發(fā)動(dòng)機(jī)原理林學(xué)東版-第3章發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程

第三章發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程換氣過程：從排氣門開啟到進(jìn)氣門關(guān)閉的整個(gè)過程。包括排出本循環(huán)已燃廢氣過程和為下一循環(huán)吸入新鮮充量的進(jìn)氣過程。換氣過程的作用:

排除缸內(nèi)廢氣并充入盡可能多的新鮮工質(zhì),同時(shí)功耗要少。換氣過程對(duì)性能的影響

影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放等主要內(nèi)容第一節(jié)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程第二節(jié)充氣效率及影響因素第三節(jié)提高充氣效率的措施第四節(jié)增壓技術(shù)第五節(jié)廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)§3-1四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程自由排氣強(qiáng)制排氣進(jìn)氣氣門疊開換氣過程基本任務(wù)：盡可能排凈廢氣，充入更多新鮮氣體。實(shí)際上：進(jìn)排氣系統(tǒng)存在流動(dòng)損失，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)上壓縮容積的存在。一、排氣過程從排氣門開啟到排氣門關(guān)閉的過程排氣門一般在膨脹行程到達(dá)下止點(diǎn)前的某一曲軸轉(zhuǎn)角位置提前打開。1、自由排氣階段—--廢氣根據(jù)自身的壓力自行排出從排氣門打開到氣缸壓力接近了排氣管壓力的這個(gè)時(shí)期稱為自由排氣階段1)超臨界狀態(tài)2)亞臨界狀態(tài)超臨界流動(dòng)狀特點(diǎn)：流出速度高，排量達(dá)（60-70）%，伴隨有特殊刺耳的噪聲。從排氣門開始打開到下止點(diǎn)這段曲軸轉(zhuǎn)角，稱為排氣提前角(一般為30°--80°曲軸轉(zhuǎn)角)當(dāng)氣缸壓力與排氣背壓之比大于臨界值時(shí)，缸內(nèi)氣體以當(dāng)?shù)芈曀倥懦雠懦龅膹U氣量只取決于缸內(nèi)氣體的狀態(tài)和排氣門有效流通截面積的大小。與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和排氣背壓無關(guān)。2、強(qiáng)制排氣階段-----廢氣是由活塞上行強(qiáng)制推出克服排氣系統(tǒng)阻力，通過活塞強(qiáng)制排出廢氣在排氣終了，因排氣門將要關(guān)閉，氣門開度很小，節(jié)流作用增強(qiáng)，為此，常使排氣遲后關(guān)閉，從上止點(diǎn)到排氣門完全關(guān)閉這段曲軸轉(zhuǎn)角，稱為排氣遲閉角，一般為10°--35°曲軸轉(zhuǎn)角。為利用高速流經(jīng)排氣門的氣流慣性盡可能多的排出廢氣，排氣門在上止點(diǎn)之后某一時(shí)刻關(guān)閉。---排氣遲閉角。二、

進(jìn)氣過程是活塞下行，缸內(nèi)容積增加，同時(shí)使缸內(nèi)壓力下降使得環(huán)境壓力-缸內(nèi)壓力＞進(jìn)氣阻力，從而吸入新鮮工質(zhì)。為保證進(jìn)氣門有足夠大的流通截面積，有盡可能更多的新鮮充量順利進(jìn)入氣缸，進(jìn)氣門在上止點(diǎn)前提前某一角度開啟。

進(jìn)氣提前角：進(jìn)氣門一般在上止點(diǎn)前0°--40°曲軸轉(zhuǎn)角開始打開。在進(jìn)氣下止點(diǎn)時(shí)氣門處仍有高速氣流流入氣缸，為了充分利用氣流的慣性而多進(jìn)氣，進(jìn)氣門在活塞下止點(diǎn)后關(guān)閉。進(jìn)氣遲閉角：進(jìn)氣門一般在下止點(diǎn)后20°--70°曲軸轉(zhuǎn)角才關(guān)閉。三、配氣定時(shí)及氣門疊開現(xiàn)象氣門重疊排氣門遲閉氣門疊開進(jìn)氣門早開非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中，重疊角一般為20°--60°曲軸轉(zhuǎn)角。增壓發(fā)動(dòng)機(jī)重疊角一般為80°--160°曲軸轉(zhuǎn)角

氣門重疊的作用：通過同時(shí)開啟的進(jìn)排氣門用新鮮工質(zhì)將殘余廢氣清掃干凈，這個(gè)過程為掃氣過程。掃氣過程的作用:

清除殘余廢氣，減少殘余廢氣系數(shù)；減低高溫零件的溫度。氣門重疊角以新鮮工質(zhì)不進(jìn)入排氣管為原則四、換氣損失換氣損失由排氣損失和進(jìn)氣損失組成。1.排氣損失：排氣損失=自由排氣損失W

+強(qiáng)制排氣損失Y自由排氣損失W相當(dāng)于膨脹功的減少；強(qiáng)制排氣損失Y是把廢氣推出氣缸所消耗的功。W-自由排氣損失Y-強(qiáng)制排氣損失X-進(jìn)氣損失Y+X-d-泵氣損失四、換氣損失（排氣損失+進(jìn)氣損失）1.排氣損失：排氣損失=自由排氣損失W

+強(qiáng)制排氣損失Y自由排氣損失W相當(dāng)于膨脹功的減少；強(qiáng)制排氣損失Y是把廢氣推出氣缸所消耗的功。⑴e’（排氣門太早開啟）如果排氣提前角↑，則w↑，y↓

所以：最有利的排氣提前角，必須是使（w+y）最小。⑵e’’（排氣門太晚開啟）排氣提前角↓，則w↓，y↑

如何使排氣損失最小?e’e”2.進(jìn)氣損失

由于進(jìn)氣阻力的存在使進(jìn)氣過程中氣缸壓力低于大氣壓力的部分。

與排氣損失相比，進(jìn)氣損失較小，它影響發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率。排氣損失與進(jìn)氣損失之和稱為換氣損失

(W十Y十X)。泵氣損失（X+Y-d）：在實(shí)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。充氣效率計(jì)算公式：m1、v1：進(jìn)氣狀態(tài)下，實(shí)際進(jìn)入氣缸的新鮮工質(zhì)質(zhì)量、體積msh、vs：進(jìn)氣狀態(tài)下，充滿工作容積的新鮮工質(zhì)質(zhì)量、氣缸工作容積一、充氣效率實(shí)際進(jìn)入氣缸的新鮮工質(zhì)量（m1）與進(jìn)氣狀態(tài)下充滿氣缸工作容積的新鮮工質(zhì)量（msh）的比值?！?-2充氣效率及影響因素非增壓柴油機(jī)：指大氣狀態(tài)增壓柴油機(jī)：壓氣機(jī)的出口狀態(tài)二、影響充氣效率的因素理論上在進(jìn)氣狀態(tài)下（ps,Ts)下，每循環(huán)充滿氣缸工作容積Vs的新鮮充量為：假設(shè)在進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)，氣缸內(nèi)氣體的狀態(tài)為pa,Va,Ta,則氣缸內(nèi)氣體的總質(zhì)量ma為殘余廢氣系數(shù)ma=m1+mr氣缸總?cè)莘eVc：為燃燒室容積影響充氣效率的因素進(jìn)氣終了的壓力Pa和溫度Ta

殘余廢氣系數(shù)r

氣門正時(shí)引起的有效進(jìn)氣體積系數(shù)ξ

壓縮比ε

環(huán)境的壓力Ps和溫度Ts

進(jìn)氣終了的壓力Pa流動(dòng)阻力公式進(jìn)氣終了溫度對(duì)充氣效率的影響高溫零件要給進(jìn)氣加熱殘余廢氣給進(jìn)氣加熱改善冷啟動(dòng)性進(jìn)氣加熱進(jìn)氣終了狀態(tài)的密度影響充氣效率的因素殘余廢氣系數(shù)對(duì)充氣效率的影響壓縮比對(duì)充氣效率的影響配氣定時(shí)(主要是進(jìn)氣遲關(guān)角的影響)

在低速時(shí),由于進(jìn)氣慣性小,而進(jìn)氣遲關(guān)角一定,產(chǎn)生進(jìn)氣倒流現(xiàn)象,導(dǎo)致↓。當(dāng)進(jìn)氣遲閉角一定時(shí)，Va也隨之確定，為常數(shù)進(jìn)氣的大氣狀態(tài)環(huán)境溫度增加，進(jìn)氣密度降低，環(huán)境溫度與氣缸壁的溫差降低，Ts/Ta升高，ΔTa降低，充氣效率有所增加。課后習(xí)題1、為什么排氣門是在活塞到達(dá)下止點(diǎn)之前開啟？2、為什么排氣門是在活塞到達(dá)上止點(diǎn)之后關(guān)閉？3、為什么進(jìn)氣門是在活塞到達(dá)上止點(diǎn)之前開啟？4、為什么進(jìn)氣門是在活塞到達(dá)下止點(diǎn)之后關(guān)閉？5、氣門重疊會(huì)不會(huì)產(chǎn)生廢氣倒流進(jìn)氣管或新鮮工質(zhì)隨廢氣排出的現(xiàn)象？為什么？6、影響充氣效率的主要因素？1、為什么排氣門是在活塞到達(dá)下止點(diǎn)之前開啟？2、為什么排氣門是在活塞到達(dá)上止點(diǎn)之后關(guān)閉？3、為什么進(jìn)氣門是在活塞到達(dá)上止點(diǎn)之前開啟？4、為什么進(jìn)氣門是在活塞到達(dá)下止點(diǎn)之后關(guān)閉？5、氣門重疊會(huì)不會(huì)產(chǎn)生廢氣倒流進(jìn)氣管或新鮮工質(zhì)隨廢氣排出的現(xiàn)象？為什么？6、影響充氣效率的主要因素？1、a.增加流通截面積，降低氣缸壓力；b.減少排氣時(shí)所消耗的活塞推出功；c.高溫廢氣的早排，還可以防止發(fā)動(dòng)機(jī)過熱。2、a.減少活塞消耗功,利用缸內(nèi)外壓力差繼續(xù)排氣；b.利用慣性繼續(xù)排氣。3、增大進(jìn)氣通道截面，減少氣阻。4、利用壓差和慣性繼續(xù)進(jìn)氣。5、a.疊開時(shí)氣門開度小，重疊時(shí)間極短；b.進(jìn)、排氣流各自有自己的流動(dòng)方向和流動(dòng)慣性；c.進(jìn)氣流有助于更好地排氣。6、進(jìn)氣終了的壓力Pa和溫度Ta；殘余廢氣系數(shù)；氣門正時(shí)引起的有效進(jìn)氣體積系數(shù)ξ；壓縮比ε；環(huán)境的壓力Ps和溫度Ts。第三節(jié)提高充氣效率的措施第四節(jié)增壓技術(shù)第五節(jié)廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)主要內(nèi)容§3-3提高充氣效率的措施提高充量系數(shù)措施降低進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力損失，提高氣缸內(nèi)進(jìn)氣終了時(shí)的壓力pa降低排氣系統(tǒng)的阻力損失，以減小缸內(nèi)的殘余廢氣系數(shù)φr減少高溫零件在進(jìn)氣系統(tǒng)中對(duì)新鮮充量的加熱，以降低進(jìn)氣終了時(shí)的充量溫度Ta結(jié)構(gòu)一定,即ε一定合理選擇相位角有效利用進(jìn)氣管內(nèi)壓力波的動(dòng)態(tài)波動(dòng)效應(yīng)一、減少進(jìn)氣系統(tǒng)阻力（一）、進(jìn)氣門是整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)中氣流通道截面最小，也是氣流阻力最大的地方。因而，提高進(jìn)氣門的流通能力是提高充氣效率的主要措施之一。進(jìn)氣系統(tǒng)包括：空濾器、進(jìn)氣總管、進(jìn)氣支管、進(jìn)氣道及進(jìn)氣門進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力沿程阻力：主要指管道的摩擦阻力。與管道長度、表面粗糙度及氣流速度有關(guān)。局部阻力：主要指流動(dòng)截面大小、形狀及流動(dòng)方向變化造成的損失。1、氣門的流通能力氣門的流通能力常用時(shí)面值和角面值來表示。

在氣門開啟期間隨氣門升程的變化，氣門的開啟截面積對(duì)時(shí)間（或曲軸轉(zhuǎn)角）的積分。在時(shí)間微元dt內(nèi)通過氣門的氣體流量

整個(gè)氣門開啟時(shí)間內(nèi)進(jìn)入氣缸的氣體流量

ρ—流經(jīng)氣門的氣體密度—進(jìn)氣門處氣體的平均流速Af—dt時(shí)間內(nèi)的氣門開啟截面積角面值不隨轉(zhuǎn)速變化，只與氣門升程規(guī)律（凸輪型線）有關(guān)，所以高速時(shí)時(shí)面值減小。

提高氣門的角面值是提高不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣量的主要措施。角面值的提高受配氣動(dòng)力學(xué)的限制。2、進(jìn)氣馬赫數(shù)Ma氣門處的流動(dòng)損失，與其開啟截面積的大小有關(guān)；對(duì)一定的開啟面積，還與該處的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。進(jìn)氣馬赫數(shù)Ma——是進(jìn)氣門處氣體的平均速度υm與此處的聲速c的比值，它能反應(yīng)進(jìn)氣流動(dòng)（流速）對(duì)充氣效率的影響。Cm——活塞平均速度D、dv——活塞與進(jìn)氣閥盤的直徑μm——進(jìn)氣門開啟期間的平均流量系數(shù)c——?dú)忾T處聲速

當(dāng)進(jìn)氣馬赫數(shù)Ma超過一定值時(shí)（0.5），充氣效率急劇下降。設(shè)計(jì)進(jìn)氣系統(tǒng)時(shí)，需要通過活塞平均速度、氣缸直徑及氣門直徑優(yōu)化匹配來控制馬赫數(shù)Ma。

控制進(jìn)氣馬赫數(shù)的措施：增大氣門的相對(duì)通過面積、改善氣門處的氣體流動(dòng)，提高流量系數(shù)、合理的配氣相位，是限制Ma值，提高充氣效率的有效方法。限制Ma值對(duì)于高速發(fā)動(dòng)機(jī)尤為重要。3、多氣門結(jié)構(gòu)

在相同條件下，增加進(jìn)氣門的流通面積是降低進(jìn)氣阻力，減小馬赫數(shù)，提高充氣效率的重要手段。

增大進(jìn)氣門直徑，可以擴(kuò)大氣流通路截面積，提高充氣效率。進(jìn)氣門直徑可達(dá)活塞的45-50%（雙氣門結(jié)構(gòu)），氣門與活塞面積之比0.2-0.25。但由于受到結(jié)構(gòu)限制，進(jìn)一步增大比例非常困難。為進(jìn)一步增大進(jìn)氣門截面積，采用了多氣門結(jié)構(gòu)。4、改善配氣機(jī)構(gòu)多氣門方案一般采用頂置凸輪軸驅(qū)動(dòng)方式。單頂置凸輪軸（SOHC：SingleOverheadCamshaft）雙頂置凸輪軸（DOHC：DoubleOverheadCamshaft）（二）、進(jìn)氣道形狀及進(jìn)氣管長度2、進(jìn)氣管轉(zhuǎn)彎半徑R，表面光潔度，截面突變，流通橫截面積充氣效率進(jìn)氣管長度，流動(dòng)阻力，但由于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣過程為動(dòng)態(tài)，不同轉(zhuǎn)速下為充分利用進(jìn)氣管道內(nèi)的氣流波動(dòng)效應(yīng)，要求進(jìn)氣管長度設(shè)計(jì)合理，高速時(shí)盡可能縮短長度以減小高速損失；低速時(shí)適當(dāng)延長進(jìn)氣管長度，有利于利用進(jìn)氣波動(dòng)效應(yīng)。1、進(jìn)氣道轉(zhuǎn)彎半徑R，表面光潔度，各管口與墊片孔口對(duì)中流動(dòng)阻力

充氣效率

柴油機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮組織進(jìn)氣渦流，但大的渦流比會(huì)影響充氣效率。電控高壓噴射技術(shù)的發(fā)展，可改善進(jìn)氣道形狀，適當(dāng)減小進(jìn)氣渦流比，提高充氣效率?？傄螅罕ＷC足夠的流通截面，避免急轉(zhuǎn)彎及截面突變，改善管道表面的光潔度（三）、空氣濾清器在保證濾清效果的前提下，盡可能的減少它對(duì)空氣的阻力。在使用中應(yīng)經(jīng)常進(jìn)行清洗，及時(shí)更換濾芯也可以減小進(jìn)氣流動(dòng)阻力。流動(dòng)阻力

充氣效率二、合理選擇配氣正時(shí)進(jìn)氣門遲閉角對(duì)充氣效率的影響最大。在一定的配氣定時(shí)下，充氣效率是在某一轉(zhuǎn)速下達(dá)到最大值。n

氣流慣性缸內(nèi)氣體易倒流進(jìn)氣管充氣效率；n氣流慣性沒充分的利用充氣效率不同的進(jìn)氣遲閉角，充氣效率的最大處所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速不同。加大進(jìn)氣門遲閉角,高轉(zhuǎn)速時(shí)充氣效率增加，可以提高最大功率。減少進(jìn)氣遲閉角，能防止低速倒噴，有利于提高扭矩,但降低了最大功率。對(duì)于配氣定時(shí)不能改變的發(fā)動(dòng)機(jī)，應(yīng)根據(jù)常用工況確定進(jìn)氣遲閉角。

理想的氣門定時(shí)和升程應(yīng)當(dāng)是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作情況及時(shí)作出調(diào)整，應(yīng)具有一定程度的靈活性。傳統(tǒng)的凸輪挺桿氣門機(jī)構(gòu)，無法作出相應(yīng)的調(diào)整，難于達(dá)到上述要求，因而限制了發(fā)動(dòng)機(jī)性能的進(jìn)一步提高。為了接近理想的氣門定時(shí)，采用可變配氣系統(tǒng)采用可變配氣系統(tǒng)可變技術(shù)(VVT,VariableValveTiming)——是發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門正時(shí)技術(shù)的簡稱。發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門正時(shí)技術(shù)是近些年來被逐漸應(yīng)用于現(xiàn)代轎車上的新技術(shù)中的一種，發(fā)動(dòng)機(jī)采用可變氣門正時(shí)技術(shù)可以提高進(jìn)氣充量，使充量系數(shù)增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和功率可以得到進(jìn)一步的提高。相位連續(xù)可變，但升程不可變ToyotaVVT-i可變相位奧迪可變相位技術(shù)寶馬電子氣門：連續(xù)可變氣門升程三、進(jìn)氣管長度及氣流的動(dòng)態(tài)效應(yīng)

——利用動(dòng)態(tài)效應(yīng)增加進(jìn)氣量由于進(jìn)、排氣是間歇進(jìn)行的，這使得進(jìn)、排氣管存在壓力波，在特定的進(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(diǎn)，適于頻繁變工況的車用。分為慣性效應(yīng)與波動(dòng)效應(yīng)兩類。（一）可變進(jìn)氣管長度1、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(shí)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)壓波傳到進(jìn)氣管口等空腔的開口端時(shí)，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(shí)間正好與進(jìn)氣門從開啟到關(guān)閉所需時(shí)間