換氣過程與循環(huán)充量

換氣過程與循環(huán)充量第1頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/291摩托車發(fā)動機(jī)原理換氣過程排氣過程進(jìn)氣過程

換氣過程的任務(wù)

排除廢氣充入盡可能多的新鮮工質(zhì)研究的內(nèi)容換氣過程的進(jìn)行情況

分析影響充氣量的各種因素

提高充氣量

減少換氣損失方向與措施。找出換氣過程是持續(xù)運轉(zhuǎn)的必要條件單位時間進(jìn)入整機(jī)的充氣量是決定發(fā)動機(jī)輸出功率的“量”的因素

第2頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/292摩托車發(fā)動機(jī)原理

6.1

四行程發(fā)動機(jī)的換氣過程一、換氣過程四行程發(fā)動機(jī)的換氣過程包括從排氣門開啟到進(jìn)氣門關(guān)閉的整個時期，約占410o~480o曲軸轉(zhuǎn)角。換氣過程的目的：?最大限度地吸入新鮮充量—φc是核心問題?最小的換氣損失?各缸進(jìn)氣均勻性?在缸內(nèi)形成合理的流場,以控制混合氣形成和燃燒第3頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/293摩托車發(fā)動機(jī)原理換氣過程1.排氣階段1）自由排氣階段2）強(qiáng)制排氣階段3）慣性排氣階段2.進(jìn)氣階段1）準(zhǔn)備進(jìn)氣階段2）正常進(jìn)氣階段3）慣性進(jìn)氣階段3.氣門疊開第4頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/294摩托車發(fā)動機(jī)原理

1.排氣階段1）自由排氣階段排氣門開啟到氣缸壓力接近了排氣管壓力的這一時期，稱為自由排氣階段。排氣提前角：從排氣門開啟到活塞行至下止點所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角稱為，一般為30o~80o曲軸轉(zhuǎn)角。第5頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/295摩托車發(fā)動機(jī)原理自由排氣階段超臨界狀態(tài)亞臨界狀態(tài)

（1）超臨界狀態(tài)排氣門開啟時，氣缸內(nèi)廢氣壓力較高（0.2~0.5Mpa），缸內(nèi)壓力與排氣管壓力之比＞1.9，排氣流動處于超臨界狀態(tài)，可利用廢氣自身的壓力自行排出。第6頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/296摩托車發(fā)動機(jī)原理通過排氣門口廢氣的流速等于該狀態(tài)下的音速（m/s）式中K——絕熱指數(shù)；

T——氣體的絕對溫度；

R——氣體常數(shù)〔N?m/（kg·K）〕。

在超臨界排氣時期，廢氣流量與排氣管內(nèi)壓力pr無關(guān)，只與氣缸內(nèi)的氣體狀態(tài)及氣門開啟截面積有關(guān)。并且因排氣流速甚高，在排氣過程中伴有刺耳的噪聲，所以排氣系統(tǒng)必須裝有消聲器。第7頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/297摩托車發(fā)動機(jī)原理

排出的廢氣量決定于氣缸內(nèi)及排氣管內(nèi)的壓力差。壓力差越大排出廢氣越多。當(dāng)?shù)侥骋粫r刻氣缸內(nèi)與排氣管內(nèi)壓力相等，自由排氣階段結(jié)束（一般下止點后10o~30o曲軸轉(zhuǎn)角）。此階段雖然歷程很短，但因排氣流速甚高，排出廢氣量達(dá)60%以上。（2）亞臨界狀態(tài)缸內(nèi)壓力與排氣管內(nèi)壓力之比下降到1.9以下時，排氣流動轉(zhuǎn)入亞臨界狀態(tài)，廢氣流速降低，產(chǎn)生的噪音較小。

第8頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/298摩托車發(fā)動機(jī)原理

高速發(fā)動機(jī)其排氣提前角要大一些：在自由排氣階段中，排出的廢氣量與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速無關(guān)。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高時，在同樣的排氣時間（以秒計）所相當(dāng)?shù)那S轉(zhuǎn)角增大，因此，高速發(fā)動機(jī)排氣提前角要大。但不宜過大，否則會使排氣損失加大。第9頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/299摩托車發(fā)動機(jī)原理2）強(qiáng)制排氣階段：活塞上行強(qiáng)制推出廢氣。缸內(nèi)平均壓力高于排氣管平均壓力：克服排氣門、排氣道處的阻力，一般高出10kpa左右。氣體的流速越高，此壓差越大，消耗的功越多。第10頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2910摩托車發(fā)動機(jī)原理3）慣性排氣。當(dāng)強(qiáng)制排氣階段接近終了，在上止點附近，廢氣尚有一定的流動能力，利用氣流的慣性進(jìn)一步排除廢氣。排氣遲閉角，一般為10o~35o曲軸轉(zhuǎn)角。第11頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2911摩托車發(fā)動機(jī)原理2.進(jìn)氣階段從下止點到進(jìn)氣閥終了這段曲軸轉(zhuǎn)角稱為進(jìn)氣遲閉角。從進(jìn)氣門打開到上止點為止，這段曲軸轉(zhuǎn)角稱為進(jìn)氣提前角。進(jìn)氣閥必須在上止點前開始打開？進(jìn)氣閥關(guān)閉時也必須在下止點后才關(guān)閉？3）慣性進(jìn)氣階段1）準(zhǔn)備進(jìn)氣階段2）正常進(jìn)氣階段第12頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2912摩托車發(fā)動機(jī)原理進(jìn)氣門早開：增大了進(jìn)氣行程開始時氣門的開啟高度，減小進(jìn)氣阻力，增加進(jìn)氣量。進(jìn)氣門晚關(guān)：延長了進(jìn)氣時間，在大氣壓和氣體慣性力的作用下，增加進(jìn)氣量。排氣門早開：借助氣缸內(nèi)的高壓自行排氣，大大減小了排氣阻力，使排氣干凈。排氣門晚關(guān)：延長了排氣時間，在廢氣壓力和廢氣慣性力的作用下，使排氣干凈。排氣門晚關(guān)進(jìn)氣門早開氣門重疊第13頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2913摩托車發(fā)動機(jī)原理

3.氣門疊開：進(jìn)、排氣門同時開啟

作用：由于進(jìn)氣管、氣缸、排氣管互相連通，可以利用氣流的壓差、慣性或進(jìn)、排氣管壓力波的幫助，清除殘余廢氣，增加進(jìn)氣量，降低高溫零件的溫度，但注意不應(yīng)產(chǎn)生廢氣倒流現(xiàn)象。

氣門疊開角：進(jìn)、排氣門同時開啟時對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，一般為20o～80o曲軸轉(zhuǎn)角。在增壓發(fā)動機(jī)可達(dá)80o~160o的曲軸轉(zhuǎn)角。因其進(jìn)氣壓力高。第14頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2914摩托車發(fā)動機(jī)原理因為：a.進(jìn)、排氣流各自有自己的流動方向和流動慣性，加上重疊時間極短。b.進(jìn)氣流有助于更好地排氣。氣門重疊會產(chǎn)生串氣嗎？不會！第15頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2915摩托車發(fā)動機(jī)原理二、換氣損失換氣損失由排氣損失和進(jìn)氣損失兩部分組成。第16頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2916摩托車發(fā)動機(jī)原理1.排氣損失排氣損失是從排氣門提前打開，直到進(jìn)氣行程開始，氣缸內(nèi)壓力到達(dá)大氣壓力之前，循環(huán)功的損失。

（1）自由排氣損失（圖中面積W），是由于排氣門提前打開而引起的膨脹功的減少。（2）強(qiáng)制排氣損失（圖中面積Y），是活塞上行強(qiáng)制推出廢氣所消耗的功。

第17頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2917摩托車發(fā)動機(jī)原理減少排氣損失的主要措施是：減小排氣系統(tǒng)阻力和排氣門處的流動損失。

隨著排氣提前角增大，自由排氣損失面積增加，強(qiáng)制排氣損失面積減小，如圖中b曲線，如排氣提前角減少則強(qiáng)制排氣損失面積增加，如圖中c曲線。所以最有利的排氣提前角應(yīng)使面積（W+Y）之和最小。第18頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2918摩托車發(fā)動機(jī)原理

2．進(jìn)氣損失進(jìn)氣損失：因進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力而引起的功的損失。排氣損失與進(jìn)氣損失之和稱換氣損失，即圖中面積(W+X+Y)。在實際循環(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。第19頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2919摩托車發(fā)動機(jī)原理6.2四沖程發(fā)動機(jī)的充量系數(shù)

6.2.1充量系數(shù)的概念——每缸每循環(huán)實際吸入氣缸的新鮮空氣質(zhì)量與進(jìn)氣狀態(tài)下理論計算充滿氣缸工作容積的空氣質(zhì)量比值

式中ma、V1—實際進(jìn)入氣缸的新鮮工質(zhì)的質(zhì)量、體積（進(jìn)氣狀態(tài)）；ms、Vs—進(jìn)氣狀態(tài)下充滿工作容積的新鮮工質(zhì)的質(zhì)量、氣缸工作容積。對自然進(jìn)氣發(fā)動機(jī)：進(jìn)氣狀態(tài)指當(dāng)?shù)卮髿鈮篜s、Ts。第20頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2920摩托車發(fā)動機(jī)原理充量系數(shù)表達(dá)式的推導(dǎo)進(jìn)氣門關(guān)閉時氣缸容積為

排氣門關(guān)閉時缸內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量

此時缸內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量

假定氣缸排氣門關(guān)閉時關(guān)閉點體積為

第21頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2921摩托車發(fā)動機(jī)原理每循環(huán)充入氣缸的新鮮混合氣質(zhì)量

由空燃比的關(guān)系得

進(jìn)入氣缸的混合氣質(zhì)量

令則

第22頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2922摩托車發(fā)動機(jī)原理考慮到進(jìn)、排氣門遲閉，令

則假定殘余廢氣與新鮮充量的氣體常數(shù)近似相等，應(yīng)用氣體狀態(tài)方程式，代入上式，得第23頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2923摩托車發(fā)動機(jī)原理1、使用因素第24頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2924摩托車發(fā)動機(jī)原理

6.2.2影響充量系數(shù)的因素1、使用因素（1）轉(zhuǎn)速nn進(jìn)氣流速流動阻力Paφc

n過低,慣性進(jìn)氣φc

。一定的進(jìn)氣系統(tǒng)，一定負(fù)荷下，有一個轉(zhuǎn)速對應(yīng)的充量系數(shù)最大。不同節(jié)氣門開度、不同轉(zhuǎn)速時的進(jìn)氣壓力第25頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2925摩托車發(fā)動機(jī)原理（2）負(fù)荷汽油機(jī)的負(fù)荷調(diào)節(jié)屬于量調(diào)節(jié)，負(fù)荷，節(jié)氣門開度，進(jìn)氣阻力，進(jìn)氣終點壓力Paφc

。柴油機(jī)的負(fù)荷調(diào)節(jié)屬于質(zhì)調(diào)節(jié)，負(fù)荷的變化對充氣系數(shù)無明顯的影響。汽油機(jī)的充量系數(shù)隨負(fù)荷的變化關(guān)系

1-全負(fù)荷2、3、4、5、部分負(fù)荷第26頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2926摩托車發(fā)動機(jī)原理（3）大氣狀態(tài)大氣壓力：P0Pa，但Pa/P0基本不變，故充量系數(shù)不變。大氣溫度To：To變化，Ta也變化，To/Ta基本不變，故充量系數(shù)不變但P0↓(To↑)

ρ0↓ma↓發(fā)動機(jī)功率。第27頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2927摩托車發(fā)動機(jī)原理2）結(jié)構(gòu)因素

1．進(jìn)氣終了時的壓力Pa'Pa'對有重要影響，Pa'愈高，

值愈大

Pa'=Ps-△Pa式中，△pa為氣體流動時，克服進(jìn)氣系統(tǒng)阻力

而引起的壓降(kPa)。一般可寫成

△

式中——管道阻力系數(shù)——進(jìn)氣狀態(tài)下氣體的密度；V——管道內(nèi)氣體的流速（m/s）。

可見，△pa主要取決于各段管道的阻力系數(shù)和氣體流速。若大、高時，△pa增加，使pa'下降。第28頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2928摩托車發(fā)動機(jī)原理

2．進(jìn)氣門關(guān)閉時氣體溫度Ta'

進(jìn)氣終了的溫度Ta'高于進(jìn)氣狀態(tài)溫度。引起Ta'升高的原因是:

1）新鮮工質(zhì)進(jìn)入發(fā)動機(jī)與高溫零件接觸而被加熱。2）新鮮工質(zhì)與高溫殘余廢氣混合而被加熱。

Ta'越高，充入氣缸工質(zhì)密度越小，充量系數(shù)越小。措施：將高溫排氣管與進(jìn)氣管分置于氣缸兩側(cè)，控制進(jìn)氣預(yù)熱，適當(dāng)加大氣門疊開角等，均有利于降低Ta'。第29頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2929摩托車發(fā)動機(jī)原理3.殘余廢氣系數(shù)

1）增加，降低，燃燒惡化，油耗、排放增加，2）壓縮比提高，殘余廢氣系數(shù)減小。3）排氣壓力高，廢氣多，充氣效率降低。4）排氣系統(tǒng)阻力大，排氣壓力高，廢氣多。第30頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2930摩托車發(fā)動機(jī)原理4.配氣定時

由的計算公式可見，由于進(jìn)氣門遲閉而＜1,新鮮充量的容積(Vs'+Vc)減小,但Pa'值卻可能因有氣流慣性而使進(jìn)氣有所增加,合適的配氣定時應(yīng)考慮ξ、Pa'具有最大值。配氣相位合理依據(jù)：充量系數(shù)的變化是否符合動力性要求，轉(zhuǎn)速增大，充量系數(shù)所對應(yīng)的遲閉角增大。換氣損失是否盡可能小，取決于排氣遲閉角。能否保證必要的燃燒掃氣作用，取決于氣門重疊角排氣指標(biāo)好,推遲排氣提前角，有利于排氣性能的提高。第31頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2931摩托車發(fā)動機(jī)原理5.壓縮比壓縮比增加,壓縮容積減小,殘余廢氣量隨之減小,因而

有所增加。第32頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2932摩托車發(fā)動機(jī)原理提高充量系數(shù)的措施：1）降低進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力損失，提高氣缸內(nèi)進(jìn)氣終了時的壓力pa'2）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)r3）減少高溫零件在進(jìn)氣系統(tǒng)中對新鮮充量的加熱，以降低進(jìn)氣終了時的無量溫度Ta'；4）合理的配氣正時和氣門升程規(guī)律，在減小廢氣質(zhì)量的同時增加新鮮工質(zhì)，即增加pa',減小r。5)采用可變配氣系統(tǒng)技術(shù)第三節(jié)提高充量系數(shù)的措施第33頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2933摩托車發(fā)動機(jī)原理

進(jìn)氣系統(tǒng)：空氣濾清器、噴油器、進(jìn)氣管、進(jìn)氣道和進(jìn)氣門等組成。減少各段通道的阻力，增大其流通能力，是提高充量系數(shù)，改善發(fā)動機(jī)性能的主要途徑。（1）進(jìn)氣系統(tǒng)的流動阻力，按其性質(zhì)可分為兩類：1）一類是沿程阻力，實際上是管道摩擦阻力，與管長和管內(nèi)流動面上的表面質(zhì)量有關(guān)。2）另一類是局部阻力，它是由流通截面人小、形狀以及流動方向變化，在局部產(chǎn)生渦流損失所引起的。1、降低進(jìn)氣系統(tǒng)的流動阻力第34頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2934摩托車發(fā)動機(jī)原理（2）降低進(jìn)氣系統(tǒng)的流動阻力的措施：1）加大進(jìn)氣門直徑。2）增加進(jìn)氣門數(shù)目。3）合理設(shè)計進(jìn)氣道及氣門的結(jié)構(gòu)。4）對空氣濾清器定時進(jìn)行清理。第35頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2935摩托車發(fā)動機(jī)原理進(jìn)氣門直徑增大,擴(kuò)大氣流通路截面積增加，

提高。雙氣門（一進(jìn)一排）：進(jìn)氣門直徑可達(dá)活塞直徑的45%~50%，氣門與活塞面積之比為0.2~0.25，進(jìn)氣門比排氣門大15%~20%。受結(jié)構(gòu)限制，進(jìn)一步增大比例已很困難。1）加大進(jìn)氣門直徑。第36頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2936摩托車發(fā)動機(jī)原理多氣門結(jié)構(gòu)：缸徑大于80mm時，采用二進(jìn)二排結(jié)構(gòu)；缸徑小于80mm時，采用三進(jìn)二排結(jié)構(gòu)。

2)增加氣門數(shù)第37頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2937摩托車發(fā)動機(jī)原理

四氣門機(jī)與二氣門機(jī)相比，功率可提高70%，扭矩可提高30%，且響應(yīng)性比增壓機(jī)好，故是汽車發(fā)動機(jī)高功率化的有力措施。第38頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2938摩托車發(fā)動機(jī)原理

氣門升程

氣門升程增加、改進(jìn)凸輪型線、減小運動件質(zhì)量、增加零件剛度，在慣性力允許條件下使氣門開閉盡可能快，以增大時面值，提高充量系數(shù)。最大氣門升程與閥盤直徑之比L/d取0.26~0.28。

a.流通截面盡量大b.氣門開啟和關(guān)閉迅速，以增大時面值，提高充量系數(shù)。第39頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2939摩托車發(fā)動機(jī)原理2.減少對進(jìn)氣充量的加熱

在進(jìn)氣的過程中，進(jìn)入氣缸的新鮮充量將會被各種高溫表面所加熱而溫度升高。從而導(dǎo)致進(jìn)氣密度下降，充量系數(shù)減小，還可能促使發(fā)功機(jī)整體熱負(fù)荷提高和不正常燃燒的發(fā)生。進(jìn)氣溫升受到各種結(jié)構(gòu)與運行參數(shù)的影響，如進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、冷卻水溫度。措施:★盡量避免新鮮空氣同高溫零件接觸?！锝档突钊敿皻忾T處的溫度進(jìn)氣道噴射的汽油機(jī)以及柴油機(jī)，均采用進(jìn)、排氣管兩側(cè)布置的方案，以提高充量系數(shù)。所以進(jìn)氣管與排氣管布置在同一側(cè)。★對于高速內(nèi)燃機(jī)，有時也采用進(jìn)氣冷卻技術(shù)，以降低進(jìn)氣溫度。★組織燃燒掃氣?！镌鰤簷C(jī)進(jìn)氣中冷。第40頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2940摩托車發(fā)動機(jī)原理3、降低排氣系統(tǒng)的流動阻力（1）減小排氣系統(tǒng)阻力，可以使氣缸內(nèi)的殘余廢氣壓力下降，這樣不僅可以減少殘余廢氣系數(shù)，有利于提高充量系數(shù)，而且可以減少泵氣損失，提高指示效率（2）設(shè)計目標(biāo)：降低排氣背壓、減小排氣噪聲措施:a.排氣道應(yīng)當(dāng)是漸擴(kuò)型，以保證排出氣體的充分膨脹，從而降低氣缸與排氣管內(nèi)的壓力差，使得氣缸內(nèi)的廢氣壓力得以迅速下降，達(dá)到提高充量系數(shù)和降低泵氣損失的目的。b.選擇良好的排氣歧管的流形，避免排氣道內(nèi)截面突變、急轉(zhuǎn)彎和凸臺，有助于降低整個流通阻力；c.在滿足必要的消聲效果要求下，應(yīng)盡可能降低消聲器的流通阻力。第41頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2941摩托車發(fā)動機(jī)原理4.合理選擇進(jìn)排氣相位角

從獲得最大充量系數(shù)的角度出發(fā)，比較理想的配氣系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)要滿足以下要求：1）低速時，采用較小的氣門疊開角以及較小的氣門升程，防止出現(xiàn)缸內(nèi)新鮮充量向進(jìn)氣系統(tǒng)的倒流，以便增加轉(zhuǎn)矩，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。2）高速時應(yīng)具有最大的氣門升程和進(jìn)氣遲閉角，以最大程度地減小流動阻力，充分利用氣流慣性，提高充量系數(shù)，以滿足動力性要求。3）配合以上變化，對進(jìn)氣門從開啟到關(guān)閉的持續(xù)期（又稱作用角）也應(yīng)進(jìn)行調(diào)整，以實現(xiàn)最佳的進(jìn)氣定時。

措施：利用氣門可變正時技術(shù)可以在全部轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)提高充量系數(shù)。第42頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2942摩托車發(fā)動機(jī)原理

完全滿足上述各項要求的機(jī)構(gòu)是相當(dāng)復(fù)雜的，目前還僅僅處于研究階