第二章 发动机的换气过程,发动机换气过程包括排气过程和进气过程，其任务是排除缸内废气并充入尽可能多的新鲜工质 每循环进入气缸的新鲜工质量愈多，燃烧后才能放出更多的热，从而增大发动机功率和转矩，这是保证发动机动力性能的前提和关键,1kg汽油-14.9kg空气 1kg柴油-14.5kg空气 1L汽油-10000L空气 燃料所占容积很小，且为强制进入，由喷油器多供燃料容易，而更多地充入空气则相对较难，若能多进空气，则可多供燃料，从而进入气缸的新鲜工质量愈多 对解决高、低速性能的矛盾，汽油机混合气组成和均匀分配，柴油机缸内气体流动等问题，起着重要作用，因此也影响到汽车的经济性、排放、噪声及乘坐的舒适性等,2019/5/22,3,第二章 发动机的换气过程,换气过程,换气过程的任务,研究的内容,2019/5/22,4,第一节 四行程发动机的换气过程 一、换气过程 四行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，约占410480曲轴转角。 换气过程的目的： 最大限度地吸入新鲜充量 c是核心问题 最小的换气损失 各缸进气均匀性 在缸内形成合理的流场,以控制混合气形成和燃烧,2019/5/22,5,2019/5/22,6,1自由排气阶段 排气门开启到气缸压力接近了排气管压力的这一时期，称为自由排气阶段。 排气提前角：从排气门开启到活塞行至下止点所对应的曲轴转角称为，一般为3080曲轴转角。,2019/5/22,摩托车发动机原理,7,（1）超临界状态 排气门开启时，气缸内废气压力较高（0.20.5Mpa），缸内压力与排气管压力之比1.9，排气流动处于超临界状态，可利用废气自身的压力自行排出。,2019/5/22,8,在超临界排气时期，废气流量与排气管内压力pr无关，只与气缸内的气体状态及气门开启截面积有关。并且因排气流速甚高，在排气过程中伴有刺耳的噪声，所以排气系统必须装有消声器。,2019/5/22,摩托车发动机原理,9,排出的废气量决定于气缸内及排气管内的压力差。压力差越大排出废气越多。当到某一时刻气缸内与排气管内压力相等，自由排气阶段结束（一般下止点后1030曲轴转角）。此阶段虽然历程很短，但因排气流速甚高，排出废气量达60%以上。,（2）亚临界状态 缸内压力与排气管内压力之比下降到1.9以下时，排气流动转入亚临界状态，废气流速降低，产生的噪音较小。,2019/5/22,10,高速发动机其排气提前角要大一些：在自由排气阶段中，排出的废气量与发动机转速无关。发动机转速高时，在同样的排气时间（以秒计）所相当的曲轴转角增大，因此，高速发动机排气提前角要大。但不宜过大，否则会使排气损失加大。,2019/5/22,摩托车发动机原理,13,2强制排气阶段：活塞上行强制推出废气。 缸内平均压力高于排气管平均压力：克服排气门、排气道处的阻力，一般高出10kpa左右。气体的流速越高，此压差越大，消耗的功越多。 惯性排气。排气迟闭角，一般为1035曲轴转角。,2019/5/22,14,准备进气：进气提前角：一般为040曲轴转角 正常进气 ：活塞下行残余废气膨胀，新鲜气体充入气缸。 惯性进气：进气迟闭角：一般为4070曲轴转角。,3. 进气过程,2019/5/22,摩托车发动机原理,15,2019/5/22,摩托车发动机原理,16,4气门叠开 由于排气门的迟后关闭和进气门的提前开启，存在进、排气门同时开着的现象，称为气门叠开。 此时进气管、气缸、排气管互相连通，可以利用气流的压差、惯性或进排气管压力波的帮助，清除残余废气，增加进气量，降低高温零件的温度，但注竟不应产生废气倒流现象。 在非增压发动机中，叠开角一般为2080曲轴转角，在增压发动机可达80160的曲轴转角。 将进、排气门开、关角度以及相对上、下止点的位置画出，称为配气定时图。 作用：由于进气管、气缸、排气管互相连通，可以利用气流的压差、惯性或进、排气管压力波的帮助，清除残余废气，增加进气量，降低高温零件的温度，但注意不应产生废气倒流现象。,2019/5/22,20,二、换气损失 换气损失由排气损失和进气损失两部分组成。,2019/5/22,21,1. 排气损失 排气损失是从排气门提前打开，直到进气行程开始，气缸内压力到达大气压力之前，循环功的损失。,（1）自由排气损失（图中面积W），是由于排气门提前打开而引起的膨胀功的减少。 （2）强制排气损失（图中面积Y），是活塞上行强制推出废气所消耗的功。,2019/5/22,22,减少排气损失的主要措施是：减小排气系统阻力和排气门处的流动损失。,随着排气提前角增大，自由排气损失面积增加，强制排气损失面积减小，如图中b曲线，如排气提前角减少则强制排气损失面积增加，如图中c曲线。所以最有利的排气提前角应使面积（W+Y）之和最小。,2019/5/22,23,2进气损失 进气损失：因进气系统的阻力而引起的功的损失。 排气损失与进气损失之和称换气损失，即图中面积(W+X+Y)。在实际循环示功图中把面积(x+y-d)相当的负功称为泵气损失。这部分损失放在机械损失中加以考虑。,第二节 四行程发动机的充气效率,一、充气效率v的定义 式中 m1、V1-实际进入气缸的新鲜工质的质量、体积（进气状态） ms、Vs-进气状态下充满工作容积的新鲜工质的质量、气缸工作容积 汽油机： v=0.75-0.9 柴油机： v=0.7-0.85,2019/5/22,摩托车发动机原理,25,2019/5/22,摩托车发动机原理,26,2019/5/22,摩托车发动机原理,27,式中 Pa、 Ta进气状态的温度和压力； Ts 、Ps进气终了时的气体温度和压力； 残余废气系数， 即进气过程结束时气缸内残余废气量与气缸内新鲜充量的比值； 压缩比。,影响v的因素有 进气（或大气的状态（ps、Ts） 进气终了时气缸压力（pa） 进气终了的气缸温度（Ta） 残余废气系数（） 压缩比（） 气门正时（）,l. 进气终了的压力pa 影响最大，pa愈高，v值愈大 pa=ps-pa pa为气体流动时，克服进气系统阻力而引起的压降 pa主要取决于各段管道的阻力系数和气体流速v。若大、v高时，pa增加，使pa下降 ， v下降,1）转速 当节气门位置一定时，n增加，Pa降低。 2）负荷 汽油机：当节气门关小时，节流损失增加，引起Pa下降。 且Pa 随转速的增加而下降的愈快，即曲线变化愈陡。,发动机速度特性：例如驾驶员总维持加速踏板不动，而汽车下坡则此时车速增加发动机转速n增加，气流流速v随之加大，进气终了的压力 pa迅速下降 发动机负荷特性：例如驾驶员总想维持车速不变（同一档位下），而汽车下坡则负荷减小加速踏板减小 在柴油机上，调节负荷是通过改变喷入气缸的燃料量而进入气缸的空气量基本不变，在进气系统一般不设调节负荷的节流装置，故流动阻力基本不变，进气终了的压力随负荷的变化很小 在汽油机上，进入气缸的是空气和燃料的可燃混合气，调节负荷是通过改变节气门开度来调节进入气缸混合气量的多少。加速踏板减小则节气门关小，节流损失增加，引起pa下降,2. 进气终了的温度Ta Ta高，v值小，应尽量降低 Ta 一般进气终了的温度Ta高于进气状态温度Ts 1）新鲜工质进入发动机与高温零件接触而被加热 2）新鲜工质与高温残余废气混合而被加热 3）在化油器式汽油机上，为了使液体燃料在进气管中蒸发，以便均匀地与空气混合而进入气缸，一般都利用废气或冷却水热量对进气管加热，故空气经过进气管时受热而温度升高。 在电控燃油喷射发动机上，进气管和排气管往往布置在发动机两侧 发动机速度特性：当负荷不变而转速增加时，由于新鲜工质与缸壁等接触时间短，传热量少，所以Ta稍有下降 发动机负荷特性：当转速不变而增加发动机负荷时，缸壁等零件温度升高，Ta有所上升,3. 残余废气系数 大，v下降 ，同时燃烧恶化 ，特别是在汽油机低负荷运转时 排气管内废气压力pr=ps+pa pa为气体流动时，克服排气系统阻力而引起的压降 转速n增高则气体流速v增加，pr增加，r增加， 增加，v下降,4. 配气定时 进气门迟闭VS VS，1，新鲜充量的容积减小，但pa值却可能因有气流惯性而使进气有所增加，合适的配气定时应考虑pa具有最大值 5. 压缩比 压缩比增加压缩容积减小，残余废气量随之减少，因而v有所增加 6. 进气（或大气）状态ps、Ts 进气或大气压力高，pa也随之增加，新鲜工质密度增大，虽然v变化不大，但实际进气量增多 同理，进气或大气温度降低，Ta也随之有所下降，工质密度增大，实际进气量亦增多,第三节 减少进气系统的阻力,大气空气滤清器节气门进气管进气道进气门气缸 进气系统：空气滤清器或加进气消声器、化油器或喷油器、节气门、进气管、进气道和进气门等组成。 减少各段通道的阻力，增大其流通能力，是提高充气效率，改善发动机性能的主要途径。,一、进气门 1. 时面值 2. 进气马赫数Ma 3. 气门直径和气门数 4. 气门升程 5. 减少气门处的流动损失,1. 时面值 时面值表示了气门的通过能力 时面值与角面值 增大进气门头部直径，减小气门头部锥角，增大气门升程，延长气门开启时间，均可扩大气门开启时面值。,dt时间内气门开启面积,2. 进气马赫数Ma 进气马赫数Ma是进气门处气体的平均速度vm与该处声速c的比值 平均速度vm是实际进入气缸的新鲜充量与进气门有效时面值之比 当Ma 超过一定数值(0.5左右)时，v 便急剧下降 限制Ma值对于高速发动机尤为重要 减小Ma值的主要措施：增大气门的相对通过面积，改善气门处的气体流动、提高流量系数，合理的配气相位,2019/5/22,摩托车发动机原理,40,3.气门直径和气门数 进气门直径增大,扩大气流通路截面积增加，v提高。 双气门（一进一排）：进气门直径可达活塞直径的45%50%，气门与活塞面积之比为0.20.25，进气门比排气门大15%20%。 受结构限制，进一步增大比例已很困难。,2019/5/22,摩托车发动机原理,41,多气门结构 ：缸径大于80mm时，采用二进二排结构； 缸径小于80mm时，采用三进二排结构。,2019/5/22,摩托车发动机原理,42,四气门机与二气门机相比，功率可提高70%，扭矩可提高30%，且响应性比增压机好，故是汽车发动机高功率化的有力措施。,4. 气门升程 适当增加气门升程，改进凸轮型线，减小运动件质量，增加零件刚度，在惯性力允许条件下使气门开闭得尽可能快，从而增大时面值，提高通过能力 气门升程 最大气门升程与阀盘直径之比 L/d取0.260.28,5. 减少气门处的流动损失 改善气门处流体动力性能，如气门头部到杆身的过渡形状，气门和气门座的锐边等,改善配气机构的措施,二、进气道和进气管 要求：足够的流通面积，变化平缓，避免转弯及截面突变，圆角应大，管道表面光洁，以减小阻力，提高v 在汽油机上，还必须考虑燃料的雾化、蒸发、分配以及压力波的利用等问题 在柴油机上，还要求气流通过进气道在气缸中形成进气涡流，以改善混合气形成和燃烧 高速、高功率，进气管应粗而短 中、低速，进气管应细而长,三、空气滤清器 结构不同，阻力不同 保证滤清效果的前提下，尽可能减小阻力，经常清洗滤清器，更换滤芯,第四节 合理选择配气定时,一、进气门迟闭角对充气效率影响最大,1）图中每条曲线相当于在一定的配气定时下，v随转速变化的关系。v是在某一转速下达到最高值,2）不同v曲线相当于在不同的配气定时下，v随转速变化的关系。不同的进气迟闭角，v最大值相当的转速不同，一般迟闭角增大，v最大值相当的转速也增加,3）改变进气迟闭角，可改变v随转速变化的趋向，以调整发动机扭矩曲线，满足不同的使用要求：高转速，加大进气迟闭角