汽車發(fā)動機原理-教學課件-3發(fā)動機的換氣過程

第三章發(fā)動機的換氣過程第三章發(fā)動機的換氣過程1第三章發(fā)動機的換氣過程發(fā)動機的排氣過程和進氣過程的總和，統(tǒng)稱為換氣過程。換氣過程的任務:是將缸內的廢氣排凈，吸入盡可能多的新鮮工質。

第三章發(fā)動機的換氣過程發(fā)動機的排氣過程和進氣過程的總和，2

目錄第一節(jié)四沖程發(fā)動機的換氣過程第二節(jié)充量與充氣效率第三節(jié)影響充氣效率的因素第四節(jié)提高充氣效率的措施目錄第一節(jié)四沖程發(fā)動機的換氣過程3一、換氣過程發(fā)動機運行時，在如此短的換氣時間內，要使排氣干凈，進氣充足是比較困難的。為了增加氣門開啟時間，充分利用氣流的流動慣性以及減少換氣損失，改善換氣過程，提高發(fā)動機性能。進、排氣門一般都提前開啟，遲后關閉，不受活塞行程的限制。整個換氣過程超過兩個沖程，約占曲軸轉角410°～490°。一、換氣過程發(fā)動機運行時，在如此短的換氣時間內，要使排氣干凈4一、換氣過程

根據(jù)氣體流動特點和進排氣門運動規(guī)律，換氣過程分為：

自由排氣階段；強制排氣階段；進氣過程階段。

強制排氣進氣過程自由排氣一、換氣過程根據(jù)氣體流動特點和進排氣門運5一、換氣過程一、換氣過程6從排氣門在下止點前開始開啟，到氣缸內壓力接近于排氣管壓力這個時期，稱為自由排氣階段。如圖3—1所示，氣門開啟時，氣缸內壓力較高(大于排氣管壓力2倍以上)，可利用廢氣自身的壓力自行排出。此時，排氣流處于超臨界狀態(tài)，流過排氣門處的氣體流速，等于在該處氣體狀態(tài)下的音速。其流量只決定于氣門開啟面積，并和氣體狀態(tài)有關，與排氣門前后的壓差無關。1．自由排氣階段從排氣門在下止點前開始開啟，到氣缸內壓力接近于排氣管壓力這個7隨著活塞的推移，缸內壓力不斷下降，當缸內壓力與排氣管壓力之比為1．9以下時，排氣流進入亞臨界狀態(tài)，排氣量由氣缸壓力和排氣管內的壓力差來決定，壓力差越大，排出的廢氣量越大。當?shù)侥骋粫r刻，氣缸內壓力與排氣管內壓力相等時，自由排氣階段結束，一般在下止點后10?！?0。曲軸轉角。此階段雖然歷程較短，但廢氣流速很高，排出的廢氣量可達60％以上。1．自由排氣階段隨著活塞的推移，缸內壓力不斷下降，當缸內壓力與排氣管壓力之比82．強制排氣階段這個階段是由上行的活塞強制將廢氣推出。此時流速取決于氣缸內外的壓力差。壓差越大，氣流速度越大，但耗功也越多。排氣門一般在上止點后10～35°曲軸轉角才關閉，這主要是因為在上止點附近，廢氣尚有一定流動能量，可利用氣流慣性進一步排氣，減少缸內剩余廢氣量，同時還可以減少排氣阻力。2．強制排氣階段這個階段是由上行的活塞強制將廢氣推出。此時流9為了使新鮮空氣充量更順利地進入氣缸，盡可能保證在活塞下行時有足夠大的進氣截面積，減小進氣阻力，進氣門一般在上止點前0～40°曲軸轉角翻開。為了利用高速氣流的慣性，進氣門通常在下止點后40～70°曲軸轉角才關閉，以增加進氣量。3．進氣過程為了使新鮮空氣充量更順利地進入氣缸，盡可能保證在活塞下行時有10排氣門的遲后關閉和進氣門的提前開啟，使得在上止點附近一定的曲軸轉角范圍內，存在著進、排氣門同時開啟的現(xiàn)象，稱為氣門疊開。氣門疊開角一般為20～60度曲軸轉角；增加新鮮空氣充量；利用新氣幫助去除廢氣，減少氣缸中廢氣量；疊開角過大可能發(fā)生廢氣倒流入進氣管中。4．氣門疊開排氣門的遲后關閉和進氣門的提前開啟，使得在上止點附近一定的曲111、自由排氣定義：從排氣門翻開到氣缸壓力接近排氣管壓力所對應的階段。分段及詳解前期〔超臨界排氣〕：，廢氣以聲速流經排氣門口，與壓差無干。C=〔KRT〕1/2，420-827°C時，500m/s-700m/s。中期〔亞臨界排氣〕：1.9>Pb/Pr>1，流速低于音速且取決于壓差。結束階段：Pb與Pr趨于一致，廢氣不能自由排出，需活塞上行推出廢氣。一、換氣過程1、自由排氣一、換氣過程121.自由排氣特點排出廢氣量與工況〔尤其是轉速〕無關僅取決于缸內狀態(tài)及排氣管阻力〔結束標志為壓力平衡〕。時間極短但有近60％的廢氣在此階段排出。2.強制排氣定義：克服排氣系統(tǒng)阻力活塞強制推出廢氣。一、換氣過程1.自由排氣一、換氣過程133.進氣過程定義：活塞下行、缸內容積增加、缸內壓力下降、環(huán)境壓力－缸內壓力>進氣系統(tǒng)阻力，吸入新鮮工質。特點：初期缸內容積增加、壓差缺乏不進氣，進氣系統(tǒng)壓力急劇下降。壓力下降到壓差>＝進氣阻力后壓力幾乎不變。一、換氣過程3.進氣過程一、換氣過程14二、換氣損失換氣過程的損失包括：排氣損失進氣損失二、換氣損失換氣過程的損失包括：15汽車發(fā)動機原理-教學課件-3發(fā)動機的換氣過程161．排氣損失排氣損失是從排氣門提前翻開，直到進氣行程開始，氣缸內壓力到達大氣壓力之前，循環(huán)功的損失。它可分為：1)自由排氣損失，是由于排氣門提前翻開而引起的膨脹功的減少。2)強制排氣損失，是活塞上行強制推出廢氣所消耗的功。1．排氣損失排氣損失是從排氣門提前翻開，直到進氣行程開始，氣171．排氣損失隨著排氣提前角增大，自由排氣損失增加，強制排氣損失減??；如排氣提前角減少，那么強制排氣損失增加。

最有利的排氣提前角應使自由排氣損失與強制排氣損失之和為最小。減少排氣損失的主要措施：減小排氣系統(tǒng)阻力排氣門處的流動損失1．排氣損失隨著排氣提前角增大，自由排氣損失增加，強制排氣損18定義：進氣損失主要是指進氣過程中，因進氣系統(tǒng)的阻力而引起的功的損失。與排氣損失相比相對較小排氣損失與進氣損失之和，稱為換氣損失。2．進氣損失定義：進氣損失主要是指進氣過程中，因進氣系統(tǒng)的阻力而引起的功19泵氣損失定義：在實際換氣過程中，由于工質流動時節(jié)流、摩擦等原因的存在，產生的能量損失，泵氣損失又稱為泵氣過程功。這局部損失放在機械損失中加以考慮。泵氣損失定義：在實際換氣過程中，由于工質流動時節(jié)流、摩擦等原20第二節(jié)充量和充氣效率充量即充氣量，是指在進氣過程中，充入氣缸的新鮮空氣或可燃混合氣。每循環(huán)充量：每循環(huán)充量是指發(fā)動機在每一個循環(huán)的進氣過程中，實際進入氣缸的新鮮氣體(空氣或可燃混合氣)的質量，即循環(huán)實際充量，用△m表示。單位時間充量：單位時間充量是指每小時進入氣缸的新鮮氣體的質量，用△mh表示，

第二節(jié)充量和充氣效率充量即充氣量，是指在進氣過程中，充入氣21每循環(huán)充量前已分析，由于排氣系統(tǒng)存在阻力，當排氣門關閉時，氣缸內尚有一局部剩余廢氣存在，所占氣缸為vr壓力為pr溫度為Tr那么其質量為進氣終了時，氣缸內既有新鮮充量，又有剩余廢氣，所占比體積為va、壓力為pca溫度為tca，那么氣缸內氣體的總質量為每循環(huán)充量前已分析，由于排氣系統(tǒng)存在阻力，當排氣門關閉時，氣22每循環(huán)充量充入氣缸的新鮮充量為剩余廢氣系數(shù)是指每循環(huán)殘留在氣缸內的廢氣質量△mr與新鮮充量△m之比。剩余廢氣量有多少？每循環(huán)充量充入氣缸的新鮮充量為剩余廢氣量有多少？23每循環(huán)充量氣缸內氣體的總質量又可以表示為氣缸內的新鮮充量可表示為每循環(huán)充量氣缸內氣體的總質量又可以表示為24單位時間充量單位時間充量是指每小時進入氣缸的新鮮氣體的質量，用△mh表示。式中：n—發(fā)動機轉速

i—

氣缸數(shù)單位時間充量單位時間充量是指每小時進入氣缸的新鮮氣體的質量，25單位時間充量如果每循環(huán)充量△m保持不變，轉速增加；單位時間充量△mh會直線增加，發(fā)動機功率也會不斷增加。當轉速增加時，每循環(huán)充量不可防止地要降低，以至于單位時間充量的增加逐漸緩慢。當轉速增到某一數(shù)值后，△mh到達最大值(此時進氣流速到達音速)，充量根本保持不變。單位時間充量如果每循環(huán)充量△m保持不變，轉速增加；26充氣效率定義：發(fā)動機每一工作循環(huán)進入氣缸的實際充量，與進氣狀態(tài)下能充滿氣缸工作容積的理論充量的比值，稱為充氣效率，用φc表示，即式中：△m。—進氣狀態(tài)充滿氣缸工作容積的理論充量。所謂進氣狀態(tài)，是指經空氣濾清器后進氣管內的氣體狀態(tài)。為測量方便，在非增壓發(fā)動機上，一般都采用當時的大氣狀態(tài)；在增壓發(fā)動機上，采用增壓器出口的狀態(tài)。

充氣效率定義：發(fā)動機每一工作循環(huán)進入氣缸的實際充量，與進氣狀27充氣效率假設大氣壓力及溫度分別為p。和T。，氣缸工作容積的理論充量為△m。，那么充氣效率假設大氣壓力及溫度分別為p。和T。，氣缸工作容積的理28充氣效率充氣效率29充氣效率充氣效率φc與發(fā)動機的氣缸容積無關，可用來評定不同排量發(fā)動機換氣過程好壞。φc越大，每循環(huán)實際充量越多，每循環(huán)可燃燒的燃料隨之增加，動力性越好。

充氣效率充氣效率φc與發(fā)動機的氣缸容積無關，可用來評定不同排30充氣效率可直接測定，用流量計測出發(fā)動機每小時實際充氣量V1〔〕，理論充氣量V〔〕由下面的公式算出：式中：Vs——氣缸工作容積〔L〕；i——氣缸數(shù)；n——發(fā)動機轉速〔r／min〕。充氣效率可直接測定，用流量計測出發(fā)動機每小時實際充氣量V1〔31第三節(jié)影響充氣效率的因素一、充氣效率的表達式進氣門關閉時缸內氣體的總質量為：設排氣門關閉時缸內剩余廢氣的質量為：充入氣缸新鮮充量的質量為：第三節(jié)影響充氣效率的因素一、充氣效率的表達式32一、充氣效率的表達式令，，、是考慮進、排氣門遲閉角的影響，那么一、充氣效率的表達式33一、充氣效率的表達式設剩余廢氣與新鮮充量的氣體常數(shù)R近似相等，將氣體狀態(tài)方程代入上式，那么式中：Ts、ps—進氣狀態(tài)的溫度和壓力；Ta、pa—進氣終了時的氣體溫度和壓力；Tr、pr—剩余廢氣的溫度和壓力；—壓縮比。一、充氣效率的表達式設剩余廢氣與新鮮充量的氣體常數(shù)R近似相等34一、充氣效率的表達式剩余廢氣系數(shù)：進氣過程結束時氣缸內剩余廢氣量與氣缸中新鮮充量的比值。一、充氣效率的表達式剩余廢氣系數(shù)：進氣過程結束時氣35二、影響充氣效率的因素進氣終了的壓力進氣終了的溫度剩余廢氣系數(shù)壓縮比配氣相位負荷二、影響充氣效率的因素進氣終了的壓力361.進氣終了的壓力進氣終了的壓力越大，充氣效率越大式中，為氣體流動時，克服進氣系統(tǒng)阻力而引起的壓降〔kPa〕。其中：——管道阻力系數(shù)；——進氣狀態(tài)下氣體的密度〔kg／ms〕；——管道內氣體的流速〔m/s〕。1.進氣終了的壓力進氣終了的壓力越大，充氣效率越大37轉速的影響1.進氣終了的壓力轉速的影響1.進氣終了的壓力38負荷的影響〔n一定〕汽油機〔量調節(jié)〕，負荷↓〔節(jié)氣門小〕。柴油機〔質調節(jié)〕負荷↑→不變，根本不變或稍↓。1.進氣終了的壓力負荷的影響〔n一定〕1.進氣終了的壓力392.進氣終了的溫度

的原因：①高溫零件加熱；②剩余廢氣加熱；③進氣預熱。影響因素：負荷↑〔接觸時間短〕2.進氣終了的溫度的原因：影響因素：負荷↑403.剩余廢氣系數(shù)剩余廢氣系數(shù)增大，充氣效率降低，而且使燃燒惡化。特別是汽油機低負荷運轉時，稀釋可燃混合氣，使燃燒過程緩慢，經濟性和排放性能變差。剩余廢氣系數(shù)范圍四行程非增壓柴油機～四行程增壓柴油機0～四行程汽油機～3.剩余廢氣系數(shù)剩余廢氣系數(shù)增大，414.壓縮比壓縮比增大氣缸余隙減小剩余廢氣系數(shù)減小提高沖量系數(shù)4.壓縮比壓縮比增大425.配氣相位進氣門遲閉角增加〔〕新鮮充量的容積減小，但進氣終了壓力值卻可能因有氣流慣性而增大適宜的配氣定時應考慮具有最大值。5.配氣相位進氣門遲閉角增加〔〕436.進氣或大氣狀態(tài)

增大由于新氣和缸壁溫差小提高充氣效率

6.進氣或大氣狀態(tài)44第四節(jié)提高充氣效率的措施一、減少進氣系統(tǒng)的阻力〔一〕減少進氣門座處的流動損失增大進氣門開啟的時面值氣門開啟斷面與對應的開啟時間的乘積稱為開啟時間值。氣門開啟時間長，開啟斷面大，那么開啟時面值大，氣流通暢，阻力小。第四節(jié)提高充氣效率的措施一、減少進氣系統(tǒng)的阻力45增大進氣門開啟的時面值圖3-6所示，其門開啟的最小斷面為氣門錐體側面積。增大進氣門開啟的時面值圖3-6所示，其門開啟的最小斷面為氣門46增大進氣門開啟的時面值增大進氣門開啟的時面值47增大進氣門開啟的時面值增大進氣門頭部直徑，減小氣門頭部錐角，增大氣門升程，延長氣門開啟時間，均可擴大氣門開啟時面值。從而擴大氣流通過能力，減少阻力提高充氣效率。但增大氣門直徑受到燃燒室結構的限制，因此常用減小排氣門頭部直徑的方法，相應增大進氣門頭部直徑。增大進氣門開啟的時面值增大進氣門頭部直徑，減小氣門頭部錐角，48增大進氣門開啟的時面值現(xiàn)代發(fā)動機單進氣門結構中，進氣門直徑可達活塞直徑的45％-50％，氣門和活塞面積比為～。減小氣門錐角也受到強度剛度的限制，不宜太小。增大氣門升程和延長開啟時間，又受慣性力和配氣相位改變的限制，涉及問題較多，影響也較復雜。增大進氣門開啟的時面值現(xiàn)代發(fā)動機單進氣門結構中，進氣門直徑可49〔一〕減少進氣門座處的流動損失2.合理控制進氣門處氣流的平均速度。3.增加進氣門的數(shù)目一般采用雙進氣門和雙排氣門或三個進氣門、二個排氣門的結構，提高充氣效率?！惨弧硿p少進氣門座處的流動損失2.合理控制進氣門處氣流的平均50第四節(jié)提高沖氣效率的措施一、減少進氣系統(tǒng)的阻力〔一〕減少進氣門座處的流動損失增大進氣門直徑，選擇適宜的排氣門直徑增加氣門的數(shù)目改善進氣門初流體動力性能，減小氣門處流動損失采取較小的S/D值〔短行程〕第四節(jié)提高沖氣效率的措施一、減少進氣系統(tǒng)的阻力51汽車發(fā)動機原理-教學課件-3發(fā)動機的換氣過程521.增大進氣門直徑，選擇適宜的排氣門直徑在雙氣門〔一進一排〕式中：d——進氣門直徑D——氣缸缸徑1.增大進氣門直徑，選擇適宜的排氣門直徑在雙氣門〔一進一排53流動阻力沿程阻力

取決于管子的長度、直徑、管壁粗糙度、氣體流速局部阻力取決于流道截面積大小、形狀以及因流動方向的改變使流道內分布發(fā)生變化而引起的。1.增大進氣門直徑，選擇適宜的排氣門直徑較小流動阻力1.增大進氣門直徑，選擇適宜的排氣門直徑較小54汽車發(fā)動機原理-教學課件-3發(fā)動機的換氣過程551.增大進氣門直徑，選擇適宜的排氣門直徑進氣馬赫數(shù)Ma定義：進氣門處氣體的平均速度與該處聲速c的比值。它反映流動對充氣效率的影響，成為分析充氣效率的一個特征數(shù)。2.合理控制進氣門處氣流的平均速度。1.增大進氣門直徑，選擇適宜的排氣門直徑進氣馬赫數(shù)Ma2.561.增大進氣門直徑，選擇適宜的排氣門直徑1.增大進氣門直徑，選擇適宜的排氣門直徑572.增加氣門的數(shù)目多氣門結構缸徑大于80mm時，采用二進二排結構；缸徑小于80mm時，采用三進二排結構。優(yōu)點四氣門機與兩氣門機相比，功率可提高70%，扭矩可提高30%。缺點結構復雜，造價高；低速時扭矩小。2.增加氣門的數(shù)目多氣門結構58汽車發(fā)動機原理-教學課件-3發(fā)動機的換氣過程593.改善進氣門處流體動力性能，

減少氣門處流動損失適當增加氣門升程，改進凸輪型線，減小運動件質量，增加零件剛度，在慣性力允許條件下使氣門開閉得盡可能。適當加大氣門桿身與頭部的過渡圓弧，減小氣門座密封面的寬度，修圓氣門座密封錐面的尖角等措施，均可改善進氣門處流體動力性能，減小流動損失。3.改善進氣門處流體動力性能，

減少氣門處流動損失適當增加604.采取較小的S/D值〔短行程〕轉速不變得情況下S/D值減小活塞平均速度減小馬赫數(shù)降低缸徑增大，還可以采用大的氣門直徑4.采取較小的S/D值〔短行程〕轉速不變得情況下61一、減少進氣系統(tǒng)的流動損失〔二〕減小整個進氣管道的流動阻力進氣道進氣管空氣濾清器化油器一、減少進氣系統(tǒng)的流動損失〔二〕減小整個進氣管道的流動阻力621.進氣道主要措施改善進氣道形狀，減小阻力改善進氣道形狀，使新鮮工質形成渦流一般應具有足夠的流通面積表現(xiàn)光滑拐彎小多段通道連接對中1.進氣道主要措施632.進氣管進氣管道結構、尺寸及外表質量對充氣效率有較大影響。進氣管道應保證足夠的氣體流通面積和結構上的要求。汽油機還必須考慮燃料的蒸發(fā)、氣化和分配；柴油機還應利于進氣渦流的形成，以改善混合氣的品質和燃燒等。2.進氣管進氣管道結構、尺寸及外表質量對充氣效率有較大影響。64三種進氣管截面形狀圓形圓形斷面流動阻力最小矩形矩形最大D形D形居中為了改善發(fā)動機低速時動力性和保證高速時進氣充分，現(xiàn)代發(fā)動機還采用可變長度的進氣管。由進氣歧管轉換電磁閥控制轉換輥，在發(fā)動機高轉速范圍，電磁閥工作，使進氣通道變短。在相同截面情況下2.進氣管三種進氣管截面形狀在相同截2.進氣管65汽車發(fā)動機原理-教學課件-3發(fā)動機的換氣過程663.空氣濾清器空氣濾清器阻力隨結構而不同。阻力大小隨使用時間的延長而增大。它必須在保證濾清效果的前提下，盡可能減小阻力，如加大通過斷面，改正濾清器性能。在使用中，應經常清洗濾清器，及時更換濾芯。3.空氣濾清器空氣濾清器阻力隨結構而不同。67汽車發(fā)動機原理-教學課件-3發(fā)動機的換氣過程684.化油器由于化油器喉管斷面小，流動阻力大。為了減小喉管阻力而又不影響燃料霧化，常采用多腔多喉管化油器。近年來汽油機采用電控燃油噴射系統(tǒng)，取消了化油器，既可以減小進氣阻力，同時又滿足了混合氣濃度、霧化和分配均勻等要求，得到廣泛應用。

4.化油器由于化油器喉管斷面小，流動阻力大。為了減小喉管阻69二、減小對新鮮工質的加熱新鮮充量被吸人氣缸的過程中，受到進氣管道、氣門、氣缸壁、活塞等一系列受熱零件的加熱，造成進氣溫度升高，氣體密度下降，使循環(huán)充量減少。特別是汽油機，經常把排氣管與進氣管布置在發(fā)動機的同一側。有些發(fā)動機采用調節(jié)預熱裝置，根據(jù)季節(jié)溫度不同可調節(jié)預熱程度，在柴油機上采用進排氣管分置于發(fā)動機兩側。二、減小對新鮮工質的加熱新鮮充量被吸人氣缸的過程中，受到進氣70三、減小排氣系統(tǒng)的阻力排氣系統(tǒng)包括：排氣門、排氣管、排氣道和消聲器等。排氣系統(tǒng)阻力降低，排出的廢氣量增加，排氣終了壓力pr下降，不僅可以使剩余廢氣系數(shù)減小，充氣效率提高，而且還能夠減少排氣損失。排氣管道也應與進氣管道同樣注意其結構要求，使用中應注意消除殘留積炭等。三、減小排氣系統(tǒng)的阻力排氣系統(tǒng)包括：71汽車發(fā)動機原理-教學課件-3發(fā)動機的換氣過程72四、合理的選擇配氣相位〔一〕進氣門遲閉角進氣門遲閉角利用氣流的過后充氣現(xiàn)象來增加每循環(huán)氣缸充量的。轉速較低〔Ma較小〕轉速較高〔Ma較大〕四、合理的選擇配氣相位〔一〕進氣門遲閉角73〔二〕進、排氣門重疊角高速非增壓發(fā)動機〔重疊角在20~60度〕重疊角在40度以下，根本無燃燒室掃氣。使充氣效率提高，原因是重疊角使進氣初期和排氣后期的節(jié)流損失減小。增壓發(fā)動機〔重疊角在110~140度〕強烈的燃燒室掃氣。〔二〕進、排氣門重疊角高速非增壓發(fā)動機〔重疊角在20~60度74〔三〕排氣提前角在保證排氣損失最小的前提下，盡量晚開排氣門。加大膨脹比提高熱效率〔三〕排氣提前角在保證排氣損失最小的前提下，盡量晚開排氣門。75〔四〕配氣相位的選擇根據(jù)發(fā)動機的高速性來決定：充氣效率高，保證動力性必要的燃燒室掃氣適宜的排氣溫度良好的充氣效率特性，適應轉矩特性較小的換氣損失，保證經濟性〔四〕配氣相位的選擇根據(jù)發(fā)動機的高速性來決定：76汽車發(fā)動機原理-教學課件-3發(fā)動機的換氣過程77復習思考題1．何謂換氣過程?包括哪幾個階段?2．什么是自由排氣和慣性排氣?這兩個階段的長短對發(fā)動機性能有何影響?3．什么是換氣損失?如何減少換氣損失?4．何謂充量、循環(huán)充量、單位時間充量?復習思考題1．何謂換氣過程?包括哪幾個階段?78復習思考題5．何謂充氣效率?影響充氣效率的因素有哪些?6．分析配氣相位、轉速、負荷、壓縮比對充氣效率是怎樣影響的?7．提高循環(huán)充量和充氣效率的措施有哪些?8．如何確定最正確排氣提前角?復習思考題5．何謂充氣效率?影響充氣效率的因素有哪些?79汽車發(fā)動機原理-教學課件-3發(fā)動機的換氣過程80第三章發(fā)動機的換氣過程第三章發(fā)動機的換氣過程81第三章發(fā)動機的換氣過程發(fā)動機的排氣過程和進氣過程的總和，統(tǒng)稱為換氣過程。換氣過程的任務:是將缸內的廢氣排凈，吸入盡可能多的新鮮工質。

第三章發(fā)動機的換氣過程發(fā)動機的排氣過程和進氣過程的總和，82

目錄第一節(jié)四沖程發(fā)動機的換氣過程第二節(jié)充量與充氣效率第三節(jié)影響充氣效率的因素第四節(jié)提高充氣效率的措施目錄第一節(jié)四沖程發(fā)動機的換氣過程83一、換氣過程發(fā)動機運行時，在如此短的換氣時間內，要使排氣干凈，進氣充足是比較困難的。為了增加氣門開啟時間，充分利用氣流的流動慣性以及減少換氣損失，改善換氣過程，提高發(fā)動機性能。進、排氣門一般都提前開啟，遲后關閉，不受活塞行程的限制。整個換氣過程超過兩個沖程，約占曲軸轉角410°～490°。一、換氣過程發(fā)動機運行時，在如此短的換氣時間內，要使排氣干凈84一、換氣過程

根據(jù)氣體流動特點和進排氣門運動規(guī)律，換氣過程分為：

自由排氣階段；強制排氣階段；進氣過程階段。

強制排氣進氣過程自由排氣一、換氣過程根據(jù)氣體流動特點和進排氣門運85一、換氣過程一、換氣過程86從排氣門在下止點前開始開啟，到氣缸內壓力接近于排氣管壓力這個時期，稱為自由排氣階段。如圖3—1所示，氣門開啟時，氣缸內壓力較高(大于排氣管壓力2倍以上)，可利用廢氣自身的壓力自行排出。此時，排氣流處于超臨界狀態(tài)，流過排氣門處的氣體流速，等于在該處氣體狀態(tài)下的音速。其流量只決定于氣門開啟面積，并和氣體狀態(tài)有關，與排氣門前后的壓差無關。1．自由排氣階段從排氣門在下止點前開始開啟，到氣缸內壓力接近于排氣管壓力這個87隨著活塞的推移，缸內壓力不斷下降，當缸內壓力與排氣管壓力之比為1．9以下時，排氣流進入亞臨界狀態(tài)，排氣量由氣缸壓力和排氣管內的壓力差來決定，壓力差越大，排出的廢氣量越大。當?shù)侥骋粫r刻，氣缸內壓力與排氣管內壓力相等時，自由排氣階段結束，一般在下止點后10?！?0。曲軸轉角。此階段雖然歷程較短，但廢氣流速很高，排出的廢氣量可達60％以上。1．自由排氣階段隨著活塞的推移，缸內壓力不斷下降，當缸內壓力與排氣管壓力之比882．強制排氣階段這個階段是由上行的活塞強制將廢氣推出。此時流速取決于氣缸內外的壓力差。壓差越大，氣流速度越大，但耗功也越多。排氣門一般在上止點后10～35°曲軸轉角才關閉，這主要是因為在上止點附近，廢氣尚有一定流動能量，可利用氣流慣性進一步排氣，減少缸內剩余廢氣量，同時還可以減少排氣阻力。2．強制排氣階段這個階段是由上行的活塞強制將廢氣推出。此時流89為了使新鮮空氣充量更順利地進入氣缸，盡可能保證在活塞下行時有足夠大的進氣截面積，減小進氣阻力，進氣門一般在上止點前0～40°曲軸轉角翻開。為了利用高速氣流的慣性，進氣門通常在下止點后40～70°曲軸轉角才關閉，以增加進氣量。3．進氣過程為了使新鮮空氣充量更順利地進入氣缸，盡可能保證在活塞下行時有90排氣門的遲后關閉和進氣門的提前開啟，使得在上止點附近一定的曲軸轉角范圍內，存在著進、排氣門同時開啟的現(xiàn)象，稱為氣門疊開。氣門疊開角一般為20～60度曲軸轉角；增加新鮮空氣充量；利用新氣幫助去除廢氣，減少氣缸中廢氣量；疊開角過大可能發(fā)生廢氣倒流入進氣管中。4．氣門疊開排氣門的遲后關閉和進氣門的提前開啟，使得在上止點附近一定的曲911、自由排氣定義：從排氣門翻開到氣缸壓力接近排氣管壓力所對應的階段。分段及詳解前期〔超臨界排氣〕：，廢氣以聲速流經排氣門口，與壓差無干。C=〔KRT〕1/2，420-827°C時，500m/s-700m/s。中期〔亞臨界排氣〕：1.9>Pb/Pr>1，流速低于音速且取決于壓差。結束階段：Pb與Pr趨于一致，廢氣不能自由排出，需活塞上行推出廢氣。一、換氣過程1、自由排氣一、換氣過程921.自由排氣特點排出廢氣量與工況〔尤其是轉速〕無關僅取決于缸內狀態(tài)及排氣管阻力〔結束標志為壓力平衡〕。時間極短但有近60％的廢氣在此階段排出。2.強制排氣定義：克服排氣系統(tǒng)阻力活塞強制推出廢氣。一、換氣過程1.自由排氣一、換氣過程933.進氣過程定義：活塞下行、缸內容積增加、缸內壓力下降、環(huán)境壓力－缸內壓力>進氣系統(tǒng)阻力，吸入新鮮工質。特點：初期缸內容積增加、壓差缺乏不進氣，進氣系統(tǒng)壓力急劇下降。壓力下降到壓差>＝進氣阻力后壓力幾乎不變。一、換氣過程3.進氣過程一、換氣過程94二、換氣損失換氣過程的損失包括：排氣損失進氣損失二、換氣損失換氣過程的損失包括：95汽車發(fā)動機原理-教學課件-3發(fā)動機的換氣過程961．排氣損失排氣損失是從排氣門提前翻開，直到進氣行程開始，氣缸內壓力到達大氣壓力之前，循環(huán)功的損失。它可分為：1)自由排氣損失，是由于排氣門提前翻開而引起的膨脹功的減少。2)強制排氣損失，是活塞上行強制推出廢氣所消耗的功。1．排氣損失排氣損失是從排氣門提前翻開，直到進氣行程開始，氣971．排氣損失隨著排氣提前角增大，自由排氣損失增加，強制排氣損失減?。蝗缗艢馓崆敖菧p少，那么強制排氣損失增加。

最有利的排氣提前角應使自由排氣損失與強制排氣損失之和為最小。減少排氣損失的主要措施：減小排氣系統(tǒng)阻力排氣門處的流動損失1．排氣損失隨著排氣提前角增大，自由排氣損失增加，強制排氣損98定義：進氣損失主要是指進氣過程中，因進氣系統(tǒng)的阻力而引起的功的損失。與排氣損失相比相對較小排氣損失與進氣損失之和，稱為換氣損失。2．進氣損失定義：進氣損失主要是指進氣過程中，因進氣系統(tǒng)的阻力而引起的功99泵氣損失定義：在實際換氣過程中，由于工質流動時節(jié)流、摩擦等原因的存在，產生的能量損失，泵氣損失又稱為泵氣過程功。這局部損失放在機械損失中加以考慮。泵氣損失定義：在實際換氣過程中，由于工質流動時節(jié)流、摩擦等原100第二節(jié)充量和充氣效率充量即充氣量，是指在進氣過程中，充入氣缸的新鮮空氣或可燃混合氣。每循環(huán)充量：每循環(huán)充量是指發(fā)動機在每一個循環(huán)的進氣過程中，實際進入氣缸的新鮮氣體(空氣或可燃混合氣)的質量，即循環(huán)實際充量，用△m表示。單位時間充量：單位時間充量是指每小時進入氣缸的新鮮氣體的質量，用△mh表示，

第二節(jié)充量和充氣效率充量即充氣量，是指在進氣過程中，充入氣101每循環(huán)充量前已分析，由于排氣系統(tǒng)存在阻力，當排氣門關閉時，氣缸內尚有一局部剩余廢氣存在，所占氣缸為vr壓力為pr溫度為Tr那么其質量為進氣終了時，氣缸內既有新鮮充量，又有剩余廢氣，所占比體積為va、壓力為pca溫度為tca，那么氣缸內氣體的總質量為每循環(huán)充量前已分析，由于排氣系統(tǒng)存在阻力，當排氣門關閉時，氣102每循環(huán)充量充入氣缸的新鮮充量為剩余廢氣系數(shù)是指每循環(huán)殘留在氣缸內的廢氣質量△mr與新鮮充量△m之比。剩余廢氣量有多少？每循環(huán)充量充入氣缸的新鮮充量為剩余廢氣量有多少？103每循環(huán)充量氣缸內氣體的總質量又可以表示為氣缸內的新鮮充量可表示為每循環(huán)充量氣缸內氣體的總質量又可以表示為104單位時間充量單位時間充量是指每小時進入氣缸的新鮮氣體的質量，用△mh表示。式中：n—發(fā)動機轉速

i—

氣缸數(shù)單位時間充量單位時間充量是指每小時進入氣缸的新鮮氣體的質量，105單位時間充量如果每循環(huán)充量△m保持不變，轉速增加；單位時間充量△mh會直線增加，發(fā)動機功率也會不斷增加。當轉速增加時，每循環(huán)充量不可防止地要降低，以至于單位時間充量的增加逐漸緩慢。當轉速增到某一數(shù)值后，△mh到達最大值(此時進氣流速到達音速)，充量根本保持不變。單位時間充量如果每循環(huán)充量△m保持不變，轉速增加；106充氣效率定義：發(fā)動機每一工作循環(huán)進入氣缸的實際充量，與進氣狀態(tài)下能充滿氣缸工作容積的理論充量的比值，稱為充氣效率，用φc表示，即式中：△m?！M氣狀態(tài)充滿氣缸工作容積的理論充量。所謂進氣狀態(tài)，是指經空氣濾清器后進氣管內的氣體狀態(tài)。為測量方便，在非增壓發(fā)動機上，一般都采用當時的大氣狀態(tài)；在增壓發(fā)動機上，采用增壓器出口的狀態(tài)。

充氣效率定義：發(fā)動機每一工作循環(huán)進入氣缸的實際充量，與進氣狀107充氣效率假設大氣壓力及溫度分別為p。和T。，氣缸工作容積的理論充量為△m。，那么充氣效率假設大氣壓力及溫度分別為p。和T。，氣缸工作容積的理108充氣效率充氣效率109充氣效率充氣效率φc與發(fā)動機的氣缸容積無關，可用來評定不同排量發(fā)動機換氣過程好壞。φc越大，每循環(huán)實際充量越多，每循環(huán)可燃燒的燃料隨之增加，動力性越好。

充氣效率充氣效率φc與發(fā)動機的氣缸容積無關，可用來評定不同排110充氣效率可直接測定，用流量計測出發(fā)動機每小時實際充氣量V1〔〕，理論充氣量V〔〕由下面的公式算出：式中：Vs——氣缸工作容積〔L〕；i——氣缸數(shù)；n——發(fā)動機轉速〔r／min〕。充氣效率可直接測定，用流量計測出發(fā)動機每小時實際充氣量V1〔111第三節(jié)影響充氣效率的因素一、充氣效率的表達式進氣門關閉時缸內氣體的總質量為：設排氣門關閉時缸內剩余廢氣的質量為：充入氣缸新鮮充量的質量為：第三節(jié)影響充氣效率的因素一、充氣效率的表達式112一、充氣效率的表達式令，，、是考慮進、排氣門遲閉角的影響，那么一、充氣效率的表達式113一、充氣效率的表達式設剩余廢氣與新鮮充量的氣體常數(shù)R近似相等，將氣體狀態(tài)方程代入上式，那么式中：Ts、ps—進氣狀態(tài)的溫度和壓力；Ta、pa—進氣終了時的氣體溫度和壓力；Tr、pr—剩余廢氣的溫度和壓力；—壓縮比。一、充氣效率的表達式設剩余廢氣與新鮮充量的氣體常數(shù)R近似相等114一、充氣效率的表達式剩余廢氣系數(shù)：進氣過程結束時氣缸內剩余廢氣量與氣缸中新鮮充量的比值。一、充氣效率的表達式剩余廢氣系數(shù)：進氣過程結束時氣115二、影響充氣效率的因素進氣終了的壓力進氣終了的溫度剩余廢氣系數(shù)壓縮比配氣相位負荷二、影響充氣效率的因素進氣終了的壓力1161.進氣終了的壓力進氣終了的壓力越大，充氣效率越大式中，為氣體流動時，克服進氣系統(tǒng)阻力而引起的壓降〔kPa〕。其中：——管道阻力系數(shù)；——進氣狀態(tài)下氣體的密度〔kg／ms〕；——管道內氣體的流速〔m/s〕。1.進氣終了的壓力進氣終了的壓力越大，充氣效率越大117轉速的影響1.進氣終了的壓力轉速的影響1.進氣終了的壓力118負荷的影響〔n一定〕汽油機〔量調節(jié)〕，負荷↓〔節(jié)氣門小〕。柴油機〔質調節(jié)〕負荷↑→不變，根本不變或稍↓。1.進氣終了的壓力負荷的影響〔n一定〕1.進氣終了的壓力1192.進氣終了的溫度

的原因：①高溫零件加熱；②剩余廢氣加熱；③進氣預熱。影響因素：負荷↑〔接觸時間短〕2.進氣終了的溫度的原因：影響因素：負荷↑1203.剩余廢氣系數(shù)剩余廢氣系數(shù)增大，充氣效率降低，而且使燃燒惡化。特別是汽油機低負荷運轉時，稀釋可燃混合氣，使燃燒過程緩慢，經濟性和排放性能變差。剩余廢氣系數(shù)范圍四行程非增壓柴油機～四行程增壓柴油機0～四行程汽油機～3.剩余廢氣系數(shù)剩余廢氣系數(shù)增大，1214.壓縮比壓縮比增大氣缸余隙減小剩余廢氣系數(shù)減小提高沖量系數(shù)4.壓縮比壓縮比增大1225.配氣相位進氣門遲閉角增加〔〕新鮮充量的容積減小，但進氣終了壓力值卻可能因有氣流慣性而增大適宜的配氣定時應考慮具有最大值。5.配氣相位進氣門遲閉角增加〔〕1236.進氣或大氣狀態(tài)

增大由于新氣和缸壁溫差小提高充氣效率

6.進氣或大氣狀態(tài)124第四節(jié)提高充氣效率的措施一、減少進氣系統(tǒng)的阻力〔一〕減少進氣門座處的流動損失增大進氣門開啟的時面值氣門開啟斷面與對應的開啟時間的乘積稱為開啟時間值。氣門開啟時間長，開啟斷面大，那么開啟時面值大，氣流通暢，阻力小。第四節(jié)提高充氣效率的措施一、減少進氣系統(tǒng)的阻力125增大進氣門開啟的時面值圖3-6所示，其門開啟的最小斷面為氣門錐體側面積。增大進氣門開啟的時面值圖3-6所示，其門開啟的最小斷面為氣門126增大進氣門開啟的時面值增大進氣門開啟的時面值127增大進氣門開啟的時面值增大進氣門頭部直徑，減小氣門頭部錐角，增大氣門升程，延長氣門開啟時間，均可擴大氣門開啟時面值。從而擴大氣流通過能力，減少阻力提高充氣效率。但增大氣門直徑受到燃燒室結構的限制，因此常用減小排氣門頭部直徑的方法，相應增大進氣門頭部直徑。增大進氣門開啟的時面值增大進氣門頭部直徑，減小氣門頭部錐角，128增大進氣門開啟的時面值現(xiàn)代發(fā)動機單進氣門結構中，進氣門直徑可達活塞直徑的45％-50％，氣門和活塞面積比為～。減小氣門錐角也受到強度剛度的限制，不宜太小。增大氣門升程和延長開啟時間，又受慣性力和配氣相位改變的限制，涉及問題較多，影響也較復雜。增大進氣門開啟的時面值現(xiàn)代發(fā)動機單進氣門結構中，進氣門直徑可129〔一〕減少進氣門座處的流動損失2.合理控制進氣門處氣流的平均速度。3.增加進氣門的數(shù)目一般采用雙進氣門和雙排氣門或三個進氣門、二個排氣門的結構，提高充氣效率?！惨弧硿p少進氣門座處的流動損失2.合理控制進氣門處氣流的平均130第四節(jié)提高沖氣效率的措施一、減少進氣系統(tǒng)的阻力〔一〕減少進氣門座處的流動損失增大進氣門直徑，選擇適宜的排氣門直徑增加氣門的數(shù)目改善進氣門初流體動力性能，減小氣門處流動損失采取較小的S/D值〔短行程〕第四節(jié)提高沖氣效率的措施一、減少進氣系統(tǒng)的阻力131汽車發(fā)動機原理-教學課件-3發(fā)動機的換氣過程1321.增大進氣門直徑，選擇適宜的排氣門直徑在雙氣門〔一進一排〕式中：d——進氣門直徑D——氣缸缸徑1.增大進氣門直徑，選擇適宜的排氣門直徑在雙氣門〔一進一排133流動阻力沿程阻力

取決于管子的長度、直徑、管壁粗糙度、氣體流速局部阻力取決于流道截面積大小、形狀以及因流動方向的改變使流道內分布發(fā)生變化而引起的。1.增大進氣門直徑，選擇適宜的排氣門直徑較小流動阻力1.增大進氣門直徑，選擇適宜的排氣門直徑較小134汽車發(fā)動機原理-教學課件-3發(fā)動機的換氣過程1351.增大進氣門直徑，選擇適宜的排氣門直徑進氣馬赫數(shù)Ma定義：進氣門處氣體的平均速度與該處聲速c的比值。它反映流動對充氣效率的影響，成為分析充氣效率的一個特征數(shù)。2.合理控制進氣門處氣流的平均速度。1.增大進氣門直徑，選擇適宜的排氣門直徑進氣馬赫數(shù)Ma2.1361.增大進氣門直徑，選擇適宜的排氣門直徑1.增大進氣門直徑，選擇適宜的排氣門直徑1372.增加氣門的數(shù)目多氣門結構缸徑大于80mm時，采用二進二排結構；缸徑小于80mm時，采用三進二排結構。優(yōu)點四氣門機與兩氣門機相比，功率可提高70%，扭矩可提高30%。缺點結構復雜，造價高；低速時扭矩小。2.增加氣門的數(shù)目多氣門結構138汽車發(fā)動機原理-教學課件-3發(fā)動機的換氣過程1393.改善進氣門處流體動力性能，

減少氣門處流動損失適當增加氣門升程，改進凸輪型線，減小運動件質量，增加零件剛度，在慣性力允許條件下使氣門開閉得盡可能。適當加大氣門桿身與頭部的過渡圓弧，減小氣門座密封面的寬度，修圓氣門座密封錐面的尖角等措施，均可改善進氣門處流體動力性能，減小流動損失。3.改善進氣門處流體動力性能，

減少氣門處流動損失適當增加1404.采取較小的S/D值〔短行程〕轉速不變得情況下S/D值減小活塞平均速度減小馬赫數(shù)降低缸徑增大，還可以采用大的氣門直徑4.采取較小的S/D值〔短行程〕轉速不變得情況下141一、減少進氣系統(tǒng)的流動損失〔二〕減小整個進氣管道的流動阻力進氣道進氣管空氣濾清器化油器一、減少進氣系統(tǒng)的流動損失〔二〕減小整個進氣管道的流動阻力1421.進氣道主要措施改善進氣道形狀，減小阻力改善進氣道形狀，使新鮮工質形成渦流一