发动机原理林学东版-第3章发动机的换气过程

第三章发动机的换气过程换气过程：从排气门开启到进气门关闭的整个过程。包括排出本循环已燃废气过程和为下一循环吸入新鲜充量的进气过程。换气过程的作用:排除缸内废气并充入尽可能多的新鲜工质,同时功耗要少。换气过程对性能的影响影响发动机的动力性、经济性、排放等主要内容第一节四冲程发动机换气过程第二节充气效率及影响因素第三节提高充气效率的措施第四节增压技术第五节废气再循环（EGR）系统§3-1四冲程发动机换气过程自由排气强制排气进气气门叠开换气过程基本任务：尽可能排净废气，充入更多新鲜气体。实际上：进排气系统存在流动损失，发动机结构上压缩容积的存在。一、排气过程从排气门开启到排气门关闭的过程排气门一般在膨胀行程到达下止点前的某一曲轴转角位置提前打开。1、自由排气阶段—--废气根据自身的压力自行排出从排气门打开到气缸压力接近了排气管压力的这个时期称为自由排气阶段1)超临界状态2)亚临界状态超临界流动状特点：流出速度高，排量达（60-70）%，伴随有特殊刺耳的噪声。从排气门开始打开到下止点这段曲轴转角，称为排气提前角(一般为30°--80°曲轴转角)当气缸压力与排气背压之比大于临界值时，缸内气体以当地声速排出排出的废气量只取决于缸内气体的状态和排气门有效流通截面积的大小。与发动机转速和排气背压无关。2、强制排气阶段-----废气是由活塞上行强制推出克服排气系统阻力，通过活塞强制排出废气在排气终了，因排气门将要关闭，气门开度很小，节流作用增强，为此，常使排气迟后关闭，从上止点到排气门完全关闭这段曲轴转角，称为排气迟闭角，一般为10°--35°曲轴转角。为利用高速流经排气门的气流惯性尽可能多的排出废气，排气门在上止点之后某一时刻关闭。---排气迟闭角。二、进气过程是活塞下行，缸内容积增加，同时使缸内压力下降使得环境压力-缸内压力＞进气阻力，从而吸入新鲜工质。为保证进气门有足够大的流通截面积，有尽可能更多的新鲜充量顺利进入气缸，进气门在上止点前提前某一角度开启。进气提前角：进气门一般在上止点前0°--40°曲轴转角开始打开。在进气下止点时气门处仍有高速气流流入气缸，为了充分利用气流的惯性而多进气，进气门在活塞下止点后关闭。进气迟闭角：进气门一般在下止点后20°--70°曲轴转角才关闭。三、配气定时及气门叠开现象气门重叠排气门迟闭气门叠开进气门早开•非增压发动机中，重叠角一般为20°--60°曲轴转角。•增压发动机重叠角一般为80°--160°曲轴转角气门重叠的作用：通过同时开启的进排气门用新鲜工质将残余废气清扫干净，这个过程为扫气过程。扫气过程的作用:清除残余废气，减少残余废气系数；减低高温零件的温度。气门重叠角以新鲜工质不进入排气管为原则四、换气损失•换气损失由排气损失和进气损失组成。1.排气损失：排气损失=自由排气损失W+强制排气损失Y•自由排气损失W相当于膨胀功的减少；•强制排气损失Y是把废气推出气缸所消耗的功。W-自由排气损失Y-强制排气损失X-进气损失Y+X-d-泵气损失四、换气损失（排气损失+进气损失）1.排气损失：排气损失=自由排气损失W+强制排气损失Y自由排气损失W相当于膨胀功的减少；强制排气损失Y是把废气推出气缸所消耗的功。⑴e’（排气门太早开启）如果排气提前角↑，则w↑，y↓所以：最有利的排气提前角，必须是使（w+y）最小。⑵e’’（排气门太晚开启）排气提前角↓，则w↓，y↑如何使排气损失最小?e’e”2.进气损失由于进气阻力的存在使进气过程中气缸压力低于大气压力的部分。与排气损失相比，进气损失较小，它影响发动机的充气效率。•排气损失与进气损失之和称为换气损失(W十Y十X)。•泵气损失（X+Y-d）：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。•充气效率计算公式：11cshsmVmVm1、v1：进气状态下，实际进入气缸的新鲜工质质量、体积msh、vs：进气状态下，充满工作容积的新鲜工质质量、气缸工作容积一、充气效率实际进入气缸的新鲜工质量（m1）与进气状态下充满气缸工作容积的新鲜工质量（msh）的比值。§3-2充气效率及影响因素非增压柴油机：指大气状态增压柴油机：压气机的出口状态二、影响充气效率的因素理论上在进气状态下（ps,Ts)下，每循环充满气缸工作容积Vs的新鲜充量为：ssshsssspVmVRT假设在进气门关闭时，气缸内气体的状态为pa,Va,Ta,则气缸内气体的总质量ma为aaaaaaapVmVRTacrs111aaa1cshshrrssmVmmm(1)(1)Vrr1mmsacrsaTP111PT残余废气系数ma=m1+mra0V/V气缸总容积Vc：为燃烧室容积影响充气效率的因素进气终了的压力Pa和温度Ta残余废气系数r气门正时引起的有效进气体积系数ξ压缩比ε环境的压力Ps和温度Ts进气终了的压力PasacrsaacaSaTP111PTPPPP流动阻力公式：管内气体流速：管道阻力系数22vPasaasaTT'TTT进气终了温度对充气效率的影响高温零件要给进气加热残余废气给进气加热改善冷启动性进气加热进气终了状态的密度影响充气效率的因素残余废气系数对充气效率的影响c压缩比对充气效率的影响ccV余气量配气定时(主要是进气迟关角的影响)在低速时,由于进气惯性小,而进气迟关角一定,产生进气倒流现象,导致↓。c当进气迟闭角一定时，Va也随之确定，为常数进气的大气状态环境温度增加，进气密度降低，环境温度与气缸壁的温差降低，Ts/Ta升高，ΔTa降低，充气效率有所增加。课后习题1、为什么排气门是在活塞到达下止点之前开启？2、为什么排气门是在活塞到达上止点之后关闭？3、为什么进气门是在活塞到达上止点之前开启？4、为什么进气门是在活塞到达下止点之后关闭？5、气门重叠会不会产生废气倒流进气管或新鲜工质随废气排出的现象？为什么？6、影响充气效率的主要因素？1、为什么排气门是在活塞到达下止点之前开启？2、为什么排气门是在活塞到达上止点之后关闭？3、为什么进气门是在活塞到达上止点之前开启？4、为什么进气门是在活塞到达下止点之后关闭？5、气门重叠会不会产生废气倒流进气管或新鲜工质随废气排出的现象？为什么？6、影响充气效率的主要因素？1、a.增加流通截面积，降低气缸压力；b.减少排气时所消耗的活塞推出功；•c.高温废气的早排，还可以防止发动机过热。2、a.减少活塞消耗功,利用缸内外压力差继续排气；b.利用惯性继续排气。3、增大进气通道截面，减少气阻。4、利用压差和惯性继续进气。5、a.叠开时气门开度小，重叠时间极短；b.进、排气流各自有自己的流动方向和流动惯性；c.进气流有助于更好地排气。6、进气终了的压力Pa和温度Ta；残余废气系数；气门正时引起的有效进气体积系数ξ；压缩比ε；环境的压力Ps和温度Ts。第三节提高充气效率的措施第四节增压技术第五节废气再循环（EGR）系统主要内容§3-3提高充气效率的措施sacrsaTP111PTacrs111提高充量系数措施降低进气系统的阻力损失，提高气缸内进气终了时的压力pa降低排气系统的阻力损失，以减小缸内的残余废气系数φr减少高温零件在进气系统中对新鲜充量的加热，以降低进气终了时的充量温度Ta结构一定,即ε一定合理选择相位角有效利用进气管内压力波的动态波动效应一、减少进气系统阻力（一）、进气门是整个进气系统中气流通道截面最小，也是气流阻力最大的地方。因而，提高进气门的流通能力是提高充气效率的主要措施之一。进气系统包括：空滤器、进气总管、进气支管、进气道及进气门进气系统的阻力沿程阻力：主要指管道的摩擦阻力。与管道长度、表面粗糙度及气流速度有关。局部阻力：主要指流动截面大小、形状及流动方向变化造成的损失。1、气门的流通能力气门的流通能力常用时面值和角面值来表示。在气门开启期间随气门升程的变化，气门的开启截面积对时间（或曲轴转角）的积分。在时间微元dt内通过气门的气体流量整个气门开启时间内进入气缸的气体流量ρ—流经气门的气体密度—进气门处气体的平均流速Af—dt时间内的气门开启截面积mfdmAdt2c1otmmfftmAdtAd6nmff1AdtAd6n6nt角面值不随转速变化，只与气门升程规律（凸轮型线）有关，所以高速时时面值减小。提高气门的角面值是提高不同转速下进气量的主要措施。角面值的提高受配气动力学的限制。2、进气马赫数Ma气门处的流动损失，与其开启截面积的大小有关；对一定的开启面积，还与该处的流动状态有关。进气马赫数Ma——是进气门处气体的平均速度υm与此处的声速c的比值，它能反应进气流动（流速）对充气效率的影响。2mmvmc0vCDMa()cdc()Cm——活塞平均速度D、dv——活塞与进气阀盘的直径μm——进气门开启期间的平均流量系数c——气门处声速当进气马赫数Ma超过一定值时（0.5），充气效率急剧下降。设计进气系统时，需要通过活塞平均速度、气缸直径及气门直径优化匹配来控制马赫数Ma。控制进气马赫数的措施：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，是限制Ma值，提高充气效率的有效方法。限制Ma值对于高速发动机尤为重要。2mmvmc0vCDMa()cdc()3、多气门结构在相同条件下，增加进气门的流通面积是降低进气阻力，减小马赫数，提高充气效率的重要手段。增大进气门直径，可以扩大气流通路截面积，提高充气效率。进气门直径可达活塞的45-50%（双气门结构），气门与活塞面积之比0.2-0.25。但由于受到结构限制，进一步增大比例非常困难。为进一步增大进气门截面积，采用了多气门结构。4、改善配气机构多气门方案一般采用顶置凸轮轴驱动方式。单顶置凸轮轴（SOHC：SingleOverheadCamshaft）双顶置凸轮轴（DOHC：DoubleOverheadCamshaft）（二）、进气道形状及进气管长度2、进气管转弯半径R，表面光洁度，截面突变，流通横截面积充气效率进气管长度，流动阻力，但由于发动机进气过程为动态，不同转速下为充分利用进气管道内的气流波动效应，要求进气管长度设计合理，高速时尽可能缩短长度以减小高速损失；低速时适当延长进气管长度，有利于利用进气波动效应。1、进气道转弯半径R，表面光洁度，各管口与垫片孔口对中流动阻力充气效率柴油机设计时还要考虑组织进气涡流，但大的涡流比会影响充气效率。电控高压喷射技术的发展，可改善进气道形状，适当减小进气涡流比，提高充气效率。总要求：保证足够的流通截面，避免急转弯及截面突变，改善管道表面的光洁度（三）、空气滤清器在保证滤清效果的前提下，尽可能的减少它对空气的阻力。在使用中应经常进行清洗，及时更换滤芯也可以减小进气流动阻力。流动阻力充气效率二、合理选择配气正时进气门迟闭角对充气效率的影响最大。在一定的配气定时下，充气效率是在某一转速下达到最大值。n气流惯性缸内气体易倒流进气管充气效率；n气流惯性没充分的利用充气效率不同的进气迟闭角，充气效率的最大处所对应的转速不同。加大进气门迟闭角,高转速时充气效率增加，可以提高最大功率。减少进气迟闭角，能防止低速倒喷，有利于提高扭矩,但降低了最大功率。对于配气定时不能改变的发动机，应根据常用工况确定进气迟闭角。理想的气门定时和升程应当是根据发动机的工作情况及时作出调整，应具有一定程度的灵活性。传统的凸轮挺杆气门机构，无法作出相应的调整，难于达到上述要求，因而限制了发动机性能的进一步提高。为了接近理想的气门定时，采用可变配气系统采用可变配气系统•可变技术(VVT,VariableValveTiming)——是发动机可变气门正时技