内燃机第二章

第二章内燃机换气过程与增压技术11:21/2第二章内燃机换气过程与增压技术四冲程内燃机的换气过程换气损失与泵损失充量效率和残余废气系数提高充气效率的措施二行程内燃机的换气过程（略）内燃机的增压技术（部分略）11:21/3换气过程：充入新气和排出废气的全过程周期性、非稳态流动过程非常复杂新鲜充量(charge)是决定发动机输出功率“量”的因素换气过程的目标：最大限度地吸入新鲜充量保证各缸进气均匀减小换气损失在缸内形成合理的流场，以控制混合气形成和燃烧第一节四冲程内燃机的换气过程一、换气过程分期1.自由排气阶段：排气门早开，靠缸内压力将废气挤出气缸（1）自由排气阶段初期流动出现超临界流动状况，缸内气体以当地声速流过排气门。质量流量取决于缸内气体状态和排气门有效开启截面，与压力差无关。11:21/4排气管内压力pr气缸压力p亚临界强制排气自由排气排气过程进气过程进开排关排开气门重叠进关超临界下止点下止点上止点01234p(102kPa)排气管内压力pr气缸压力p亚临界强制排气自由排气排气过程进气过程进开排关排开气门重叠进关超临界下止点下止点上止点01234p(102kPa)第一节四冲程内燃机的换气过程（2）自由排气阶段后期气体流动逐渐进入亚临界状态；气缸压力=排气管内的气体压力（p=pr），自由排气阶段结束。质量流量与有效流通截面有关，与压力差有关。自由排气阶段，由于废气流速很高，排出废气量可达60％以上，且超临界状态排气时，伴有特殊刺耳的噪声。排气门早开角30~80°(CA)一、换气过程分期2.强制排气阶段：活塞上行强制推出剩余废气缸内的气体压力略高于排气管内的平均压力。气体在排气管内的压力波动，可能形成气缸压力低于排气管内压力。11:21/5排气管内压力pr气缸压力p亚临界强制排气自由排气排气过程进气过程进开排关排开气门重叠进关超临界下止点下止点上止点01234p(102kPa)排气管内压力pr气缸压力p亚临界强制排气自由排气排气过程进气过程进开排关排开气门重叠进关超临界下止点下止点上止点01234p(102kPa)第一节四冲程内燃机的换气过程排气门逐渐落座，气体的节流作用加强，流动阻力增加。排气迟闭可利用气体流动惯性实现过后排气。排气迟闭角10°~80°(CA)过大的排气迟闭会导致废气倒流。一、换气过程分期3.进气阶段：自进气门开启至关闭由于节流作用，缸内产生负压p0-p使新鲜充量进入缸内。为减少阻力，增加进气量，进气提前角10~70℃A。进气迟闭角30~60℃A，充分利用惯性充气的效应。转速越高，进气迟闭角越大。11:21/6排气管内压力pr气缸压力p亚临界强制排气自由排气排气过程进气过程进开排关排开气门重叠进关超临界下止点下止点上止点01234p(102kPa)排气管内压力pr气缸压力p亚临界强制排气自由排气排气过程进气过程进开排关排开气门重叠进关超临界下止点下止点上止点01234p(102kPa)第一节四冲程内燃机的换气过程二、气门重叠和燃烧室扫气阶段1.气门重叠：进、排气门同时开启的时刻称为气门叠开。进气提前角+排气迟闭角——气门重叠角非增压内燃机气门重叠角：20～70CA太大(引起)废气回流进气道；太小扫气作用不明显.增压内燃机：80～150CA。进气管压力，扫气明显，气门重叠角可增大。11:21/7第一节四冲程内燃机的换气过程排气门关进气门关排气门开二、气门重叠和燃烧室扫气阶段2.扫气的作用清除废气，增加气缸内的新鲜充量降低排气温度降低热负荷最严重处(如气门、活塞等)的温度3.扫气系数每循环流经气缸的空气质量mk与实际进入气缸的新鲜空气质量mL之比11:21/8第一节四冲程内燃机的换气过程排气门关进气门关排气门开LpLLpLksmmmmmmm/1/)(/11:21/9第二节换气损失与泵损失1.理论换气过程：（1）非增压内燃机排气门在下止点打开，没有膨胀损失进排气行程缸内压力与大气压力相等，因而也没有泵气损失。（2）增压内燃机排气门在下止点打开，没有膨胀损失排气行程沿pT,进气行程沿pb换气过程获得矩形面积所示的功。一、换气损失：进气损失和排气损失之和。11:21/10第二节换气损失与泵损失2.实际换气过程：（1）排气损失：排气损失=自由排气损失+强制排气损失；自由排气损失(w)：排气门提前打开，排气压力开始偏离理想循环膨胀线产生的损失；强制排气损失(x)：活塞将废气推出消耗的功。排气提前角和转速对排气损失的影响:转速增加，相同的排气提前角所对应的排气时间就变短，通过排气门排出的废气量减少，自由排气损失减少，但缸内压力水平提高，因而活塞强制排气损失大大增加。排气提前角大，排气门开启早，自由排气损失大，强制排气损失减少。第二节换气损失与泵损失11:21/12第二节换气损失与泵损失2.实际换气过程：（2）进气损失：非增压内燃机，气缸内的压力低于大气压力，因此进气过程损失的功，图中y所示；增压内燃机，进气压力高于大气压力，同样由于进气阻力，进气压力低于增压压力，因此也存在功的损失y；进气损失功小于排气损失功，即xy。总换气损失x+y+w11:21/14第三节充气效率和残余废气系数一、残余废气系数Φr进气过程结束时，气缸内的残余废气质量mr与进气过程结束时进入气缸内的新鲜充量质量mL之比：Φr=mr/mL二、充气效率（充气系数）定义：进气过程结束时进入气缸内的新鲜充量质量mL与进气状态下能充满气缸气缸工作容积的新鲜充量ms之比汽油机0.75~0.8；柴油机0.75~0.90；增压柴油机0.90~1.05sLsssgLsLvVVVpTRmmm11:21/15第三节充气效率和残余废气系数二、充气效率（充气系数）充气效率的表达式进气门关闭时缸内气体的总质量在进气状态下，每循环充满气缸工作容积的新鲜充量设气缸总容积V0，令rssaavvrsasLrasrasLvVVmmmmmmmmmm11aaagaaaVTRVpmsssgsssVTRVpm0/VVarsav11111:21/16第三节充气效率和残余废气系数三、影响充气效率的因素1.进气终了的工质密度ρa：由工质温度和压力决定，提高进气终了压力pa，降低进气终了温度Ta进气终了压力pa进气阻力Δpapa=p0−Δpa，Δpa↑→pa↓→ηv↓Δpa对pa的影响最大转速n↑→Δpa↑↑→pa↓→ηv↓负荷基本不变（质调节）循环供油量柴油机：负荷（量调节）节气门开度汽油机：负荷avaappp;rsav11111:21/17第三节充气效率和残余废气系数进气温度TaTa↑→ρa↓→ηv↓转速负荷一定：n↑→Ta↓→ηv↑；综合n对pa、Ta的影响，n↑→ηv↓。负荷转速一定:负荷↑→热负荷↑→Ta↑→ηv↓柴油机：进、排气管分置，避免排气管对进气管加热，使Ta↓→ηv↑。汽油机:进、排气管同置，虽Ta↑→ηv↓,但燃油受热蒸发快，可以改善混合气形成。2.残余废气系数Φr和压缩比ε：气缸压缩容积越小（压缩比越大），Φr越低汽油机Φr偏高，0.05~0.16；柴油机0.03~0.06；增压柴油机0~0.03rsav1113.配气定时进气迟闭角过小，气流惯性没有得到充分利用，进气量减小，ρa变小，ξρa也减小进气迟闭角过大，进入气缸的新鲜充量会出现倒流，ξρa也减小4.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ηv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充气效率和残余废气系数rsav111第四节提高充气效率的措施一、降低进气系统流动阻力沿程阻力：与进气管道长度和粗糙度有关（较小）局部阻力：流通截面积大小、形状以及流动方向的变化引起（进气门座、空气滤清器和流动转弯处最大）1.降低进气门处的流动损失增大进气门处流通面积：降低气体流动速度，降低MaMa不超过0.5汽油机：接近0.5柴油机：0.3~0.4之间rsav111第四节提高充气效率的措施增大进气门直径；增加进气门数目；改变凸轮型线设计不同进气门数的方案比较I—进气门E—排气门第四节提高充气效率的措施1.降低进气门处的流动损失改善气道、气门和气门座处的气体流动特性适当加大气门杆身与头部的过度圆弧，修圆气门座密封锥面的尖角第四节提高充气效率的措施2.减少进气管和空气滤清器阻力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。为保证各气缸进气均匀，各气缸进气管独立，长度尽可能一致。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，更换滤芯第四节提高充气效率的措施二、降低排气系统流通阻力降低排气系统阻力，残余废气系数减小，提高充量系数，而且可以减少换气损失，提高发动机的热效率。排气系统的设计原则是降低排气背压，减小排气噪声。排气流通截面最小处是排气门座处，在设计时应保证排气门处的良好流体动力性能。排气道应当是渐扩型，以保证排出气体的充分膨胀。在排气管中往往还有消声器和排气后处理器(催化转化器)，设计时应在保证良好的消声与降污效果的前提下，尽可能降低流动阻力。三、减少对进气充量的加热新鲜充量在吸入过程中，受到进气管、进气道、气门、气缸壁和活塞等受热零件的加热，引起温升。降低活塞、气门等热区零件的温度和减小接触面积的措施有利于减小对新鲜充量的加热。第四节提高充气效率的措施四、采用可变配气系统技术（VVT，VVL，VVA）低速时，采用较小的气门叠开角以及较小的气门升程，防止出现缸内新鲜充量向进气系统的倒流，以增加低速转矩，提高燃油经济性。高速时应具有最大的气门升程和进气门迟闭角，以最大限度地减小流动阻力，并充分利用过后充气，提高充量系数，满足发动机高速时动力性的要求。配合以上变化，进气门从开启到关闭的进气持续角也进行相应地调整，以实现不同工况下最佳的气门正时，将泵气损失降到最低。气门正时和升程变化示意图a)固定的气门正时和气门升程b)气门正时不变，气门升程可变c)气门正时可变，气门升程不变d)气门正时和气门升程均可变第六节内燃机增压技术一、增压技术和增压方式利用增压器将空气或可燃混合气进行预压缩，再送入气缸的过程，可以提高发动机功率和改善发动机经济性低增压pk≤0.17MPa或πk≤1.7（pme＝0.8～1.0MPa）；中增压pk＝0.18～0.25MPa或πk＝1.8～2.5（pme＝0.9～1.5MPa）；高增压pk＝0.26～0.35MPa或πk＝2.6～3.5（pme＝1.4～2.2MPa）；超高增压pk＞0.35MPa或πk＞3.5（pme＞2.2MPa）；增压通常与中冷技术结合，提高充气密度、降低内燃机排气温度，并有利于降低内燃机的热负荷。对排气系统无干扰，可适用于高排气背压的特殊场合增压器结构紧凑，容易和内燃机匹配消耗发动机功率，增大附件驱动损失，机械效率下降，油耗升高一般用于增压比不高的情况，增压压力不宜超过0.16～0.17MPa第六节内燃机增压技术1.机械增压：增压器和内燃机用机械联接起来，通常由内燃机曲轴通过齿轮来驱动增压器，实现压缩。内燃机转速的变化可直接导致压气机流量的变化，加速响应好低速时可获得较好的转矩2.废气涡轮增压：涡轮增压器和内燃机依靠气路相通，内燃机排出的燃气经涡轮膨胀作功驱动压气机。不直接消耗发动机的功率，可以充分利用发动机的排气能量，油耗率降低5％～10％；在内燃机不作重大改变，重量体积增加很少的情况下，一般可提高功率20％～50％，且容易实现高增压；可降低排气噪声、烟度和排气中的有害成分，减少了对环境的污染；高速性