diǎn)：換氣過(guò)程的各損失影響動(dòng)力性 整車(chē)動(dòng)力性、