第二章-发动机的换气过程

2020/1/5南京航空航天大学金城学院车辆工程第二章发动机的换气过程要使发动机作功多，扭矩大，功率大，需要燃料在气缸内燃烧时放热多，这主要取决于进入气缸中空气量的多少。因此，要求进气尽可能充分，排气尽可能干净。内燃机中的流动均是不稳定流，而且进、排气管中发生的压力波有时可能促进进、排气作用，有时可能妨碍进、排气作用，因此，理论分析很困难。本章将根据试验结果，结合理论分析，研究内燃机的换气过程，分析影响发动机充气效率的因素，从而设法尽可能提高发动机的充气量。2020/1/5南京航空航天大学金城学院车辆工程§1-1四冲程内燃机的换气过程换气过程—排气过程开启至进气门关闭，约占410ºC~480ºC曲轴转角。包括自由排气、强制排气、进气和气门叠开四个阶段。2020/1/5南京航空航天大学金城学院车辆工程2020/1/5南京航空航天大学金城学院车辆工程一、自由排气阶段：自由排气阶段—排气门打开至气缸压力接近排气管压力的这段时期。为什么排气门必须在下止点前提前开启一定角度？排气门开启初期，活塞移动速度缓慢，排气门开启流通截面积只能缓慢增加，如果排气门恰好在下止点开启，气缸内压力下降缓慢，活塞上行时压缩负功较大，增大排气过程的消耗功率，因此，排气门必须提前开启。通常，排气门提前开启角度约30~80ºCA。2020/1/5南京航空航天大学金城学院车辆工程在排气门提前开启时，气缸内压力p约为0.2～0.5MPa，与排气管内压力Pr之比大于临界值1.9，排气的流动处于超临界状态，废气以当地声速c（m/s）流过排气门，废气流量与气体压差无关，仅取决于气缸内气体的状态和气门开启有效截面积。528.0121kkrkpp（当时，属于超临界流动）。kRTc当排气温度为700~1100K时，声速c可达500~700（m/s）。（）当废气流向排气管时，管内压力Pr急剧上升，产生了正压力波，到了管端口后又变成负压力波反射回排气门。当时，属于亚临界流动。528.0121kkrkpp2020/1/5南京航空航天大学金城学院车辆工程在亚临界排气阶段，废气流量决定于气缸内和排气管内的压力差。某一时刻，气缸内和排气管内的压力接近，则自由排气阶段结束。自由排气阶段一般在下止点后10～30ºCA才结束。（自由排气阶段=超临界流动阶段+部分亚临界流动阶段）这一阶段虽然只占总排气时间的1/3左右，且气阀开启流通面积也较小，但因流速很高，排出的废气量可达60％以上。在超临界时期常伴有刺耳的噪声，是发动机排气噪声的主要来源。认为自由排气阶段内废气流量与气体压差无关，仅取决于气缸内气体的状态和气门开启有效截面积。2020/1/5南京航空航天大学金城学院车辆工程在此阶段缸内气体的状态由活塞的运动速度与位置、气门有效流通截面的变化规律以及排气管内的气体状态等共同决定。排气迟闭的原因：为减少排气所消耗的功与缸内的残余废气量，充分利用气流的惯性效应，实现后排气，排气门需要推迟关闭。但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4=10～70°CA。二、强制排气阶段：定义：自由排气结束后，气缸内的废气随活塞上行被强制排出，直到排气门关闭。2020/1/5南京航空航天大学金城学院车辆工程三、进气过程：从进气门开启到关闭，内燃机吸入的新鲜充量的整个过程。进气门一般在上止点前提前一定曲轴转角开启，以保证活塞下行时有足够大的开启面积，减少进气节流损失。进气门提前角一般为0～40ºCA。1.进气提前：进气真正开始时刻，要待气缸内残余废气膨胀至低于进气管内进气压力才开始。由于该时进气管内气体加速需要压力差，进气门开启截面积又小，因此新鲜充量不能及时吸入气缸。进气门提前开启就是为了减少节流损失，增加气缸内充气量。2020/1/5南京航空航天大学金城学院车辆工程为了利用吸气过程中产生的高速气流的惯性，进气门必须在下止点后适当曲轴转角才完全关闭，实现过后充气，以增加气缸内充气量。进气迟闭角一般为下止点后20-60ºCA。2、进气迟闭2020/1/5南京航空航天大学金城学院车辆工程特点：1.进气管、气缸、排气管三者相通，有利于扫气增加。2.新鲜冲量的冷却有利于降低缸内温度。四、气门叠开和燃烧室扫气过程由于排气门的迟后关闭和进气门的提前开启，在进、排气上止点附近，存在进、排气门同时开着的现象，称之为气门叠开。2020/1/5南京航空航天大学金城学院车辆工程气门叠开角的确定：由于气流惯性，进气管、排气管虽然相通，在气门叠开角适当时不应出现废气倒流现象。1、汽油机气门叠开角较小，因为发动机怠速工况时节气门开度最小，进气节流损失最大，进气管内真空度最高，容易造成排气管内废气倒流现象。2、非增压柴油机进排气压力相当，允许采用较大的气门叠开角，增强扫气效果，提高充量质量，提高性能。气门叠开角一般为20～60ºCA。2020/1/5南京航空航天大学金城学院车辆工程叠开角过大的问题：a.会使气门与活塞发生干涉，活塞上的气门避让坑相应地要加深，直接影响燃烧室气体运动的合理组织以及压缩比的大小。b.过多的扫气空气也会加重涡轮增压器的负担。c.增压汽油机，新鲜充量中含有燃料，利用新鲜充量进行扫气将导致燃料的损失以及未燃碳氢排放物的增加，故叠开角仍较小。3、在增压柴油机中，由于进气压力始终高于排气管内压力，新鲜充量可以经燃烧室后流入排气管中，以达到扫气的目的，不仅有助于降低受热零件表面温度，提高其可靠性，降低增压器涡轮的进口温度。因此，增压柴油机气门叠开角可以较大，一般为80～140ºCA。4、机械增压柴油机:由于进、排气压差大，且过多的扫气会加重压气机的负担而使机械效率降低，故其叠开角一般取较小值；2020/1/5南京航空航天大学金城学院车辆工程五、四冲程内燃机换气损失定义:理论循环换气功与实际循环换气功之差。换气损失＝进气损失+排气损失2020/1/5南京航空航天大学金城学院车辆工程2020/1/5南京航空航天大学金城学院车辆工程排气门开启到吸气行程开始缸内压力达到或接近进气管压力之前，在此阶段所损失的功称为排气损失1、排气损失2020/1/5南京航空航天大学金城学院车辆工程发动机转速不变时，排气提前角较小时，内燃机的膨胀损失小，但活塞的推出功损失将会增加。转速增高时，w的增加幅度远远小于x的增加幅度，而两者之和在总体上呈现增加的趋势。减小排气系统阻力及排气门处的流动损失，是降低排气损失的主要方法—主要是排气消声器、排气道、排气门的结构设计。前者是主要影响因素。试验结果表明，因排气消声器引起的排气背压每升高3.39kPa，增压柴油机油耗平均增加0.5%，非增压柴油机平均增加1%，2020/1/5南京航空航天大学金城学院车辆工程2、进气损失减少阻力损失主要从改进进气道结构设计着手，对柴油机而言，要求在一定的进气终了空气涡流强度条件下，尽可能提高流量系数。进气流动阻力造成的损失。2020/1/5南京航空航天大学金城学院车辆工程shshraashrashvVVmmmm)1/()1/(1定义：每循环实际进入气缸的新鲜充量m1与以进气管内状态充满气缸的工作容积的理论充量msh之比。设残余废气系数为r，则残余废气质量为rm1，进气后缸内质量。11)1(mmmmrra§2-2四行程发动机的充气效率一、充量系数•v愈高，代表每循环进入一定气缸容积的新鲜工质量多，则发动机功率和扭矩可增加，动力性好。2020/1/5南京航空航天大学金城学院车辆工程二、影响充量系数各种因素shshaarsharshvVVmmmm)1()1(1（1）进气阻力apvPaPa对的影响最大。进气系统的沿程阻力和局部阻力均会使增大。PaPaPa（一）进气终了压力pa（2）转速vPaPan（3）负荷vPaPa（量调节）节气门开度汽油机：负荷降低不大热负荷无关）（质调节）（与循环供油量柴油机：负荷vPaaT2020/1/5南京航空航天大学金城学院车辆工程shshaarsharshvVVmmmm)1()1(1vaTa（二）进气终了温度aT（2）负荷改善混合气形成以但燃油受热蒸发快，可，虽然汽油机：进排气管同置,aTvaT使加热，，避免排气管对进气管柴油机：进排气管分置（1）转速vvaTnTaPan的影响，、综合负荷一定：vaT热负荷转速一定：负荷2020/1/5南京航空航天大学金城学院车辆工程shshaarsharshvVVmmmm)1()1(1vrP残余废气量（三）排气终了压力rP（四）排气终了温度Tr（五）压缩比影响较小，所以排气门处的阻力vr2rPPnnvrTv2020/1/5南京航空航天大学金城学院车辆工程（六）配气定时合理的配气定时也可增加充气效率（七）进气状态进气或大气压力高，pa也随之增加，新鲜工质密度增加，进气量也增多。2020/1/5南京航空航天大学金城学院车辆工程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。三、提高充量系数的措施：4）降低排气系统的阻力损失，以减小缸内的残余废气系数r。3）减少高温零件对新鲜充量的加热，以降低进气终了时的充量温度Ta。2）合理的配气正时和气门升程规律，在减小mr的同时，即增加pa，减小φr2020/1/5南京航空航天大学金城学院车辆工程§2-3减少进气系统的阻力一、进气门—与气门直径、气门锥角、气门最大升程、凸轮至气门的传动机构、凸轮型线等结构设计、尺寸参数有关。1、进气门瞬时开启流通截面积fcoscossincos2cossin2vvvvlldllddfd—气门室直径；lv—气门瞬时升程;—气门锥角2020/1/5南京航空航天大学金城学院车辆工程2、时面值•在时间微元dt内通过气门的气体流量为dm=vmfdt。•整个气门开启时间内的气体流量为•m=Vmfdt•式中的fdt称为气门的时面值，气门的通过能力与气门的时面值有关。•式中的Vm是进气门处气体的平均流速2020/1/5南京航空航天大学金城学院车辆工程•式中的fd称为气门的角面值。气门机构的结构设计、配气相位一定时，气门的角面值就一定，与发动机转速变化无关。但气门的时面值与发动机转速成反比。当发动机转速升高时，气门的时面值下降，充气效率v降低。fdnfdt61ndtddtnn6660360为时间内曲轴转角每秒曲轴转角2020/1/5南京航空航天大学金城学院车辆工程3、进气马赫数Ma增大气门的相对通过面积，提高流量系数，合理的配气相位是限制Ma值、提高ηv、提高发动机转速的有效办法。2020/1/5南京航空航天大学金城学院车辆工程4、气门直径和气门数进气门直径一般比排气门直径大15%~20%。因为排气流速高于进气流速，按进、排气流量相等原则，可以进大、排小；其次，排气门热负荷较进气门严重，减小排气门直径可以减少排气门受热面积，降低热负荷。多气门优点：•1）进气总通过断面积增加，有利于提高充气效率，提高发动机功率和扭矩。四气门机构与二气门机构相比，功率可提高70%，扭矩可提高30%，尤其是改善低速、低负荷性能；2020/1/5南京航空航天大学金城学院车辆工程2020/1/5南京航空航天大学金城学院车辆工程3）有利于形成结构紧凑的半球型燃烧室，改善燃烧；4）排气门热负荷低。多气门缺点：结构复杂，传动布置困难。2）在相同缸径条件下，气门头部尺寸小，重量轻，气门升程小，有利于高速化；2020/1/5南京航空航天大学金城学院车辆工程5、气门升程—即气门最大升程。•气门升程大，可增加气门通过时面值，提高充气效率，但气门最大负加速度大，气门容易发生飞脱、反跳等不正常开启现象。因此，最大气门升程与气门