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1、汽车发动机原理汽车发动机原理课件课件第三章第三章 发动机的换气过程发动机的换气过程 目录第一节第一节四冲程发动机的换气过程四冲程发动机的换气过程 第二节四冲程发动机的充量系数第二节四冲程发动机的充量系数第三节提高第三节提高发动机发动机的充量系数的措施的充量系数的措施第四节第四节二冲程发动机的换气过程二冲程发动机的换气过程第一节 四冲程发动机的换气过程一、换气过程 四冲程发动机的换气过程包括从排气门开启到进气门关闭的整个时期。换气过程由排气过程和进气过程组成，但这两个过程不完全独立而是有一段时间是重叠的。1排气过程 从排气门早开点到晚关的曲轴转角为排气过程。这一阶段又可以细分为两个阶段。（1）自

2、由排气阶段 从排气门打开到气缸压力接近于排气管压力的这个时期称为自由排气阶段。图3-1换气过程中气缸压力、排气管内气体压力进排气门流通截面积的变化图（2）强制排气阶段 这个阶段废气是由活塞上行强制推出。2进气过程 由图3-1中气缸压力线上看到，在进气行程初期，由于气门开启面积很小，活塞也开始向下运动，同时又要克服气流的惯性，因此，缸内产生很大的负压，新鲜充量流入气缸。随着气门开启，进入缸内气体量增加，气缸压力和温度逐渐上升，到进气终了时，由于进气动能部分转变为压能，缸内气体压力提高接近或略高于进气管内压力。3气门重叠和燃烧室扫气 二、排气损失 从排气门提前打开，直到进气行程开始，缸内压力到达大

3、气压力前循环功的损失称为排气损失。它可分为自由排气损失和强制排气损失。图3-2 进、排气相位图自由排气损失（图中面积W）是因排气门提前打开，排气压力线从点开始偏离理想循环膨胀线，引起膨胀功的减少。强制排气损失（图中面积Y）是活塞将废气推出所消耗的功。图3-3 四冲程发动机换气损失W自由排气损失 Y强制排气损失 X近期损失 Y+X-u泵气损失 随着排气提前角的增大，自由排气损失面积形增加，而此时强制排气损失面积Y应减小。因而最有利的排气提前角应使面积（W+Y）之和为最小。当排气门截面小，发动机转速高时，按曲轴转角计算的实际超临界排气时期延长，为减少排气损失，应适当加大排气提前角。图3-4 排气门

4、提前角和排气损失a最适合 b过早 c过晚 d排气门面积过小三、进气损失 由于进气系统的阻力，进气过程的气缸压力低于进气管压力（非增压发动机中一般设为大气压力），损失的功相当于图X所表示的面积，称为进气损失。第二节第二节 四冲程发动机的充量系数四冲程发动机的充量系数一、充量系数 充量系数是衡量不同发动机换气过程完善程度的重要指标，又叫充量效率或容积效率。它定义为每缸每循环实际吸入气缸的新鲜空气质量与进气状态下充满气缸工作容积的理论空气质量比值。式中，是实际进入气缸的新鲜空气的质量；是实际进入气缸的新鲜空气在进气状态下的体积；是进气状态下理论计算充满气缸工作容积的空气质量；是气缸工作容积。slsa

5、cVVmmamlVsmsV 进气门关闭时气缸容积为 ，此时缸内工质的质量 ，为 (3-1)式中，为进气门关闭时气缸工质的密度。假定气缸排气门关闭时关闭点体积为 ，排气门关闭时缸内工质的质量 为 (3-2)式中，为排气门关闭时气缸工质的密度。由此可得每循环充入气缸的新鲜混合气质量 为 进入气缸的混合气量为式中，为循环燃料量。csVV am)(ascaVVmarVrmrrrVmrlm)(rracslVVVmbalgmmbg 由第四章空燃比的关系得 式中，为过量空气系数；为单位质量的燃料燃烧理论供给空气量。令 称为混合气的空气量比例系数，所以有 式中，为进气时大气密度。考虑到进、排气门迟闭，令 ,则

6、有 假定残余废气与新鲜充量的气体常数近似相等，应用气体状态方程式 代入上式，则 （3-3）loaoaamLLm)1(aoLoaoaaLLK1rrascasscVVVKVsscscVVVVcrVV1rascacKRTp1rraacsscacTpTppTK 为了比较不同发动机残余废气量的多少，引入残余废气系数的概念。残余废气系数是进气过程结束时气缸内残余废气量与进入气缸中新鲜空气的比值。(3-4)二、充量系数与发动机功率、转矩的关系 充量系数与发动机功率、转矩的关系，可通过下列公式进一步看出，随着充量系数值的提高，发动机的功率和转矩都提高。rrascarrarVVVKVmm 如果将发动机的进气过程

7、采用当时的大气状态，其理论充量为:每循环的实际充量：1kg燃油实际供给的空气量为 ，实际充量为时应供给的循环供油量为：式中：过量空气系数；为1kg燃料完全燃烧所需的理论空气量。每循环燃油燃烧放出的热量为：式中：为燃料的低热值（KJ/kg）每循环的指示功为：kgRTVpGoaoocoaoOcRTVpGGoaLkgLRTVpqoacoao1aoLkJLHRTVpQoaucoao1uHkJLHRTVpQWioaucoaoii1 平均指示压力：（2-5）式中 为气体密度 平均有效压力：若在一般大气状态下，视为常数，、仅与燃烧有关，通常石油中 、近乎不变，因此平均有效压力可表示为下式：（2-6）式中：为

8、比例常数，对每种发动机均有一定的数值。kPaLRTHpVWpcioaouoaimi1oaciouLHooooRTVpV1kPaLRTHpppcmioaouommime1ooRTpuHoLuHoLcmiamekp1k 发动机的有效功率为 （3-7）式中令 ，对每种发动机为一常数。发动机转矩可表示为下式：（3-8）式中令 ，对每种发动机也是常数。三、影响充量系数的因素 由式(3-7)、（3-8）及(3-6)可见，影响充量系数的因素有进气（或大气）的状态、进气终了的气缸压力和温度、残余废气系数、压缩比及进排气相位角等。31030niVpPamee310130cmioaouoaLRTHpniVkWnk

9、cmia1cmiaetqknPT29550oouoaLRTHpiVk301031129550kk 三、影响充量系数的因素 影响充量系数的因素有进气（或大气）的状态、进气终了的气缸压力和温度、残余废气系数、压缩比及进排气相位角等。1进气门关闭时缸内压力 进气门关闭时缸内压力对充量系数的影响较大，进气门关闭时缸内压力值愈高，充量系数值愈大。2进气门关闭时缸内气体温度 进气门关闭时，缸内气体温度高于进气状态温度。引起升高的原因是新鲜工质进入发动机与高温零件接触而被加热，新鲜工质与高温残余废气混合而被加热。气体温度值愈高，充入气缸工质密度愈小，充量系数愈低。因此，在条件允许的情况下应力求降低缸内气体温

10、度值。3残余废气系数 气缸中残余废气增多会使燃烧恶化，使充量系数下降。对发动机经济性能和排放性能亦有影响。4进排气相位角 由于进气门迟闭而使新鲜充量的容积减小，但进气时终了时气缸压力值却可能因气流惯性而有所增加。合适的配气相位应该考虑 具有最大值。5压缩比压缩比增加，燃烧室容积减小，残余废气的相对量随之减少，因此充量系数有所增加。6进气状态进气温度升高，进气压力下降均会使进入气缸充量的密度减小，绝对进气量减少。但影响不大。ap第三节 提高发动机充量系数的措施 一、降低进气系统的阻力发动机的进气系统（非增压发动机）是由空气滤清器、进气管、进气道和进气门所组成。减少各段通路对气流的阻力可以有效提高

11、充量系数。1减少进气门处的流动损失(1)进气马赫数 受气门大小、形状、升程规律、进气相位等因素影响。a）发动机DS=83mm86mm、4缸、b）发动机DS=42mm35mm、1缸、L1、L2及S1、S2为不同进气门角度及面积值 min640070rkWnpemanmin105004.4rkWnpeman图3-5 充气系数与平均进气马赫数M的关系(2)减少气门处流动损失 增大气门相对通过面积，提高气门处流量系数以及合理的配气相位是限制值是提高充量系数的主要方法。增大进气门直径可以扩大气流通路截面积，提高充量系数。图3-6 现代汽油机的排量、转矩和输出功率2减少进气道、进气管和空气滤清器的阻力二、

12、减少对进气充量的加热新鲜充量在吸入过程中，受到进气管、进气道、气门、气缸壁和活塞等一系列受热零件的加热，引起温升。三、降低排气系统流通阻力降低排气系统流通阻力，使气缸内废气压力下降，这不仅可以减少残余废气系数，有利于提高充量系数，而且可以减少泵气功。四、合理选择进、排气相位角 合理选择进、排气相位角，可以获得较好的充气效果，特别是在高转速时，适当推迟进气门关闭时间，可以利用高速气流的惯性来增加每循环气缸充气量。即转速一定，气流动能一定，则存在相应的最佳进气门迟闭角度。五、谐振进气与可变进气支管 谐振进气和可变进气支管都是利用进气管的动态效应来提高充量系数。it图3-7 进气管内压力波动a)进气

13、系统简图 b)进气门处压力波动1吸气波 2反射波 3合成波 进气持续角 曲轴转角 L进气管长度it 谐振进气系统利用一定长度和直径的进气支管与一定容积的谐振室，在特定的转速下产生大幅值压力波，从而增加进气。在此基础上，随转速变化控制谐振室接入进气道，可以在特定的高、低两个转速阶段，利用进气管的动态效应来提高充量系数。随着电子控制技术的发展，出现了可变进气支管。图3-8 进气管长度可变系统1空气滤清器 2节气门 3转换阀 4转换阀控制装置 5发动机电子控制单元 另一种可变进气支管 图3-9 双通道可变进气支管1短进气道 2旋转阀 3长进气道 4喷油器 5进气道 6进气门第四节第四节 二冲程发动机

14、的换气过程二冲程发动机的换气过程一、二冲程发动机的换气过程 当燃烧-膨胀过程开始，活塞从上止点向下运动直至下止点前活塞顶部开启排气口，膨胀过程即告结束。排气行程开始（示功图上 点），直到活塞至下止点后，返回上行到其顶部遮闭排气口的整个期间，即示功图 曲线为二冲程内燃机的换气过程根据气体流动情况，二冲程发动机换气过程可分为3个阶段：图3-10 曲轴箱扫气二冲程发动机工作过程a）、b）、c）工作机构简图；d）工作缸内示功图1排气口 2扫气门 3进气门 bbdb(1)自由排气阶段:从排气口开启到扫气口开启，新鲜工质开始进入气缸。(2)强制排气和扫气阶段:扫气口开启，提高了压力和新鲜工质进入气缸，并利

15、用进入气体强制废气排出缸外，即扫除废气又充人新鲜工质，直至活塞到下止点后返回，上行将扫气口遮闭，扫气过程结束。(3)额外排气阶段:在扫气口关闭之后，排气口还开着，这时由于活塞上行的排挤和废气气流的惯性，而继续排出废气或新鲜工质与废气的混合气，直至排气口关闭为止。二冲程发动机换气过程与四冲程发动机换气过程的性能特点。1)二冲程机换气时间短，新鲜充量与废气又长期掺混，所以换气质量不高，残余废气系数较大，又容易出现新气流失。2)二冲程机有效工作行程减小，再加之扫气要耗费较多的能量，所以其指示热效率明显低于四冲程机，燃油消耗率较高。3)二冲程机变工况运行时，换气过程变化较大，易于偏离优化匹配状态，所以

16、二冲程机变工况运行时的性能较差。4)二冲程汽油机由于扫气时新鲜混合气的逸出，不仅使经济性变差，也使HC排放量增多。二、扫气系统的基本方案 根据二冲程发动机气缸内新鲜工质流动的性质，换气系统可分为横流换气型、回流换气型和直流换气型等三种形式。1横流换气型 二冲程发动机最早的换气形式。扫气口与排气口在气缸圆周下部的两侧对置。h图3-11 横流扫气形式以及气口开启高度随曲轴转角的变化关系 2回流换气型 扫气口与排气口不对置，而往往位于气缸同侧。3直流换气型扫气气流沿气缸轴线由下向上运动，并流过整个气缸断面，新鲜工质与废气的掺混较少，换气质量高。图3-12 回流扫气a）三口回流扫气 b）气门开启高度随

17、曲轴转角的变化关系 图3-13 直流扫气a）气口-气门式 b）对向活塞式 c）气口开启高度随曲轴转角的变化关系 三、换气系统评价 常用下述三个指标来评定换气效果。1扫气系数 定义为：换气结束后，留在气缸内新鲜充量的质量与缸内工质总质量之比值。2过量扫气系数（给气比）定义为：每循环由扫气孔流出的新鲜充量的质量与按气缸排量计算的理论充量的质量的比值。可按大气压力或扫气压力来计算。3充量系数 定义与四冲程机相同。主要反映了整个进气过程（由大气直到缸内）组织的好坏。111101rsmmmmmrm式中：-残余废气系数。/skbmmsbc-残余废气量；图3-14 各种扫气形式的扫气效率1完全扫气 2直流式

18、扫气 3回流式扫气 4横流式扫气 四、影响扫气效率的因案1.扫气方式如图3-14所示，直流扫气的扫气效率最高，回流次之，横流最低。2.扫气压力当过量扫气系数一定时，扫气压力越高，扫气流的扰动越强，越容易短路，扫气效率降低，尤其是在横流扫气时，下降急剧。3.行程缸径比行程缸径比加大时，直流扫气的扫气效率略有提高，而回流扫气和横流扫气则扫气效率减小，特别是横流扫气下降显著。因此，对气口扫气式二冲程发动机不适宜采用长行程。4转速由于扫气泵在高转速时扫气压力较高而使扫气效率下降。缸径与转速的乘积越大，扫气越困难。因此，直流扫气的；回流扫气的。5扫气排气系统主要指排气管的长度和直径的影响。排气管的长度适

19、当减小，管内的压力波会使扫气时排气的背压降低，改善换气质量。润汽管因此做得粗而短。1.1.为什么发动机进气门迟后关闭、排气门提前为什么发动机进气门迟后关闭、排气门提前开启。提前与迟后的角度与哪些因素有关？开启。提前与迟后的角度与哪些因素有关？2 2四冲程发动机换气过程包括哪几个阶段，这四冲程发动机换气过程包括哪几个阶段，这几个阶段是如何界定的？几个阶段是如何界定的？3 3影响充量系数的主要因素有哪些？影响充量系数的主要因素有哪些？4 4提高发动机工作转速，从换气方面会遇到哪提高发动机工作转速，从换气方面会遇到哪些阻碍因素，如何克服？些阻碍因素，如何克服？5 5什么是进气管动力效应，怎样利用它来提高什么是进气管动力效应，怎样利用它来提高充量系数？充量系数？6什么叫进气马赫数？它对充量系数有什么影响？什么叫进气马赫数？它对充量系数有什么影响？7.二冲程发动机换气过程包括哪几个阶段，这几个二冲程发动机换气过程包括哪几个阶段，这几个阶段是如何界定的？阶段是如何界定的？8.二冲程发动机换气系统基本形式。二冲程发动机换气系统基本形式。9.评价二冲程发动机换气系统质量的参数。评价二冲程发动机换气系统质量的参数。10.影响二冲程发动机扫气效率的因素有哪些？影响二冲程发动机扫气效率的因素有哪些？