发动机换气过程

发动机原理与汽车理论汽车工程学院主讲人：王洪亮E-mail：[e-mail]：15216412591四冲程发动机的换气过程内容介绍二、四冲程发动机的换气损失三、四冲程发动机的充气效率一、四冲程发动机的换气过程四、提高发动机充气效率的措施四冲程发动机的换气过程背景:发动机功率是描述发动机的重要参数之一，而充气效率（容积效率）是衡量发动机功率的主要参数，因此，对发动机充气效率的学习与研究具有重要意义。目标：可叙述四冲程发动机的换气过程并阐述充气效率的概念，准确分析其影响因素及描述提高充气效率的措施。定义：发动机工作中，必须不断地用新鲜气体来取代废气，这一工质更换的过程称为换气过程。发动机的换气过程包括排气过程和进气过程。其任务是在尽可能小的换气损失的前提下，排净缸内废气，吸足新鲜空气或混合气。换气过程进行完善程度的主要指标是充气效率的高低和消耗于换气过程中所用功的大小。项目二发动机原理换气过程的作用: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汽车的动力性、经济性、排放性等四行程发动机换气过程包括从排气门开启直到进气门关闭的整个时期，约占410°--480°曲轴转角。自由排气强制排气气门叠开进气过程换气过程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,a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),a思考为什么排气门是在活塞到达下止点之前开启？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。•自由排气阶段的特点排气量与转速无关，时间虽短，排除的废气量60%以上自由排气阶段结束的标志:缸内压力=排气管压力2、强制排气阶段-----自由排气结束到进气门开启。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亚临界状态,a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。,a思考为什么排气门是在活塞到达上止点之后关闭？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.扫气阶段从进气门开启到排气门关闭这一阶段为扫气阶段，又气门重叠。,a气门重叠排气门迟闭气门叠开进气门早开气门重叠的作用：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不会思考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？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。3.进气过程从排气门关闭到进气行程结束（活塞行至下至点）。特征：缸内压力低于进气管内压力，从而使新鲜工质在负压作用下被吸入气缸。,a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。进气迟闭角：进气门一般在下止点后40°--70°曲轴转角才关闭。思考为什么进气门是在活塞到达上止点之前开启？增大进气通道截面，使新鲜空气在最小阻力下吸入气缸。思考为什么进气门是在活塞到达下止点之后关闭？利用压差和惯性继续进气例：发动机转速越高，进气流速越快；高速发动机可采用较大的进气迟闭角，以充分利用其惯性来增加进气量。用曲轴转角表示进排气门开启到关闭的时候和持续的时间，称为配气相位（定时）。通常把配气相位用相当于上下止点曲轴转角的环形图表示成为配气相位图。配气相位图配气相位图•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°曲轴转角思考为什么增压发动机气门重叠角大于非增压发动机?合理的配气相位是根据发动机的结构形式、转速等因素通过反复试验而确定的。结构不同，配气相位也不同。1、在发动机低速工作时减小气门提前开启角和迟后关闭角。2、在发动机高速工作时增大气门提前开启角和迟后关闭角。小结•自由排气—排气门早开•强制排气—排气门迟闭•进气•燃烧室扫气进气门早开进气门迟闭气门叠开通过本节的学习可以得知发动机的换气过程影响发动机的动力性、经济性和排放性等。二.四冲程发动机换气损失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b’—b：理论线•换气损失（W+Y+X）理论循环换气功与实际循环换气功之差。•泵气损失（X+Y-d）进气损失--X排气损失自由排气损失--W强制排气损失--Y⑴e`（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”•泵气损失（Y+X）理论泵气功与实际泵气功之差。进气损失--X强制排气损失--Y四冲程发动机在进排气行程中，活塞因进气或排气所付出或收获的功，存在正负。所有减小换气损失、提高充气效率的措施对减小泵气损失都是有利的。小结在所有的损失中排气损失占绝大部分，因此适当匹配排气提前角，使得W+Y的面积最小，可以降低换气损失，从而提高发动机的性能。三、四冲程发动机的充气效率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（ms）的比值。•充气效率计算公式：ssVVmm11vm1、v1：进气状态下，实际进入气缸的新鲜工质质量、体积ms、vs：进气状态下，充满工作容积的新鲜工质质量、气缸工作容积影响充气效率因素的公式推导假设进气完成后缸内残余废气质量mr，进入新鲜工质的质量为m1，则进气终了缸内总工质质量ma=mr+m1。残余废气质量mr与新鲜工质m1之比，即残余废气系数r=mr/m1则有m1=ma/（1+r）影响充气效率因素的公式推导进气终了时气缸内总容积va’（有效进气容积）与气缸总容积va的比值为ξ〈１（有效进气体积系数）1v'(1)(1)1aagaaaaassssssgssPVRTmVmPmmrrVrVRT，，影响充气效率因素的公式推导影响充气效率因素的公式推导因为ＰＶ＝ｍＴ有Ｐ／Ｔ＝ｍ／Ｖ＝ρVa/Vc=εVs/Vc=(Va-Vc)/Vc=ε-1gRgR影响充气效率因素的公式推导将上式分子分母同除以Vc,且对于理想气体有Ra为常数,可以推出aassTPPTr111v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PaaSavaaassPPPPTPPTr111v流动阻力公式：管内气体流速：管道阻力系数22vPa•转速对充气效率的影响vaaPP）（转速负荷对充气效率的影响（汽油机）vaavaaTPPP略大，负荷节气门开度负荷负荷对充气效率的影响（柴油机）基本不变或者略有下降略大不变柴油机负荷vaaTP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影响进气终了温度：负荷越大温度越大转速增加温度降低残余废气系数对充气效率的影响v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ηv↓。压缩比对充气效率的影响v残余废气量cV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ηv升高，充气效率有所增加。思考冬天和夏天相比,哪个充气效率高,哪个动力性好？提高发动机充气效率的措施进气系统的组成提高发动机充气效率的措施阻力的分类：——局部阻力——沿程阻力从结构上优化提高发动机充气效率的措施1、减小进气系统的流动损失减小进气系统阻力是减小进气损失、提高充气效率的重要措施。减小进气系统阻力主要是在结构上采取措施，减小进气系统各段的阻力。减小进气门座流动损失减小整个进气管道的流动阻力（进气道、进气管、空气滤清器）增大进气门直径（涡流比等）增加气门数改善进气门处流体动力性能采取较小的活塞行程提高发动机充气效率的措施减小整个进气管道的流动阻力：1）进气道、进气管：（1）增加管道的截面积；（2）降低管道内的粗糙度；（3）采用圆形管道；（4）避免急弯，拐弯处圆弧过渡；（5）避免截面积急剧变化，利用圆弧过渡；（6）采用气道形成扫气涡流。2）空气滤清器部分：（1）加大气流流通截面积；（2）采用高效低阻的滤芯结构；（3）及时清洁和更换滤芯。2、减小对新鲜充量的加热1）降低活塞、气门等热区零件的温度2）减少新鲜充量与其他部件的接触面积3）增压发动机：燃烧室扫气、油冷活塞以及柴油机进排气管分别置于缸盖两侧。3、减小排气系统的阻力目的：降低残余废气系数、减小排气损失优化方案：结构优化设计与改进优化对象：排气门座、排气道、排气管等4、合理选择配气相位方案一：合理改进配气相位角方案二：可变配气相位控制系统5、提高压缩比6、利用动态效应有效利用进排气管的动态效应是提高充气效率的有效措施。总结影响充气效率的因素avavvvvsPTTsP，，，，基本不变提高充气效率的措施1、减小进气系统的流动损失2、减小对新鲜充量的加热3、减小排气系统的阻力4、合理地选择配气相位