發(fā)動機的換氣過程

1、汽車發(fā)動機原理,第三章 發(fā)動機的換氣過程,,發(fā)動機的換氣過程,換氣過程進行的好壞對發(fā)動機哪些性能有影響？,排氣過程,進氣過程,思考,自由排氣階段,強制排氣階段,慣性排氣階段,準備進氣階段,正常進氣階段,慣性進氣階段,,,,,本章重點介紹：1）四沖程發(fā)動機的換氣過程2）四沖程內(nèi)燃機的充氣效率及影響充氣效率的 因素。3）提高充氣效率的措施。,可燃混合氣成分與汽油機性能的關(guān)系,第一節(jié) 四沖程發(fā)動機的換氣過程,換氣過程

2、 四沖程發(fā)動機配氣機構(gòu)均采用氣門換氣方式，其換氣過程包括從上一循環(huán)排氣門開啟到下一循環(huán)進氣門關(guān)閉的整個時期。 運轉(zhuǎn)時，要在短時間內(nèi)使排氣干凈、進氣充足是比較困難的。為了增加氣門開啟時間，充分利用氣流的流動慣性，減少換氣過程的損失，從而改善換氣過程，進排氣門一般都是提前開啟、延遲關(guān)閉。 整個換氣過程超過兩個行程，占410°~490°曲軸轉(zhuǎn)角（簡稱CA）。,,換氣過程可分為

3、排氣和進氣兩大部分。 其中排氣階段又包含：自由排氣階段、強制排氣階段、慣性排氣階段； 進氣階段可分為準備進氣、正常進氣和慣性進氣三個階段。,自由排氣階段,從排氣門開啟到氣缸壓力接近于排氣管內(nèi)壓力的時期，稱為自由排氣階段。,排氣門開啟是在活塞運行到下止點前30°~80°，此時氣缸內(nèi)廢氣壓力較高，約為0.2~0.5MPa，氣缸壓力p與排氣管壓力pr之比大于臨界值1.9。排氣流動處于超臨界狀

4、態(tài)，流速為當?shù)芈曀賑（m/s）,式中 k—等熵指數(shù)； R—氣體摩爾常數(shù)； T—氣體的絕對溫度 此階段，廢氣流量與排氣管內(nèi)壓力無關(guān)，只取決于氣缸內(nèi)的氣體狀態(tài)和氣門最小開啟截面。,自由排氣階段,亞臨界狀態(tài)流動 隨著廢氣大量流出，缸內(nèi)壓力迅速下降，氣體流速小于聲速，轉(zhuǎn)入亞音速流動狀態(tài)。此時廢氣流量決定于氣缸內(nèi)和排氣管內(nèi)的壓力差。到某一時刻缸內(nèi)壓力與排氣管內(nèi)壓力相近時，自由排氣階段結(jié)束

5、。自由排氣約在下止點后10°~30°（CA）結(jié)束。 自由排氣階段雖然時間不長，因速度高，此階段排出的廢氣量達60%以上。,強制排氣階段,此階段廢氣被上行活塞推出。因為要克服排氣系統(tǒng)阻力，缸內(nèi)壓力略高于排氣管內(nèi)壓力約10kPa左右。流速取決于壓差，流速越高，壓差越大，消耗功亦越多。排氣過程一直進行到上止點之后10°~35°（CA），排氣門才完全關(guān)閉。,慣性排氣階段,,強制排氣階段接近終

6、了時，在上止點附近，廢氣尚有一定的流動能量，可利用氣流的慣性進一步排除廢氣。同時，如果排氣門在上止點時關(guān)閉，在上止點之前它就要開始關(guān)小，產(chǎn)生較大節(jié)流作用，此時活塞還在向上運動，致使氣缸內(nèi)壓力上升，結(jié)果排氣消耗功和殘余廢氣量都會增加。,因此，排氣門是在活塞過了上止點后才關(guān)閉，從上止點到排氣門完全關(guān)閉這段曲軸轉(zhuǎn)角稱為排氣遲閉角。一般排氣遲閉角為10°~35°曲軸轉(zhuǎn)角。,進氣階段,準備進氣階段 從進氣門開啟

7、到活塞行至上止點這個時期，稱為準備進氣階段，相應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)過的角度稱為進氣提前角。 由于進氣提前角較小，相應(yīng)開啟的通道截面也小，加之缸內(nèi)殘余廢氣壓力高于大氣壓力，在此階段新鮮氣體一般不會進入氣缸。,,正常進氣階段 準備進氣階段結(jié)束后，活塞由上止點開始下行。由于氣門提前開啟，此時進氣通道截面已開啟較大，保證大量新鮮氣體進入氣缸。 由于進氣系統(tǒng)阻力，活塞移到下止點時，氣缸內(nèi)壓力仍然低于大氣壓力。,

8、,慣性進氣階段 為了利用高速進氣流的慣性，增加充氣量，減少功耗，氣缸在活塞運行到下止點后才完全關(guān)閉進氣門。從活塞由下止點上行至氣門完全關(guān)閉這個時期，稱為慣性進氣階段。 該階段曲軸轉(zhuǎn)過的角度，稱為進氣遲閉角。,,下止點,上止點,配氣相位,進、排氣門的實際開、閉時刻和持續(xù)時間，稱為配氣相位，通常用曲軸轉(zhuǎn)角（CA）表示。四沖程內(nèi)燃機配氣相位如下圖所示。,氣門重疊和燃燒室掃氣過程,在排氣行程上止點附近出現(xiàn)進、排氣

9、門同時開啟的特殊現(xiàn)象，稱為氣門重疊，相應(yīng)的角度是氣門重疊角，它是排氣遲閉角與進氣提前角之和。,在氣門重疊開啟期內(nèi)，可利用氣流壓差和慣性清除殘余廢氣，增加新鮮充量。特別是增壓發(fā)動機，由于進氣壓力高和較長的氣門重疊時間，可以更好地利用新鮮充量來幫助清除廢氣和降低燃燒室熱區(qū)零件的溫度，稱為燃燒室掃氣。 非增壓機氣門疊開角一般為20°~80°（CA），增壓機的一般為80°~140°（CA）,

10、換氣損失,換氣損失，是由排氣損失和進氣損失兩部分組成。 1.排氣損失 從排氣門提前打開到進氣過程開始，缸內(nèi)壓力達到大氣壓力前，循環(huán)功的損失稱為排氣損失，它包括以下兩部分。1）自由排氣損失w，因排氣門早開，排氣壓力線從Pb’點開始離開理想循環(huán)的膨脹線，引起膨脹功的損失。2）強制排氣損失y，它是活塞將廢氣推出所消耗的功。,為了減少排氣損失可以選擇適當?shù)呐艢馓崆敖?，使（w+y）最小。減小排氣系統(tǒng)阻力及排氣門處

11、流動損失，是降低排氣損失的主要方法。,,2.進氣損失 進氣損失是由于進氣系統(tǒng)阻力的存在，使進氣過程氣缸壓力低于進氣管壓力造成的損失。進氣損失比排氣損失要小。 進氣損失不僅體現(xiàn)在進氣過程所消耗的功上，還體現(xiàn)在進氣過程中所吸入的新鮮充量的多少上。因為前者對發(fā)動機的熱效率、功率影響不大，后者對發(fā)動機的性能有顯著的影響。,合理調(diào)整配氣定時，加大進氣門的流通截面、正確設(shè)計進氣管及進氣道的流通路徑以及降低活塞平均速度

12、等，都會使進氣損失減少。,第二節(jié) 四沖程發(fā)動機的充氣效率,充氣效率φc 充氣效率是衡量不同發(fā)動機動力性能和進氣過程完善程度的重要指標，又稱充量系數(shù)或容積效率。 充氣效率的定義：是實際進入氣缸的新鮮充量m與進氣狀態(tài)下充滿氣缸工作容積的理論新鮮充量ms之比。式中 V1，m—實際進入氣缸新鮮充量的體積和質(zhì)量 V2，ms—進氣狀態(tài)下理論計算充滿氣缸工作容積的新鮮充量的 體積和質(zhì)量。

13、 進氣狀態(tài)：是指進入氣缸前氣體的熱力學狀態(tài)，如溫度與壓力等。,,高，代表每循環(huán)進入氣缸的新鮮充量多，則發(fā)動機的功率Pe、轉(zhuǎn)矩Ttq可增加。 可用實驗方法測得。由流量計測出發(fā)動機每小時新鮮充量的流量V1（m³/h）。而理論充量V（m³/h）由下式計算：V=0.03inVs式中 Vs——氣缸工作容積； i——氣缸數(shù)目； n——轉(zhuǎn)速（r/min）發(fā)動機的充氣

14、效率一般在如下范圍：柴油機0.75~0.9 ；汽油機0.70~0.85,影響充氣效率的因素及其分析,充氣效率 的表達式式中 pa，Ta——進氣終了時氣體壓力、溫度； ps，Ts——進氣狀態(tài)時氣體壓力和溫度； γ ——殘余廢氣系數(shù)，即進氣過程結(jié)束時，缸內(nèi) 殘余廢氣量與缸內(nèi)新鮮充量的比值； ——壓縮比。,影響充氣效率

15、的因素,由上式可知，影響充氣效率的因素有進氣狀態(tài)和進氣終了狀態(tài)的氣缸壓力、溫度、殘余廢氣系數(shù)、壓縮比及配氣相位。 1．進氣終了狀態(tài)壓力Pa的影響 Pa對 有重要影響，Pa值愈高， 值愈大 Pa=Ps－△Pa 式中，△pa為大氣流動時，克服進氣系統(tǒng)阻力而引起的壓降。,這種流動阻力的一般公式為：,式

16、中，λ為管道阻力系數(shù)；ρ為進氣狀態(tài)下氣體的密度；v為管道內(nèi)氣體流速。,△pa主要取決于各段管道阻力系數(shù)λ和氣體流速v 。,,汽油機是靠改變節(jié)氣門開度調(diào)節(jié)進入氣缸的混合氣量來調(diào)節(jié)汽油機負荷。 1）當節(jié)氣門位置一定時，n增加，氣體流速增加， △Pa顯著加大（呈平方關(guān)系），使Pa迅速下降。 2）節(jié)氣門開度減小時， Pa降低。節(jié)氣門開度越小， Pa隨n提高而下降的越快（如下圖）。 負荷變化時，汽油

17、機和柴油機的Pa變化不同，柴油機Pa幾乎不隨負荷變化，而汽油機變化顯著，這也就決定了ηv的變化趨勢。,,2．進氣終了溫度Ta的影響 Ta越高，充入氣缸的工質(zhì)密度越小，ηv值越低。引起Ta升高的原因是: 1）新鮮工質(zhì)進入發(fā)動機與高溫零件接觸而被加熱；新鮮工質(zhì)與高溫殘余廢氣混合而被加熱。 2）對汽油機來說，為了便于液體燃料蒸發(fā)、混合，常利用排氣歧管或冷卻水的熱量加熱新鮮充量，故進氣終了溫

18、度升高。為了降低進氣終了溫度，柴油機的進、排氣道和進、排氣歧管置于氣缸蓋兩側(cè)，控制進氣預熱；適當加大氣門重疊角，也有利于Ta的降低。 3）轉(zhuǎn)速n和負荷都對Ta有影響，在負荷不變時，轉(zhuǎn)速n越高，工質(zhì)被加熱的時間縮短，Ta降低。在轉(zhuǎn)速n不變時，負荷加大，缸壁溫度升高，Ta提高。,,3.殘余廢氣系數(shù)γ 氣缸中殘余廢氣增加，使ηv降低，燃燒惡化，燃油消耗率高，排放差。排氣系統(tǒng)阻力大，廢氣流動困難，使得排氣壓力提高

19、，殘余廢氣增加，充氣效率降低。 進排氣門的重疊角大、壓縮比高， γ值下降，故一般柴油機γ值較低。 汽油機在低負荷運轉(zhuǎn)時，節(jié)氣門開度小，新鮮充量減少，γ大大增加，稀釋可燃混合氣，使燃燒過程緩慢，易造成汽油機低負荷工作不穩(wěn)定和經(jīng)濟性變差。,,4.配氣相位的影響 進氣遲閉角對進氣終了壓力影響最大。Pa會因為新鮮充氣量的慣性進氣而增加。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化時，氣流的慣性發(fā)生變化，但進氣遲閉角不變時，會

20、使轉(zhuǎn)速高時氣流的慣性沒有被利用；而轉(zhuǎn)速低時，進氣遲閉角也不相應(yīng)減少的話，會使氣體造成倒流，從而影響進氣壓力與發(fā)動機的正常工作。 選擇適當?shù)呐錃庀辔?，可獲得較高的充氣系數(shù)。以ξ Pa具有最大值為宜。5.壓縮比的影響 提高壓縮比，使氣缸余隙減小，殘余廢氣量減少，從而提高?v。,第三節(jié) 提高發(fā)動機充氣效率的措施,可以按照上述對影響充氣效率的多種因素的分析，從多方面采取措施來提高充氣效率?v 。,減少進氣系

21、統(tǒng)的流動損失,發(fā)動機進氣系統(tǒng)包括空氣濾清器、化油器（汽油機）、進氣管、進氣道、氣門與氣門座。其中氣門座處的流通截面最小，截面變化大，氣流損失也最大。減小此處的流動阻力，一直是人們關(guān)注的重點。,（一）減少進氣門座處的流動損失 為減少進氣門座處的流動損失，可采取如下措施： 1.增大進氣門直徑，選擇合適的排氣門直徑 現(xiàn)代高速發(fā)動機單進、排氣門結(jié)構(gòu)中，進氣門直徑d與缸徑D之比為45%~50%，面積比為0

22、.2~0.5。排氣門的直徑也必須足夠大，以減少排氣損失。通常犧牲排氣門直徑來加大進氣門直徑，一般進氣門直徑比排氣門直徑大15%~20%。排氣門直徑也不能過分縮小，否則會導致不合理地增加排氣損失和殘余廢氣量。,,由于流速的大小是決定流動阻力大小的主要因素?？諝鈩恿W理論中指出，在高速可壓縮的流動系統(tǒng)中，決定氣流流動性質(zhì)最重要的參數(shù)是馬赫數(shù)Ma，Ma是進氣門處氣流平均速度vm與該處音速c之比，即 Ma= vm /c

23、 發(fā)動機的充氣效率大小，與通過進氣門座處的氣流的馬赫數(shù)Ma密切相關(guān)。,,給定的發(fā)動機（缸徑、氣門大小、配氣相位一定）其Ma與發(fā)動機轉(zhuǎn)速成正比。根據(jù)一系列的實驗可知，在正常的配氣相位條件下，當Ma>0.5左右，?v便急劇下降，如下圖所示。 綜上所述，可得出如下主要結(jié)論：Ma是一個反映?v由于流動損失而受到影響的特性參數(shù)，即?v的高低決定于Ma的大小。因此，在設(shè)計發(fā)動機時應(yīng)盡可能使Ma在最高轉(zhuǎn)速時不超過0.5。汽油

24、機的Ma值已接近0.5，柴油機的Ma值一般在0.3~0.4之間。,,2.增加氣門的數(shù)目 采用小氣門，增加氣門數(shù)的結(jié)構(gòu)（兩個排氣門，兩個進氣門，甚至更多）是增大進氣門流通面積、降低排氣損失的有效措施。 例如：上海柴油機廠生產(chǎn)的6135Q-1柴油機采用雙氣門（即進、排氣門各一個）的結(jié)構(gòu)時，15min功率為162KW/2200r/min；改用四個小氣門（進、排氣門各兩個）后，15min功率增至194kW/220

25、0r/min功率提高20%。由于?v提高使得燃燒完全，因而循環(huán)?i和?e均提高，排氣溫度降低，熱負荷減小，延長了使用壽命。 賽車用高比功率的發(fā)動機采用多個小氣門結(jié)構(gòu)后，功率可提高70%，扭矩可提高30%。 但由于多氣門的機構(gòu)復雜，造價較高，使其發(fā)展受到一定的限制，其另一個缺點是低速時扭矩不大。,,3.改善進氣門處流體動力性能，減少氣門處流動損失 適當增大氣門的升程，改進配氣凸輪型線，在慣性

26、力容許的情況下，使氣門開閉盡可能的快。適當加大氣門桿身與頭部的過度圓弧，減少氣門座密封性面的寬度，修圓氣門座密封錐面的尖角等措施，均可改善進氣門處流體動力性能，減小流動損失。4.采取較小的S/D值（短行程） 在轉(zhuǎn)速不變的情況下，S/D變小可使活塞平均速度Cm減小，使Ma降低。另外，由于缸徑D的增大還可采用大的氣門直徑，使?v提高。,,（二）減小整個進氣管道的流動阻力 氣缸蓋內(nèi)的進氣道形狀比較復雜，截

27、面形狀急劇改變，進氣阻力增大。為減少進氣道阻力，氣道通路斷面應(yīng)有足夠的面積，各斷面要避免突變。進氣道內(nèi)部過渡圓角半徑應(yīng)大一些，避免急劇轉(zhuǎn)彎等。 同樣，進氣管必須保證足夠的流通截面積，管道表面光潔，避免急轉(zhuǎn)彎及流通截面突變，以減少阻力。為保證各氣缸進氣均勻，各氣缸進氣管獨立，長度盡可能一致。,減小對新鮮充量的加熱,新鮮充量在吸入過程中，受到進氣管、進氣道、氣門、氣缸壁和活塞等一系列受熱零件的加熱，引起溫升。凡能降低活塞、氣

28、門等熱區(qū)零件的溫度和減小接觸面積的措施都有利于減小對新鮮充量的加熱。增壓發(fā)動機的燃燒室掃氣、油冷活塞以及柴油機進、排氣管分別置于缸蓋兩側(cè)，都是有利措施。為了避免進氣受熱，汽油機一般進氣歧管采用工程塑料制成。,減小排氣系統(tǒng)的阻力,減小排氣系統(tǒng)中排氣門座、排氣道、排氣管、消音器的阻力，對降低排氣壓力pr、減小殘余廢氣系數(shù)γ均有利。減小排氣系統(tǒng)的阻力雖然效果不如減小進氣系統(tǒng)阻力那么有效，但設(shè)計中仍需給予注意。,合理地選擇配氣相位,（一）進氣門

29、遲閉角 合理選擇進氣相位角。 當發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低（Ma較?。r，進氣門遲閉角不能過大，否則新鮮充量被向上止點運動的活塞推回到進氣管。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速高（Ma大）時，活塞到下止點時缸內(nèi)壓力遠低于進氣管壓力，因此允許有較大的進氣遲閉角，可以獲得較多的過后充量。 改變進氣門的遲閉角可以改變?v隨轉(zhuǎn)速變化的趨勢，用來調(diào)整發(fā)動機扭矩特性，以滿足不同的使用要求。如進氣門遲閉角加大，高轉(zhuǎn)速時 ?v增加，有利于

30、最大功率的發(fā)揮，但對中、低速性能不利。減小進氣門的遲閉角雖可加大發(fā)動機低、中速時的轉(zhuǎn)矩，但對高速時最大功率發(fā)揮不利。,,（二）進、排氣門重疊角（三）排氣提前角,,一般發(fā)動機在使用過程中，配氣定時是不能改變的，充氣效率?v在某一轉(zhuǎn)速下達到最大值。發(fā)動機只有在這個轉(zhuǎn)速下工作，才能充分利用氣流慣性充氣。,,可變長度進氣管,雙通道可變長度進氣管,1短進氣通道 2—旋轉(zhuǎn)閥 3—長進氣道 4—噴油器 5—進氣道 6—進氣門,可變進氣