内燃机原理第4章

内燃机原理沈阳航空工业学院动力与能源工程学院徐让书第4章内燃机的换气过程第1节四冲程内燃机的换气过程第2节四冲程内燃机的换气损失第3节提高内燃机充量系数的措施第4节二冲程内燃机的换气第1节四冲程内燃机的换气过程上止点下止点下止点排开进开排关进关自由排气强制排气超临界流动P/MPa流通截面比f/fmaxφφ1.00.10.20.30.4气门叠开排气管内压力一、自由排气阶段由于受配气机构的结构限制，气门在开启过程中只能逐渐加大其流通截面。如果排气门刚好在膨胀行程下止点时开启，则排气门流通截面增加过缓，气缸压力下降迟缓，活塞在向上止点回行时将造成较大的反压力，增加排气行程消耗的功。内燃机的排气门在活塞到达下止点前提前开启，称为排气提前。排气提前角为30º~80º(CA)。把从排气门开启到气缸压力达到排气背压（排气管内压力）的时期，称为自由排气阶段。在自由排气阶段初期排气管压力与气缸压力之比小于临界值，流动呈现超临界状态，缸内气体以当地声速流过排气门。此时，排气质量流量只取决于缸内气体状态和排气门有效开启截面的大小，与排气管内的气体状态无关。在自由排气阶段后期排气管压力与气缸压力之比超过临界值，气体流动逐渐进入亚临界状态；直到气缸压力与排气管内的气体压力接近相等，自由排气阶段结束。在该阶段中流出的气体质量，不仅与排气门的有效流通截面有关，还与缸内和排气管内的压力差有关。第1节四冲程内燃机的换气过程第1节四冲程内燃机的换气过程自由排气阶段中排出的废气量与内燃机的转速无关，在高速时，同样的排气时间对应的曲轴转角将大为增加。为使气缸压力及时下降，必须加大排气提前角，否则将使气消耗功增加。二、强制排气阶段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，直到排气门关闭，这一过程就是强制排气阶段。缸内的气体压力略高于排气管内的平均压力，而且气体流速越高，压力差也就越大。由于气体在排气管内的压力波动，有可能形成压力逆差，即气缸压力低于排气管内的压力。排气门流通截面开始逐渐减小，气体流经气门的节流作用加强，因而在上止点附近，气缸压力再次升高。排气门应当在上止点后一定角度时关闭，这就是排气迟闭。排气迟闭期间，可以利用缸内气体流动惯性从气缸内抽吸部分废气，实现过后排气，但由于到达上止点后活塞已开始下行，气缸容积不断增加，过大的排气迟闭会导致废气倒流。当废气从气缸流出的流动过程刚刚停止时，就是理想的排气门关闭时刻，排气门迟闭角为10º~70º(CA)。第1节四冲程内燃机的换气过程三、进气过程进气门一般也在上止点前提前开启，称为进气提前，进气提前角为10º~40º(CA)。为了利用在吸气过程中形成的进气管内气流的流动惯性，实现气缸的过后充气，进气门不在下止点关闭，而是在下止点过后的一定角度时延迟关闭，即进气迟闭。进气迟闭角一般为20º~60º(CA)。高速时气流流动的惯性大，进气迟闭角应相应大一些。过大的进气迟闭角，会使得低速时发生缸内气流倒流进入进气管的现象，也会影响有效压缩比，从而影响压缩终了温度，使发动机的冷起动困难。合理的进气定时是十分重要的。四、气门叠开和燃烧室扫气在排气行程上止点附近进、排气门同时开启，通常称为气门叠开。在气门叠开期间，如果进气管压力大于排气管压力，新鲜充量压力差的作用下流入气缸，与缸内残余废气进行混合后，部分可以直接排入排气管中。有利于扫除缸内的残余废气，增加气缸充量，达到扫气目的；可以降低燃烧室内气缸盖、排气门、活塞顶、缸套的温度，对于受热严重且冷却困难的关键零件，效果是显著的。汽油机气门叠开角比较小。非增压柴油机中采用较大的气门叠开角，一般在20º~50º(CA)范围内。增压柴油机采用比较大的气门叠开角，一般为80º~140º(CA)。第1节四冲程内燃机的换气过程第4章内燃机的换气过程第1节四冲程内燃机的换气过程第2节四冲程内燃机的换气损失第3节提高内燃机充量系数的措施第4节二冲程内燃机的换气第2节四冲程内燃机的换气损失换气损失定义为理论循环换气功与实际循环换气功之差。一、排气损失•膨胀损失——随着排气提前角的增大而增加，随转速增高而增加。•推出损失——随着排气提前角的增大而减小，随转速增高而较为明显增加。最有利的排气提前角应当使两者之和为最小。减小排气损失的方法：合理的排气正时、增大排气门流通面积。二、进气损失进气过程对内燃机性能的影响不仅体现在进气损失功上，更重要的是体现在所吸入新鲜充量的多少上。三、泵气功与泵气损失非增压内燃机的泵气损失是由p－V图中换气过程封闭曲线面积所代表的负功来表示的，以Wp表示泵气损失，有Wp＝(x+y－u)Lp•Lp为示功图的比例系数。增压内燃机的泵气损失是由增压压力和涡轮排气压力所围成的矩形面积与实际换气过程所围成的封闭曲线面积之差：Wp＝[(pb－pT)Vs－(x+y－u)]Lp活塞行程上止点下止点P/MPa90756040P/MPa排气提前角n=3400rpm3200280024002000排气提前角908070605040平均排气损失压力平均进气损失压力n膨胀损失功推出损失功排气损失功第4章内燃机的换气过程第1节四冲程内燃机的换气过程第2节四冲程内燃机的换气损失第3节提高内燃机充量系数的措施第4节二冲程内燃机的换气第3节提高充量系数的措施一、充量系数进气门关闭时（以下标a表示）缸内气体的总质量为ma＝m1+mr＝(1+φr)m1Φr为残余废气系数根据充量系数的定义，可得下标s表示进气管内的状态。二、提高充量系数的措施在发动机的结构确定的前提下，提高充量系数的措施为以下几点：1)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，这是提高充量系数最有效的措施。2)降低排气系统的阻力损失，以减小缸内的残余废气系数φr。3)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。(一)降低进气系统的流动阻力(二)降低排气系统的流动阻力(三)减少对进气充量的加热φmmφmmφρVρVra1cshshraass11第3节提高充量系数的措施(一)降低进气系统的流动阻力进气系统的流动阻力可分为沿程阻力，即是管道摩擦阻力，与管长和管内流动面上的表面质量有关；进气流动中，由于管道较短，壁面比较光滑，沿程阻力并不大；局部阻力，它是由于流通截面大小、形状以及流动方向变化，在局部产生涡流损失所引起的。局部阻力是流道中的主要损失，它由一系列的局部阻力叠加而成，尤其在进气门座处、空气滤清器和流道转弯处，流动损失更为明显。降低这些地方的局部阻力损失，对降低进气系统的流动阻力，提高充量系数有显著的意义。措施：1.降低进气门处的流动损失2.采用可变进气系统技术3.减少进气管和空气滤清器的阻力4.进气管内动力效应1.降低进气门处的流动损失进气门座处的流通截面，是进气流道中截面最小、流速最高的地方，该处的局部阻力最大，与阻力系数ξ有关和该处的流动速度vs的平方成正比，即减小进气门流通截面处流动损失的具体措施：(1)加大进气门直径(2)增加进气门数目增加进气门数，可以取得与加大进气门直径同样的效果，即增大了进气门的有效流通截面积。(3)改进凸轮廓线设计(4)采用较小的S/D值(5)合理设计进气道及气门的结构改善进气门座、进气道以及气门头部的结构降低进气门处的流动损失，可以从降低气门座处的流速和改善气门座处的流动情况以提高流量系数入手解决。过高的气体流速，会发生气体阻塞现象。2Δsssvpξρ第3节提高充量系数的措施第3节提高充量系数的措施定义平均进气马赫数Ma为进气门座处气流的平均速度；cs为进气门流通截面处的气体声速；μsm为进气门开启期间的平均流量系数。进气平均马赫数Ma综合了进气门大小、形状、升程规律以及活塞速度等因素，其大小与发动机转速成正比。小型四冲程发动机当Ma超过0.5后，充量系数急剧下降。这一结论，对于设计和评价气门机构是很有用的。ssmm2ssscCdDcvMaμ不同气门倾斜角度的比较不同气门数目的比较第3节提高充量系数的措施不同进气门数目和倾斜角度的进气门流通截面积进气门数目直径(mm)倾斜角(º)流通截面积(mm2)占气缸截面积的比值(%)128061312.21322080416.013635101820.2224090518.022820122624.4320094218.832420135727.0第3节提高充量系数的措施DOHC四气门发动机的优缺点比较a)进、排气面积大，充量系数提高，同时泵气损失小，有利于提高动力性能b)利于将火花塞或喷油器布置在中央，有利于提高压缩比（对点燃式内燃机）和改善燃油雾化质量（对压燃式内燃机），降低油耗，提高经济性c)可减轻气门系统运动零部件的质量，适应高速运转的要求a)气门机构的零部件数目增加，使制造及维修成本增加b)顶置凸轮轴使缸盖高度增加，发动机的高度尺寸加大第3节提高充量系数的措施2.采用可变进气系统技术从获得最大充量系数的角度出发，理想的配气系统应当要满足以下要求：•1)低速时采用较小的气门叠开角及较小的气门升程，防止出现缸内新鲜无量向进气系统的倒流，以便增加转矩，提高燃油经济性。•2)高速时应具有最大的气门升程和进气门迟闭角，以减小流动阻力，充分利用过后充气，提高充量系数，以满足动力性要求。•3)配合以上变化，对进气门从开启到关闭的持续期（又称作用角）也应进行调整，以实现最佳的进气定时。(1)可变凸轮机构VCS(2)可变气门定时VVT第3节提高充量系数的措施3.减少进气管和空气滤清器的阻力4.进气管内动力效应谐振或称调谐可变进气系统进气管长度进气管截面积（二）降低排气系统的流动阻力减小排气门处的流动阻力排气道应是渐扩型的，以保证排气充分膨胀排气管排气管谐振排气歧管流型与结构消音器减少对进气充量的加热进排气管的布置进气加热进气冷却第3节提高充量系数的措施谐振长进气歧管排气消声器第3节提高充量系数的措施可变进气系统第3节提高充量系数的措施第3节提高充量系数的措施第3节提高充量系数的措施第4章内燃机的换气过程第1节四冲程内燃机的换气过程第2节四冲程内燃机的换气损失第3节提高内燃机充量系数的措施第4节二冲程内燃机的换气第4节二冲程内燃机的换气二冲程内燃机的换气过程自由排气阶段扫气与强制排气阶段过后排气或过后充气阶段二冲程内燃机换气过程的问题换气过程时间段，气门叠开角大，换气质量差，空气消耗量大进、排气过程同时进行，空气与残余废气易掺混，残余废气量多扫气消耗功大二冲程汽油机的HC排放高变工况性能差换气质量的评价有关换气过程的评价参数扫气系数φs：换气过程结束后，留在气缸内的新鲜充量的质量m0与缸内气体总质量mg的比值过量扫气系数（给气比）φk：用每循环流过扫气口的充量质量mk与扫气状态（ps，Ts）下气缸冲程容积的充量质量ms之比来表示对于理想换气系统的要求是在尽可能小的过量扫气系数φk的前提下，获得尽可能高的扫气系数φs，降低残余废气系数。不同换气方案的比较横流扫气回流扫气直流扫气r00g0smmmmmφskkmmφ第4节二冲程内燃机的换气第4节二冲程内燃机的换气