汽车发动机原理与汽车理论第3章课件.ppt
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1、第一节四冲程发动机的换气过程第二节四冲程发动机的充气效率第三节提高发动机充气效率的措施第四节二冲程发动机的换气过程第五节工程应用实例(文摘)第三章发动机的换气过程发动机的换气过程发动机的换气过程,包括排气过程和进气包括排气过程和进气过程过程,其任务是在尽可能小的换气损失的其任务是在尽可能小的换气损失的前提下前提下,排净缸内废气排净缸内废气,吸足新鲜充量。吸足新鲜充量。表征换气过程进行完善程度的表征换气过程进行完善程度的主要指标主要指标是是充气效率的高低和消耗于换气过程的泵吸充气效率的高低和消耗于换气过程的泵吸功的大小功的大小.本章重点介绍本章重点介绍:1)四冲程内燃机的充气效率及影响四冲程内燃
2、机的充气效率及影响充气效率的因素。充气效率的因素。2)提高充气效率的措施提高充气效率的措施减少进减少进气系统的阻力气系统的阻力,合理地选择配气定时。合理地选择配气定时。第三章发动机的换气过程第一节四冲程发动机的换气过程一、换气过程二、换气损失与泵气损失下止点上止点第一节第一节 四冲程发动机的换气过程四冲程发动机的换气过程一、一、换气过程换气过程:四冲程发动机的换气过程包括四冲程发动机的换气过程包括从排气门从排气门开启到进气门关闭开启到进气门关闭的整个时期。约占的整个时期。约占410 480曲轴转角。曲轴转角。换气过程可分作换气过程可分作自由排气自由排气、强制排气、强制排气、进气进气和和燃烧室扫
3、气燃烧室扫气四个阶段。四个阶段。图图3-1换气过程中气缸压力、排气管压力换气过程中气缸压力、排气管压力及进、排气门流通截面积的变化曲线及进、排气门流通截面积的变化曲线a)气缸压力气缸压力p、排气管、排气管压力压力pr随曲轴转角随曲轴转角的的变化曲线变化曲线b)进、排气门相对流进、排气门相对流通截面积随曲轴转角通截面积随曲轴转角的变化曲线的变化曲线c)气缸压力随气缸容气缸压力随气缸容积积V的变化曲线的变化曲线四冲程发动机换气过程中气缸压力、排气管四冲程发动机换气过程中气缸压力、排气管压力及进、排气门流通截面积的变化曲线压力及进、排气门流通截面积的变化曲线1、自由排气阶段、自由排气阶段 从排气门开
4、启到气缸压力接近于排气管内压力的从排气门开启到气缸压力接近于排气管内压力的时期,称为时期,称为排气阶排气阶。(1)超临界状态流动超临界状态流动:排气门开启是在活塞运动到下排气门开启是在活塞运动到下止点前止点前3080(CA),此时气缸内废气压力较高。此时气缸内废气压力较高。排气流动处于超临界状态排气流动处于超临界状态,此阶段此阶段,废气流量与排气废气流量与排气管内压力无关管内压力无关,只取决于气缸内的气体状态和气门最只取决于气缸内的气体状态和气门最小开启截面。小开启截面。(2)亚临界状态流动亚临界状态流动:着气体大量流出着气体大量流出,缸内压力迅速缸内压力迅速下降下降,气体流速小于声速气体流速
5、小于声速,转入亚临界状态转入亚临界状态,此时废气此时废气流量取决于气缸内和排气管内的压力差。自由排气流量取决于气缸内和排气管内的压力差。自由排气约在下止点后约在下止点后1030(CA)结束。结束。2 2、强制排气阶段、强制排气阶段 自由排气阶段结束后,气缸内的废气将被上自由排气阶段结束后,气缸内的废气将被上行活塞强制推出,这一过程就是行活塞强制推出,这一过程就是。排气提前角排气提前角:从上:从上止点止点到排气门完全关闭终了所到排气门完全关闭终了所对应的曲轴转角,一般为对应的曲轴转角,一般为1035曲轴转角。曲轴转角。3 3、进气过程、进气过程从进气门开启到关闭的全过程从进气门开启到关闭的全过程
6、准备进气准备进气:进气提前角一般为进气提前角一般为004040(CA)(CA)。正常进气正常进气:新鲜气体充入气缸。:新鲜气体充入气缸。惯性进气惯性进气:进气迟闭角一般为进气迟闭角一般为40407070(CA)(CA)。4.进、排气门早开、晚关进、排气门早开、晚关,气门重叠和燃烧室扫气气门重叠和燃烧室扫气(1)配气相位配气相位:进、排气门的实际开、闭时刻和持续进、排气门的实际开、闭时刻和持续时间时间,称为配气相位称为配气相位,通常用曲轴转角通常用曲轴转角(CA)表示。表示。进、排气门早开、迟闭进、排气门早开、迟闭的原因是气门开、闭都需的原因是气门开、闭都需要一定的时间要一定的时间,速度不能太速
7、度不能太快快(2)气门重叠和燃烧室扫气气门重叠和燃烧室扫气:由于排气门晚关和进气门由于排气门晚关和进气门提前打开提前打开,因而存在进、排因而存在进、排气门同时开启的现象气门同时开启的现象,称为称为气门重叠气门重叠.图图3-2四冲程内燃机配气相位四冲程内燃机配气相位 (外圈表示增压机型外圈表示增压机型)4.进、排气门早开、晚关进、排气门早开、晚关,气门重叠和燃烧室扫气气门重叠和燃烧室扫气 特别是增压发动机特别是增压发动机,由于进气压力高和较长的气由于进气压力高和较长的气门重叠时间门重叠时间,可以更好地利用新鲜充量来帮助清可以更好地利用新鲜充量来帮助清除废气和降低燃烧室热区零件的温度除废气和降低燃
8、烧室热区零件的温度,称为称为燃烧燃烧室扫气室扫气.增压柴油机增压柴油机的气门重叠角一般为的气门重叠角一般为80160(CA);非增压柴油机非增压柴油机的气门叠开角在的气门叠开角在2060(CA)范围范围内。内。在气门重叠开启期内在气门重叠开启期内,可利用气流压差和惯可利用气流压差和惯性清除残余废气性清除残余废气,增加新鲜充量增加新鲜充量.1 1、排气损失、排气损失从排气门提前开启,直到进气行程开始、缸内压力到达大气压力之前,所损失的循环功。a.自由排气损失自由排气损失W:由于排气门提前打开而引起的膨胀功的减少。b.强制排气损失强制排气损失Y:活塞上行强制推出废气所消耗的功。二、换气损失与泵气损
9、失图图3-3四冲程发动机换气损失四冲程发动机换气损失a)非增压发动机非增压发动机b)增压发动机增压发动机注注:w自由排气损失自由排气损失x强迫排气损失强迫排气损失y进气损失进气损失 x+y+w换气损失换气损失x+y泵气损失泵气损失2、进气损失、进气损失X 进气损失进气损失是由于进气系统阻力的存在,使进气过程气缸压力低于进气管压力造成的损失,进气损失比排气损失要小小。合理调整配气定时,加大进气门的流通截面、合理调整配气定时,加大进气门的流通截面、正确设计进气管及进气道的流动路径以及降正确设计进气管及进气道的流动路径以及降低活塞平均速度等低活塞平均速度等,都会使进气损失减少。,都会使进气损失减少。
10、图图3-3四冲程发动机换气损失四冲程发动机换气损失 排气损失与进气损失之和称为排气损失与进气损失之和称为换气损失换气损失(W十十Y十十X)。泵气损失泵气损失(X+Y-uX+Y-u):):又称为泵气过程功又称为泵气过程功,是四冲程发动机在进、排气两个行程中是四冲程发动机在进、排气两个行程中,活活塞因排气和进气所付出或获得的功塞因排气和进气所付出或获得的功,此功可此功可为正或负。为正或负。在实际换气过程中在实际换气过程中,由于工质流动时节流、由于工质流动时节流、摩擦等因素的存在摩擦等因素的存在,产生的能量损失称为产生的能量损失称为泵泵气损失气损失.3.泵气损失泵气损失 四冲程非增压发动机的泵气损失
11、是图四冲程非增压发动机的泵气损失是图3-3a中中(x+y)所示面积代表的负功所示面积代表的负功 四冲程增压发动机的泵气损失是图四冲程增压发动机的泵气损失是图3-3b中中剖面线剖面线(x+y)所示面积代表的功所示面积代表的功 二冲程发动机因无单独的进、排气行程二冲程发动机因无单独的进、排气行程,所所以泵气功为零以泵气功为零3.泵气损失泵气损失第二节四冲程发动机的充气效率一、充气效率二、影响充气效率的因素及其分析一、充气效率一、充气效率 充气效率(充气效率():是实际进入气缸的新鲜充量与进是实际进入气缸的新鲜充量与进气状态下充满气缸工作容积的新鲜充量之比。气状态下充满气缸工作容积的新鲜充量之比。一
12、、充气效率一、充气效率 1.充气效率充气效率v的表达式的表达式1)进气门关闭时缸内气体的总质量为进气门关闭时缸内气体的总质量为2)在排气门关闭时缸内残余废气的质量为在排气门关闭时缸内残余废气的质量为二、影响充气效率的因素及其分析1.充气效率充气效率v的表达式的表达式3)充入气缸新鲜充量的质量为充入气缸新鲜充量的质量为经变换推导得经变换推导得二、影响充气效率的因素及其分析 2.影响充气效率的因素影响充气效率的因素影响充气效率的因素有进气状态和进气终了影响充气效率的因素有进气状态和进气终了状态的状态的气缸压力、温度、残余废气系数、压气缸压力、温度、残余废气系数、压缩比及配气相位缩比及配气相位.(1
13、)进气终了状态压力进气终了状态压力pa的影响的影响pa对对v影响较大影响较大,pa值越大值越大,v值越大值越大 pa=ps-papa为大气流动时为大气流动时,克服进气系统阻力而引起克服进气系统阻力而引起的压力损失的压力损失,一般可写成一般可写成pa主要取决于进气系统各管道阻力系数主要取决于进气系统各管道阻力系数和和气体流速气体流速v。若。若、v高时高时,pa增大增大,使得使得pa下降。下降。图图3-4不同节气门开度、不同转速时不同节气门开度、不同转速时 的进气终了气体压力的进气终了气体压力图图3-5三种国产发动机充气三种国产发动机充气效率随转速的变化关系效率随转速的变化关系1495Q型柴油机型
14、柴油机2CA-30型型越野越野汽车汽油机汽车汽油机3CA-72型小客车型小客车汽油机汽油机(1)进气终了状态压力进气终了状态压力pa的影响的影响 1)当节气门位置一定时当节气门位置一定时,n增加增加,pa降低。降低。2)节气门开度减小时节气门开度减小时,pa降低。节气门开度降低。节气门开度越小越小,pa随随n提高而下降得越快提高而下降得越快。(2)进气终了温度进气终了温度Ta的影响的影响 Ta越高越高,充入气缸的工质密度越小充入气缸的工质密度越小,v越低。越低。(2)进气终了温度进气终了温度Ta的影响的影响引起引起Ta升高的原因有升高的原因有:高温零件加热工质高温零件加热工质;新鲜新鲜工质与残
15、余废气混合工质与残余废气混合;对汽油机来说对汽油机来说,为了便于为了便于液体燃料蒸发、混合液体燃料蒸发、混合,常利用排气歧管或冷却常利用排气歧管或冷却液的热量加热新鲜充量液的热量加热新鲜充量,故进气终了温度升高。故进气终了温度升高。对于柴油机而言对于柴油机而言,将它的进、排气道和进、排将它的进、排气道和进、排气歧管置于气缸盖两侧气歧管置于气缸盖两侧,控制进气预热控制进气预热,适当加适当加大气门重叠角大气门重叠角,都有利于进气终了温度的降低。都有利于进气终了温度的降低。转速转速n和负荷都对和负荷都对Ta有影响有影响,在负荷不变时在负荷不变时,转速转速n越高越高,工质被加热的时间缩短工质被加热的时
16、间缩短,Ta降低。在转速降低。在转速n不变时不变时,负荷加大负荷加大,缸壁温度升高缸壁温度升高,Ta提高。提高。(3)残余废气系数残余废气系数气缸中残余废气增加气缸中残余废气增加,使使v降低降低,燃烧恶化燃烧恶化,燃油燃油消耗率升高消耗率升高,排放变差。排气系统阻力大排放变差。排气系统阻力大,废气流废气流动困难动困难,使得排气压力提高使得排气压力提高,残余废气增加残余废气增加,充气充气效率降低。效率降低。(4)配气相位的影响配气相位的影响配气相位的影响主要是进气门迟闭角的变化配气相位的影响主要是进气门迟闭角的变化,迟迟闭角增加闭角增加,新鲜充气量容积减小新鲜充气量容积减小,pa却可能增加。却可
17、能增加。应该选择合适的配气定时应该选择合适的配气定时,使使pa具有最大值。具有最大值。(5)压缩比的影响压缩比的影响提高压缩比提高压缩比,使气缸余隙减小使气缸余隙减小,残余废气量减少残余废气量减少,从而提高从而提高v。结论结论 进气终了压力进气终了压力提高,充气效率提高。提高,充气效率提高。进气终了温度进气终了温度提高,充气效率下降。提高,充气效率下降。排气终了压力排气终了压力提高,充气效率下降。提高,充气效率下降。排气终了温度排气终了温度变化对充气效率影响不大。变化对充气效率影响不大。大气压力降低、大气温度大气压力降低、大气温度升高,充气效率提高升高,充气效率提高。压缩比提高,充气效率提高。
18、压缩比提高,充气效率提高。配气相位:进、排气迟后角过大或过小,充气配气相位:进、排气迟后角过大或过小,充气效率降低。效率降低。第三节提高发动机充气效率的措施一、减少进气系统的流动损失二、减小对新鲜充量的加热三、减小排气系统的阻力四、合理地选择配气相位提高充量系数措施提高充量系数措施降低进气系统的阻力降低进气系统的阻力降低排气系统流通阻力降低排气系统流通阻力减少对进气充量的加热减少对进气充量的加热合理选择进、排气相位角合理选择进、排气相位角谐振进气与可变进气支管谐振进气与可变进气支管提高发动机充量系数的措施提高发动机充量系数的措施一一、减少、减少进气系统的流动阻力进气系统的流动阻力 1降低进气门
19、处的流动损失降低进气门处的流动损失进气马赫数:进气门处气流平均速度进气马赫数:进气门处气流平均速度与该处声速之比与该处声速之比mV进气马赫数反映气体流动对充量系数进气马赫数反映气体流动对充量系数的影响。的影响。当当M超过一定数值时,大约在超过一定数值时,大约在0.5左右,左右,充量系数急剧下降。充量系数急剧下降。改善改善气门处气门处流体流体动力性能动力性能 采取较小采取较小的的S/D值值(短行程短行程)图图-6-6充气效率与平均进气马赫数的关系充气效率与平均进气马赫数的关系)发动机、缸发动机、缸()发动机、发动机、1 1缸、缸、.()L1L1,L2L2、及及S1S1,S2S2为不同进气门角度、
20、面积值为不同进气门角度、面积值图图3-7气门数对平均有效压力的影响气门数对平均有效压力的影响图图3-8S/D对对v的影响的影响减少减少进气道进气道的阻力:的阻力:气道通路断面应有足够的面积,各断面要避免突变。气道通路断面应有足够的面积,各断面要避免突变。进气道内部过渡圆角半径应大一些,避免急剧转弯等。进气道内部过渡圆角半径应大一些,避免急剧转弯等。减少减少进气管进气管的阻力:的阻力:进气管必须保证足够的流通截面积,管道表面光洁,进气管必须保证足够的流通截面积,管道表面光洁,避免急转弯及流通截面突变,以减少阻力。为保证各气缸避免急转弯及流通截面突变,以减少阻力。为保证各气缸进气均匀,各缸进气管独
21、立,长度尽可能一致。进气管的进气均匀,各缸进气管独立,长度尽可能一致。进气管的整体走势和内壁断面形状要满足使新鲜充量在气缸中形成整体走势和内壁断面形状要满足使新鲜充量在气缸中形成涡流的要求。涡流的要求。减少减少空气滤清器空气滤清器的阻力:的阻力:加大通过断面,改进滤清性能,创制低阻高效滤清器加大通过断面,改进滤清性能,创制低阻高效滤清器等。在使用中要经常清洗滤清器,特别要避免纸芯的油污等。在使用中要经常清洗滤清器,特别要避免纸芯的油污堵塞,及时更换滤芯等。堵塞,及时更换滤芯等。2.减小整个进气管道的流动阻力减小整个进气管道的流动阻力二、减小对新鲜充量的加热 凡能降低活塞、气门等热区零件的凡能降
22、低活塞、气门等热区零件的温度和减小接触面积的措施都有利温度和减小接触面积的措施都有利于减小对新鲜充量的加热。于减小对新鲜充量的加热。增压发动机的燃烧室扫气、油冷活增压发动机的燃烧室扫气、油冷活塞以及柴油机进、排气管分别置于塞以及柴油机进、排气管分别置于缸盖两侧缸盖两侧,都是有利措施。都是有利措施。三、减小排气系统的阻力减小排气系统中排气门座、排气减小排气系统中排气门座、排气道、排气管、消音器的阻力道、排气管、消音器的阻力,对降对降低排气压力低排气压力pr、减少残余废气系数、减少残余废气系数均有利。均有利。减少排气系统的阻力虽然效果减少排气系统的阻力虽然效果不如减小进气系统阻力那么有效不如减小进
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