第02章 發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程1

第二章發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程要使發(fā)動(dòng)機(jī)作功多，扭矩大，功率大，需要燃料在氣缸內(nèi)燃燒時(shí)放熱多，這主要取決于進(jìn)入氣缸中空氣量的多少。因此，要求進(jìn)氣盡可能充分，排氣盡可能干凈。內(nèi)燃機(jī)中的流動(dòng)均是不穩(wěn)定流，而且進(jìn)、排氣管中發(fā)生的壓力波有時(shí)可能促進(jìn)進(jìn)、排氣作用，有時(shí)可能妨礙進(jìn)、排氣作用，因此，理論分析很困難。本章將根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合理論分析，研究?jī)?nèi)燃機(jī)的換氣過程，分析影響發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率的因素，從而設(shè)法盡可能提高發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣量。補(bǔ)充內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造基本知識(shí)(二):

氣門式配氣機(jī)構(gòu)的布置及傳動(dòng)組成：由氣門組和氣門傳動(dòng)組組成分類：（一）按氣門的布置形式分：1）頂置氣門式2）側(cè)置氣門式（二）按凸輪軸的布置位置分：1）下置凸輪軸式2）頂置凸輪軸式（三）按凸輪軸的傳動(dòng)方式分：1）齒輪傳動(dòng)式2）鏈條傳動(dòng)式3）齒形皮帶傳動(dòng)式（四）按每缸氣門數(shù)目分：1）二氣門（傳統(tǒng)一進(jìn)一排）2）多氣門（四氣門為主）第一節(jié)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程一、換氣過程—排氣過程開啟至進(jìn)氣門關(guān)閉，約占410oC~480oC曲軸轉(zhuǎn)角。包括自由排氣、強(qiáng)制排氣、進(jìn)氣和氣門疊開四個(gè)階段。1、自由排氣階段—排氣門打開至氣缸壓力接近排氣管壓力的這段時(shí)期。為什么排氣門必須在下止點(diǎn)前提前開啟一定角度？排氣門開啟初期，活塞移動(dòng)速度緩慢，排氣門開啟流通截面積只能緩慢增加，如果排氣門恰好在下止點(diǎn)開啟，氣缸內(nèi)壓力下降緩慢，活塞上行時(shí)壓縮負(fù)功較大，增大排氣過程的消耗功率，因此，排氣門必須提前開啟。通常，排氣門提前開啟角度約30~80oCA。在排氣門提前開啟時(shí)，氣缸內(nèi)壓力p約為0.2~0.5MPa，與排氣管內(nèi)壓力Pr之比大于臨界值1.9，排氣的流動(dòng)處于超臨界狀態(tài)，廢氣以當(dāng)?shù)芈曀賑（m/s）流過排氣門，廢氣流量與氣體壓差無(wú)關(guān)，僅取決于氣缸內(nèi)氣體的狀態(tài)和氣門開啟有效截面積。（當(dāng)時(shí)，屬于超臨界流動(dòng)）。當(dāng)排氣溫度為700~1100K時(shí)，聲速c可達(dá)500~700（m/s）。（）當(dāng)廢氣流向排氣管時(shí)，管內(nèi)壓力Pr急劇上升，產(chǎn)生了正壓力波，到了管端口后又變成負(fù)壓力波反射回排氣門。當(dāng)時(shí)，屬于亞臨界流動(dòng)。2、強(qiáng)制排氣階段此階段內(nèi)，氣缸內(nèi)廢氣被上行活塞強(qiáng)制推出，氣缸內(nèi)平均壓力要比排氣管內(nèi)平均壓力略高一些，在排氣管較長(zhǎng)的場(chǎng)合下，會(huì)出現(xiàn)氣缸內(nèi)壓力低于排氣管內(nèi)壓力情況。氣缸內(nèi)廢氣流量與壓差有關(guān)。在亞臨界排氣階段，廢氣流量決定于氣缸內(nèi)和排氣管內(nèi)的壓力差。某一時(shí)刻，氣缸內(nèi)和排氣管內(nèi)的壓力接近，則自由排氣階段結(jié)束。自由排氣階段一般在下止點(diǎn)后10~30oCA才結(jié)束。（自由排氣階段=超臨界流動(dòng)階段+部分亞臨界流動(dòng)階段）通常把自由排氣階段當(dāng)成至下止點(diǎn)結(jié)束，而且認(rèn)為自由排氣階段內(nèi)廢氣流量與氣體壓差無(wú)關(guān)，僅取決于氣缸內(nèi)氣體的狀態(tài)和氣門開啟有效截面積。在強(qiáng)制排氣階段接近終了時(shí)，由于排氣門開始關(guān)閉，產(chǎn)生較大節(jié)流損失，因此在上止點(diǎn)附近，氣缸內(nèi)壓力回升，排氣消耗功和殘余廢氣量都增多了。因此排氣門不能在上止點(diǎn)時(shí)恰好完全關(guān)閉，應(yīng)適當(dāng)延遲某一曲軸轉(zhuǎn)角，即排氣遲閉角，一般為10~35oCA。此外，排氣遲閉，可利用排氣管中氣體的流動(dòng)慣性把氣缸內(nèi)的廢氣繼續(xù)吸出，降低殘余廢氣量和增加新鮮充量。排氣門在氣缸內(nèi)廢氣停止流出時(shí)恰好關(guān)閉是最理想的時(shí)刻。3、進(jìn)氣過程進(jìn)氣門一般在上止點(diǎn)前提前一定曲軸轉(zhuǎn)角開啟，以保證活塞下行時(shí)有足夠大的開啟面積，減少進(jìn)氣節(jié)流損失。進(jìn)氣門提前角一般為0~40oCA。進(jìn)氣真正開始時(shí)刻，要待氣缸內(nèi)殘余廢氣膨脹至低于進(jìn)氣管內(nèi)進(jìn)氣壓力才開始。由于該時(shí)進(jìn)氣管內(nèi)氣體加速需要壓力差，進(jìn)氣門開啟截面積又小，因此新鮮充量不能及時(shí)吸入氣缸。進(jìn)氣門提前開啟就是為了減少節(jié)流損失，增加氣缸內(nèi)充氣量。為了利用吸氣過程中產(chǎn)生的高速氣流的慣性，進(jìn)氣門必須在下止點(diǎn)后適當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角才完全關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)過后充氣，以增加氣缸內(nèi)充氣量。進(jìn)氣遲閉角一般為下止點(diǎn)后40~70oCA。4、氣門疊開由于排氣門的遲后關(guān)閉和進(jìn)氣門的提前開啟，在進(jìn)、排氣上止點(diǎn)附近，存在進(jìn)、排氣門同時(shí)

開著的現(xiàn)象，稱之為氣門疊開。由于氣流慣性，進(jìn)氣管、排氣管雖然相通，在氣門疊開角適當(dāng)時(shí)不應(yīng)出現(xiàn)廢氣倒流現(xiàn)象。非增壓柴油機(jī)氣門疊開角一般為20~80oCA。在增壓柴油機(jī)中，由于進(jìn)氣壓力始終高于排氣管內(nèi)壓力，因此，可以直接冷卻排氣門，降低其熱負(fù)荷，因此，增壓柴油機(jī)氣門疊開角可以較大，一般為80~160oCA。汽油機(jī)氣門疊開角較小，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況時(shí)節(jié)氣門開度最小，進(jìn)氣節(jié)流損失最大，進(jìn)氣管內(nèi)真空度最高，容易造成排氣管內(nèi)廢氣倒流現(xiàn)象。將進(jìn)、排氣門開、關(guān)角度相對(duì)于上下止點(diǎn)的位置畫出，稱之為配氣相位圖。二、換氣損失—進(jìn)氣損失+排氣損失。1、排氣損失—從排氣門提前打開直至進(jìn)氣行程開始，缸內(nèi)壓力到達(dá)大氣壓力前循環(huán)功的損失。它等于自由排氣損失W+強(qiáng)制排氣損失Y。自由排氣損失W—膨脹功損失。強(qiáng)制排氣損失Y—將廢氣強(qiáng)行推出所消耗功。排氣提前角加大，自由排氣損失W增加，強(qiáng)制排氣損失Y減少。最佳排氣提前角應(yīng)使（W+Y）之和最小。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高、排氣門截面積減小時(shí)，按曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)算的實(shí)際超臨界排氣時(shí)期延長(zhǎng)，因此最佳排氣提前角應(yīng)增加。減小排氣系統(tǒng)阻力及排氣門處的流動(dòng)損失，是降低排氣損失的主要方法—主要是排氣消聲器、排氣道、排氣門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。前者是主要影響因素。試驗(yàn)結(jié)果表明，因排氣消聲器引起的排氣背壓每升高3.39kPa，增壓柴油機(jī)油耗平均增加0.5%，非增壓柴油機(jī)平均增加1%，2、進(jìn)氣損失—進(jìn)氣流動(dòng)阻力造成的損失。減少阻力損失主要從改進(jìn)進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)著手，對(duì)柴油機(jī)而言，要求在一定的進(jìn)氣終了空氣渦流強(qiáng)度條件下，盡可能提高流量系數(shù)。換氣損失—排氣損失+進(jìn)氣損失（W+X+Y）。泵氣損失—對(duì)非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，排氣過程與進(jìn)氣過程封閉曲線包圍的示功圖面積（X+Y+d）。一般為15~30kpa。雖小，但對(duì)充氣效率影響甚大。影響泵氣損失的因素：1）進(jìn)氣節(jié)流的影響—汽油機(jī)小負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于進(jìn)氣節(jié)流，進(jìn)氣管中壓力下降，泵氣損失顯著加大，可能達(dá)到70kpa。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或活塞平均速度的影響—發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速愈高，超臨界排氣期間愈長(zhǎng)（指所占的曲軸轉(zhuǎn)角間隔愈長(zhǎng)，過下止點(diǎn)后的曲軸轉(zhuǎn)角間隔愈長(zhǎng)，活塞開始上行時(shí)氣缸內(nèi)的殘余廢氣量愈多），強(qiáng)制排氣和進(jìn)氣的壓力差與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（嚴(yán)格說與活塞平均速度）的平方成正比，因此泵氣損失愈大。上圖看出，柴油機(jī)負(fù)荷對(duì)泵氣損失略有影響。第二節(jié)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率一、充氣效率—實(shí)際進(jìn)入氣缸的新鮮工質(zhì)質(zhì)量與進(jìn)氣狀態(tài)下充滿氣缸工作容積的新鮮工質(zhì)質(zhì)量之比。（進(jìn)氣狀態(tài)對(duì)非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)指大氣狀態(tài)，對(duì)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，指增壓器出口狀態(tài)）V1—實(shí)際循環(huán)進(jìn)氣量在進(jìn)氣狀態(tài)下所占的體積；VS—?dú)飧坠ぷ魅莘e。v愈高，代表每循環(huán)進(jìn)入一定氣缸容積的新鮮工質(zhì)量多，則發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩可增加，動(dòng)力性好。實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率可直接測(cè)定：用孔板或噴嘴、層流式空氣流量計(jì)直接測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)每小時(shí)實(shí)際充氣量Vk（m3/h），理論充氣量Vt

（m3/h）由下面的公式算出：二、影響充氣效率的因素假定進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)氣缸容積為（Vs+Vc），進(jìn)氣終了時(shí)缸內(nèi)氣體密度為a，則進(jìn)氣終了時(shí)缸內(nèi)氣體的總質(zhì)量為：ma=（Vs+Vc）a假定排氣門關(guān)閉時(shí)氣缸容積為Vr，殘余廢氣的密度為r，則殘余廢氣的質(zhì)量為：mr=Vrr充入氣缸的新鮮充量的質(zhì)量為：

vVss

=（Vs+Vc）a—Vrr令這里，是有效壓縮比（=（0.8~0.9）），這是考慮了進(jìn)、排氣門遲閉的影響，則：（因Vs=（-1）Vc，則）假定殘余廢氣與新鮮充量的氣體常數(shù)近似相等，并以氣體狀態(tài)方程

=p/（RT）代入上式，得：殘余廢氣系數(shù)是進(jìn)氣過程結(jié)束時(shí)氣缸內(nèi)殘余廢氣量mr與氣缸中新鮮充量vVss的比值。代入上式得：由此可見，影響充氣效率的因素有：進(jìn)氣（或大氣）的狀態(tài)、進(jìn)氣終了時(shí)的氣缸壓力和溫度、殘余廢氣系數(shù)、壓縮比、氣門正時(shí)等。1、進(jìn)氣終了壓力pa—pa愈高，v愈高。2、進(jìn)氣終了的溫度Ta—Ta愈高，v愈低。3、殘余系數(shù)—愈高，v愈低。4、配氣定時(shí)—，新鮮充量的容積減小，但pa值卻因進(jìn)氣流動(dòng)慣性而使進(jìn)氣量增加，因此，合適的配氣定時(shí)應(yīng)使pa具有最大值。5、壓縮比—增加，壓縮容積減小，殘余廢氣量減少，v有所增加。6、進(jìn)氣（或大氣）狀態(tài)—由于進(jìn)氣密度隨進(jìn)氣狀態(tài)而變，因此，充氣效率v并不代表發(fā)動(dòng)機(jī)絕對(duì)進(jìn)氣量的尺度。為了比較發(fā)動(dòng)機(jī)在不同大氣條件下的充氣能力，應(yīng)該用如下定義的充填效率c表示：充填效率c：假定標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)p0=760mm汞柱，T0=20+273=293，相對(duì)濕度0=60%，水蒸氣分壓0pw0=10.5mm汞柱，干空氣密度0=1.188公斤/米3，則進(jìn)氣溫度Ts高，進(jìn)氣終了溫度Ta也高；進(jìn)氣壓力ps愈高，進(jìn)氣終了壓力pa也愈高。因此，充氣效率v變化并不大，但充填效率c變化大：Ts高，c降低；ps高，c升高。發(fā)動(dòng)機(jī)功率應(yīng)該與充填效率c直接有關(guān)。三、由吸入空氣量計(jì)算平均有效壓力pme1、過量空氣系數(shù)—燃燒1kg燃料的實(shí)際空氣量與理論空氣量之比稱為過量空氣系數(shù)結(jié)論：提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能指標(biāo)的基本途徑有：1）采用增壓技術(shù)2）合理組織燃燒過程，提高循環(huán)指示效率3）改善換氣過程，提高氣缸的充氣效率4）提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速5）提高內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械效率6）采用二沖程機(jī)提高升功率第三節(jié)減少進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力進(jìn)氣系統(tǒng)由空氣濾清器（或加進(jìn)氣消聲器）、化油器喉管、節(jié)氣門、進(jìn)氣管、進(jìn)氣道和進(jìn)氣門等組成。減少各段通路的阻力，是提高充氣效率v、提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的主要途徑。一、進(jìn)氣門—與氣門直徑、氣門錐角、氣門最大升程、凸輪至氣門的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、凸輪型線等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、尺寸參數(shù)有關(guān)。1、進(jìn)氣門瞬時(shí)開啟流通截面積fd—?dú)忾T室直徑；lv—?dú)忾T瞬時(shí)升程;—?dú)忾T錐角2、時(shí)面值在時(shí)間微元dt內(nèi)通過氣門的氣體流量為dm=vmfdt。整個(gè)氣門開啟時(shí)間內(nèi)的氣體流量為m=Vmfdt式中的fdt稱為氣門的時(shí)面值，氣門的通過能力與氣門的時(shí)面值有關(guān)。式中的Vm

是進(jìn)氣門處氣體的平均流速式中的fd稱為氣門的角面值。氣門機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、配氣相位一定時(shí)，氣門的角面值就一定，與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化無(wú)關(guān)。但氣門的時(shí)面值與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成反比。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，氣門的時(shí)面值下降，充氣效率v降低。因此，可變配氣相位機(jī)構(gòu)（高、低速凸輪或電控電磁閥）是國(guó)外主要研究方向。3、進(jìn)氣馬赫數(shù)Ma—進(jìn)氣門處氣體的平均速度Vm與該處聲速c的比值：平均流速Vm的定義：實(shí)際每循環(huán)進(jìn)入氣缸的新鮮充量vVs與進(jìn)氣門有效時(shí)面值Ft之比。式中，sm—進(jìn)氣門開啟期間的平均流量系數(shù)，通過穩(wěn)流吸風(fēng)試驗(yàn)臺(tái)，測(cè)得進(jìn)氣門在不同氣門升程下的流量系數(shù)s，求出平均值：進(jìn)氣道的流通能力是衡量流動(dòng)特性的一個(gè)重要指標(biāo),通常用流量系數(shù)CF表示,流量系數(shù)是指氣體通過氣門閥座的實(shí)際質(zhì)量流量與理論質(zhì)量流量的比值

Fm—進(jìn)氣門平均開啟面積；

t0、tc—進(jìn)氣門開、關(guān)時(shí)間；0、c—進(jìn)氣門開、關(guān)角度。由于所以式中，D—?dú)飧字睆剑籨—進(jìn)氣閥盤（室）的直徑。當(dāng)進(jìn)氣馬赫數(shù)Ma0.5時(shí)，充氣效率v急劇下降。增大氣門的相對(duì)通過面積，提高流量系數(shù)，合理的配氣相位是限制Ma值、提高v、提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的有效辦法。4、氣門直徑和氣門數(shù)進(jìn)氣門直徑一般比排氣門直徑大15%~20%。因?yàn)榕艢饬魉俑哂谶M(jìn)氣流速，按進(jìn)、排氣流量相等原則，可以進(jìn)大、排??；其次，排氣門熱負(fù)荷較進(jìn)氣門嚴(yán)重，減小排氣門直徑可以減少排氣門受熱面積，降低熱負(fù)荷。增大氣門直徑，可提高v，二氣門結(jié)構(gòu)進(jìn)氣門閥盤直徑可達(dá)活塞直徑的45%~50%，進(jìn)氣門與活塞面積之比為0.2~0.25。但進(jìn)氣門直徑增加，除受結(jié)構(gòu)限制之外，慣性質(zhì)量增大使慣性力增大，在高速發(fā)動(dòng)機(jī)中容易引起氣門飛脫、反跳等不正?，F(xiàn)象。因此，增加氣門數(shù)是高速發(fā)動(dòng)機(jī)中增大氣門通過能力、提高充氣效率v的有效途徑。根據(jù)優(yōu)化氣門數(shù)和進(jìn)氣門開啟面積的關(guān)系可知，當(dāng)缸徑大于80mm時(shí)，采用二進(jìn)二排結(jié)構(gòu)；缸徑小于80mm時(shí)，采用三進(jìn)二排的結(jié)構(gòu)。可獲得最大氣門開啟面積，進(jìn)氣體積流量可大幅度增長(zhǎng)。多氣門優(yōu)點(diǎn)：1）進(jìn)氣總通過斷面積增加，有利于提高充氣效率，提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩。四氣門機(jī)構(gòu)與二氣門機(jī)構(gòu)相比，功率可提高70%，扭矩可提高30%；2）在相同缸徑條件下，氣門頭部尺寸小，重量輕，氣門升程小，有利于高速化；3）有利于形成結(jié)構(gòu)緊湊的半球型燃燒室，改善燃燒；4）排氣門熱負(fù)荷低。多氣門缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動(dòng)布置困難。5、氣門升程—即氣門最大升程。氣門升程大，可增加氣門通過時(shí)面值，提高充氣效率，但氣門最大負(fù)加速度大，氣門容易發(fā)生飛脫、反跳等不正常開啟現(xiàn)象。因此，最大氣門升程與氣門閥盤直徑之比一般取0.26~0.28。6、減少氣門處的流動(dòng)損失氣門頭部到桿身的過渡形狀、氣門與氣門座的銳邊等，都會(huì)影響氣流的剝離，從而影響流量系數(shù)。如在進(jìn)氣門升程較小時(shí)，氣門周圍的氣流部分發(fā)生倒流，減少了進(jìn)氣通道截面積，即減少了進(jìn)氣量。這當(dāng)然與進(jìn)氣道的幾何形狀設(shè)計(jì)有關(guān)，如國(guó)外的進(jìn)氣道出口要求機(jī)械加工倒角、要求流線型幾何形狀設(shè)計(jì)。二、進(jìn)氣道、進(jìn)氣管—保證足夠的流通截面積，避免轉(zhuǎn)彎（柴油機(jī)螺旋進(jìn)氣道除外）及截面突變，提高氣道內(nèi)表面的鑄造光潔度，以減小阻力，提高v。為使氣流加速，進(jìn)氣道截面積是漸縮、漸擴(kuò)的幾何形狀。氣門導(dǎo)管處最小氣道截面積的設(shè)計(jì)非常重要，它取決于氣門最大升程的選定。一般認(rèn)為，在穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)上，超過最大氣門升程時(shí)，進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)應(yīng)該保證氣體流量不再增大。對(duì)汽油機(jī)而言，采用直線型進(jìn)氣道可最大限度減少進(jìn)氣阻力。這一設(shè)計(jì)思想也體現(xiàn)在現(xiàn)代車用直噴式柴油機(jī)的進(jìn)氣道設(shè)計(jì)上，主進(jìn)氣道盡可能設(shè)計(jì)成直線型，而副進(jìn)氣道則設(shè)計(jì)成螺旋型，以組織進(jìn)氣渦流。進(jìn)氣管的直徑和長(zhǎng)度應(yīng)考慮進(jìn)氣管的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，通常，高速、高功率、進(jìn)氣管直徑宜選擇粗一些（長(zhǎng)度較短），為中、低速工況經(jīng)濟(jì)性考慮，進(jìn)氣管直徑宜選擇細(xì)一些（長(zhǎng)度較長(zhǎng)）（進(jìn)氣流速太低）。三、空氣濾清器—濾芯容易堵塞。第四節(jié)合理選擇配氣定時(shí)配氣相位角中，進(jìn)氣門遲閉角的改變，對(duì)充氣效率影響最大。增大進(jìn)氣遲閉角，高轉(zhuǎn)速時(shí)v最大值相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速增加，有利于最大功率的提高，但對(duì)中、低速發(fā)動(dòng)機(jī)性能不利；減小進(jìn)氣遲閉角，能防止低速倒噴，有利于提高最大扭矩，但降低了最大功率。合理的排氣提前角應(yīng)當(dāng)在保證排氣損失最小的前提下，盡量減小排氣提前角，以加大有效膨脹比，提高熱效率。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，相應(yīng)的自由排氣時(shí)間縮短，為減少排氣損失，應(yīng)增加排氣提前角。進(jìn)氣門早開角和排氣門遲閉角的影響體現(xiàn)在氣門疊開角上，其中，排氣門遲閉角的影響最大，隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而加大（即氣門疊開角隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而加大），進(jìn)氣門提前角幾乎不變。汽油機(jī)氣門疊開角較小，柴油機(jī)較大；車用增壓柴油機(jī)為保證低速性能，氣門疊開角與非增壓機(jī)型幾乎一致。第五節(jié)進(jìn)氣管的動(dòng)態(tài)效應(yīng)由于間隙進(jìn)、排氣，進(jìn)、排氣管內(nèi)存在壓力波。可利用此壓力波來(lái)提高氣缸內(nèi)充氣效率。電控汽油噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的普及，使得進(jìn)氣管的設(shè)計(jì)自由度大大增加，進(jìn)氣管諧振系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在中、高檔轎車上，甚至可使充氣效率超過100%，大大提高了發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能。進(jìn)氣管動(dòng)態(tài)效應(yīng)分為慣性效應(yīng)與波動(dòng)效應(yīng)。一、進(jìn)氣管的慣性效應(yīng)在進(jìn)氣行程，由于活塞下行，在進(jìn)氣門氣門端產(chǎn)生負(fù)壓，它會(huì)以波動(dòng)形式從進(jìn)氣管的氣門端，以聲速向入口端傳播，經(jīng)過t時(shí)間后到達(dá)入口端并反射為正壓力波。設(shè)進(jìn)氣時(shí)間為ts，若進(jìn)氣管很長(zhǎng)，這時(shí)t?ts，其結(jié)果對(duì)進(jìn)氣過程無(wú)直接影響；對(duì)短進(jìn)氣管，壓力波返回時(shí)間短，這時(shí)將發(fā)生負(fù)壓力波與正壓力波重合。如果進(jìn)氣管管長(zhǎng)選擇恰當(dāng)，便能在進(jìn)氣過程后半期，壓力波合并成為正壓，并使正壓恰在進(jìn)氣門關(guān)閉之前達(dá)到最大值（最佳t=ts/2），就能增加v（慣性增壓）。像這樣，進(jìn)氣管內(nèi)的壓力波對(duì)產(chǎn)生它的本次循環(huán)的進(jìn)氣過程直接產(chǎn)生影響，這種效應(yīng)叫慣性效應(yīng)。二、進(jìn)氣管波動(dòng)效應(yīng)當(dāng)進(jìn)氣門關(guān)閉后，進(jìn)氣管內(nèi)在進(jìn)氣門端產(chǎn)生壓縮波（正壓波），向進(jìn)氣管的開口端以聲速傳播，到達(dá)管端時(shí)將反射為膨脹波（對(duì)于開口、管端外壓力不變時(shí)，反射波的性質(zhì)與入射波相反），從管端向氣門端以聲速傳播。當(dāng)?shù)竭_(dá)進(jìn)氣門端時(shí)，若進(jìn)氣門仍關(guān)閉，則邊界條件為封閉型，氣門處反射波的性質(zhì)與入射波的性質(zhì)相同，即為膨脹波（負(fù)壓波），在進(jìn)氣管開口端再次反射時(shí)，成為壓縮波（正壓波）向進(jìn)氣門端傳播。如此周而復(fù)始，氣體壓力波在進(jìn)氣管內(nèi)來(lái)回傳播，進(jìn)氣門處的壓力也時(shí)高時(shí)低。如果使向進(jìn)氣門端傳播的正壓力波與下一循環(huán)的進(jìn)氣過程重合，就能使進(jìn)氣終了時(shí)的壓力提高，從而提高了充氣效率。這種前一個(gè)循環(huán)殘存的壓力波，對(duì)后一個(gè)循環(huán)的進(jìn)氣過程發(fā)生的影響叫波動(dòng)效應(yīng)。三、轉(zhuǎn)速與管長(zhǎng)壓力波的固有頻率f1

=c/(4Li*)

式中：c—進(jìn)氣管壓力波聲速

Li*—進(jìn)氣管等效管長(zhǎng)當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為n（r/min）時(shí)，進(jìn)氣頻率f2為f1與f2之比為波動(dòng)次數(shù)q2，說明進(jìn)氣管內(nèi)壓力波的固有頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣頻率的配合關(guān)系。對(duì)慣性效應(yīng)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣周期與壓力波半周期相配，即對(duì)波動(dòng)效應(yīng)，當(dāng)q2=1.5、2.5…時(shí)，下一次進(jìn)氣門開啟時(shí)，正好與正的壓力波重合，使v增加；當(dāng)q2=1、2…時(shí)，進(jìn)氣頻率與壓力波固有頻率合拍，下一次氣門開啟期間正好與負(fù)的壓力波重合，使v減小。q1、q2愈小，則需要進(jìn)氣管愈長(zhǎng)；q1、q2愈大，則由摩擦引起的壓力波衰減愈大。當(dāng)最佳的q1或q2一定時(shí)，管長(zhǎng)與轉(zhuǎn)速成反比，即高速機(jī)應(yīng)選用短（粗）的進(jìn)氣管，轉(zhuǎn)速不太高的發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)選用長(zhǎng)（細(xì)）的進(jìn)氣管。換句話說：長(zhǎng)進(jìn)氣管對(duì)應(yīng)的最大充氣效率v在低速，短進(jìn)氣管對(duì)應(yīng)最大v下的轉(zhuǎn)速在高速。結(jié)論：1）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和管長(zhǎng)：長(zhǎng)進(jìn)氣管對(duì)應(yīng)的最大充氣效率v在低速，短進(jìn)氣管對(duì)應(yīng)最大v下的轉(zhuǎn)速在高速。2）進(jìn)氣管截面積（或管徑）高速機(jī)應(yīng)選用短而粗的進(jìn)氣管，轉(zhuǎn)速不太高的發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)選用細(xì)而長(zhǎng)的進(jìn)氣管。3）配氣相位高速機(jī)應(yīng)選用大的i*，中、低速機(jī)應(yīng)選用較小的i*。4）如果使用可變的進(jìn)氣系統(tǒng)，在高速工作時(shí)，使用短而粗的進(jìn)氣管和大的i*，以保證高速下獲得大的進(jìn)氣充量及高速動(dòng)力性；在中低速下采用細(xì)而長(zhǎng)的進(jìn)氣管和小的i*，以保證中低速下v最佳，從而改善了低速穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。這就是當(dāng)前最為流行的可變進(jìn)氣系統(tǒng)的理論依據(jù)。五、排氣管的動(dòng)態(tài)效應(yīng)排氣門打開初期，在排氣門處產(chǎn)生大的正壓力波向排氣管口傳播，在出口端又返回負(fù)壓力波。由于排氣壓力波排氣能量大、廢氣溫度高，故排氣壓力波的振幅大、傳播速度高。若能在排氣過程后期，特別是在氣門疊開期間，使排氣管的氣門端形成穩(wěn)定的負(fù)壓，便可減少殘余廢氣和泵氣損失，有利于提高v。如圖所示，排氣門的開啟持續(xù)時(shí)間與壓力波的一個(gè)或二個(gè)周期一致最佳。結(jié)論：1）排氣管的長(zhǎng)度、粗細(xì)、配氣相位對(duì)v的影響趨勢(shì)與進(jìn)氣管相似，即：高速機(jī)采用短而粗的排氣管和大的排氣開啟持續(xù)角，低速機(jī)采用細(xì)而長(zhǎng)的排氣管及小的排氣開啟持續(xù)角。2）對(duì)于多缸發(fā)動(dòng)機(jī)，若多缸共一根排氣管就會(huì)產(chǎn)生相互干擾，往往使結(jié)果變壞。如某缸在關(guān)閉之前，另一缸在自由排氣而形成正壓力波，此缸使前一缸排氣門處壓力升高，不利于廢氣排出。因此，多缸機(jī)為排除上述干擾，常將某些排氣時(shí)間不重疊的氣缸分為一組，采用單獨(dú)的排氣管。第六節(jié)可變技術(shù)可變技術(shù)就是隨發(fā)動(dòng)機(jī)使用工況（轉(zhuǎn)速和負(fù)荷）變化，為使發(fā)動(dòng)機(jī)性能均保持最佳，發(fā)動(dòng)機(jī)某系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)可變的技術(shù)。現(xiàn)有可變進(jìn)氣管、可變氣門定時(shí)、可變氣門升程、可變進(jìn)氣渦流等結(jié)構(gòu)。一、可變進(jìn)氣管—高速大功率時(shí)短而粗，低速大扭矩時(shí)細(xì)而長(zhǎng)。二、可變氣門定時(shí)要求：進(jìn)氣遲閉角與排氣提前角應(yīng)隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而加大；怠速時(shí)，氣門疊開角要小，隨轉(zhuǎn)速升高，氣門疊開角應(yīng)加大。1、凸輪相位可變—雙頂置凸輪軸的進(jìn)氣凸輪軸上，氣缸蓋上裝油壓切換閥，由計(jì)算機(jī)控制。在油壓作用下，帶螺紋花鍵2的活塞3可作軸向移動(dòng)，使齒形皮帶輪與凸輪軸脫開，凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度（一般可轉(zhuǎn)20~30）。2、進(jìn)氣持續(xù)期可變—凸輪軸上裝兩組凸輪，為低速、大扭矩時(shí)的短升程、短持續(xù)期的進(jìn)氣凸輪和高速、大功率時(shí)的長(zhǎng)升程、長(zhǎng)持續(xù)期的進(jìn)氣凸輪，可實(shí)現(xiàn)高速、低速和可變排量三種方式動(dòng)作的機(jī)構(gòu)。T型連桿內(nèi)的控制活塞在油壓控制下，實(shí)現(xiàn)高速或低速搖臂與T型連桿的連接，從而實(shí)現(xiàn)高速或低速凸輪與氣門的驅(qū)動(dòng)關(guān)系。第七節(jié)二沖發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程一、二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程及示功圖以曲軸箱掃氣型式的二沖程汽油機(jī)的換氣過程為例。基本分類（按進(jìn)氣方式分類）：活塞閥進(jìn)氣簧片閥進(jìn)氣旋轉(zhuǎn)閥進(jìn)氣活塞-簧片閥進(jìn)氣

1、進(jìn)氣過程

給氣比是衡量進(jìn)入曲軸箱內(nèi)新鮮可燃混合氣量的多少，因此愈高，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性愈好。（1）活塞閥進(jìn)氣方式的結(jié)構(gòu)、工作特點(diǎn)進(jìn)氣口面積受到限制。進(jìn)氣口高度方向上下邊沿位置受到進(jìn)氣相位的限制，進(jìn)氣口上邊沿位置必須在活塞處于上止點(diǎn)位置時(shí)使進(jìn)氣口全開。通常設(shè)計(jì)成長(zhǎng)方形，但過寬削弱氣缸壁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而且氣環(huán)容易彈入進(jìn)氣口折斷。發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)，給氣比急劇降低，高轉(zhuǎn)速時(shí)高。低速時(shí)活塞下行時(shí)，曲軸箱內(nèi)新鮮可燃混合氣有更多時(shí)間倒噴入進(jìn)氣管。高轉(zhuǎn)速時(shí)氣流慣性來(lái)不及轉(zhuǎn)向流出。曲軸箱進(jìn)氣示功圖I0點(diǎn)是進(jìn)氣開啟點(diǎn)，新氣進(jìn)入曲軸箱，壓力上升，一直到上止點(diǎn)；活塞下行，曲軸箱內(nèi)氣體由于慣性仍在流入，但也有可能因曲軸箱容積減小而使氣體倒流，因此壓力增加較平緩。Ic點(diǎn)是進(jìn)氣口關(guān)閉點(diǎn)，此后曲軸箱密封并壓縮而使壓力迅速增加。S0點(diǎn)是掃氣口開啟點(diǎn)，新氣進(jìn)入氣缸，曲軸箱內(nèi)氣體壓力隨著預(yù)壓縮過程的進(jìn)行而變化不大。活塞上行，容積增大，曲軸箱內(nèi)氣體壓力急劇下降，直至掃氣口關(guān)閉點(diǎn)Sc。隨后，壓力下降程度變緩。（2）簧片閥進(jìn)氣方式的結(jié)構(gòu)與工作特點(diǎn)進(jìn)氣口開、關(guān)時(shí)間不對(duì)稱，可以早開、早關(guān)。進(jìn)氣口不布置在氣缸壁上，而是布置在曲軸箱上。在化油器和曲軸箱之間裝有一個(gè)簧片閥，簧片閥由閥座、簧片和限位板組成，混合氣只能單向流動(dòng)?；钊蛏弦苿?dòng)，曲軸箱內(nèi)真空度大到足以克服簧片閥彈簧力，就推開簧片閥，新鮮可