汽车发动机原理5609434854

第二章发动机的换气过程本章要求：了解：二冲程发动机的换气过程。理解：配气相位，充气效率和影响因素。掌握：四冲程发动机的换气过程和换气损失。第一节四行程发动机的换气过程一、换气过程分五个阶段：1、自由排气阶段2、强制排气阶段3、进排气重叠阶段4、进气阶段5、惯性进气阶段发动机的换气过程是排气过程和进气过程的通称;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。换气过程的任务：将缸内空气排出干净,并充入尽量多的新鲜充量。换气过程进行的完善程度是提高发动机动力性的重要因素。图3-1气缸内压力和排气管内压力以及进、排气流通截面积随曲轴转角的变化关系自由排气阶段：从排气门打开到气缸压力接近于排气管压力的这个时期,称为自由排气阶段。缸内压力与排气管压力之比大于临界值，排气流动出于超临界状态，废气以当地音速a排出，流量与排气管压力无关。临界值:(２/(K+1))(K/(K-1)),a=(KRT)1/2(m/s)（当T=700~1100K时。A可达500~700m/s)。废气的６０％～７０％排出排气门提前开，一般排气提前角设计为30-80CA曲轴转角。高速机中，应加大排气提前角。如CA6102，n＝3300r/min，排气提前角42；切诺基,n＝5600r/min，排气提前角56强制排气阶段：气缸内压力下降到接近排气管内压力时（下止点后10~30CA），压力差很小，废气需依靠活塞上行被强制推出。此阶段在整个排气过程中持续的时间最长，但排出的废气量少于自由排气阶段排出的废气量。进排气重叠阶段：由于排气门迟后关闭，进气门提前开启，因此存在进排气门同时打开的现象，称为气门叠开，也称扫气阶段，清除残余废气，增加进气。排气滞后角一般为10～35°CA，进气提前角一般为10～40°CA。非增压进排气门重叠角一般为20-60°，增压柴油机，因其进气压力高，故需较大的气门重叠角，一般为80-160°。进气阶段：排气门关闭后，活塞继续下行，新鲜气体被吸入气缸。由于进气系统有一定的阻力，因此进气阶段气缸内的压力低于大气压力。新鲜气体在进气管中，受到排气管的加热（汽油机中），流入气缸内的气体受到缸内残余废气的加热，其温度高于大气温度。惯性进气阶段：利用气流的惯性进气，进气门滞后关。转速越高，活塞平均速度和进气流速越大，进气气流动能越大，故高速内燃机进气滞后角较大。从活塞行至下止点到进气门完全关闭时的曲轴转角，称为进气滞后角，一般为40～70°CA.二、换气损失排气损失图3-2四行程发动机的换气损失w:膨胀损失；x:推出损失；进气损失y:进气损失；换气损失：x+y+w泵气损失：x+y-u1、排气损失由于排气门提前开启，造成循环功的损失w（膨胀损失或自由排气损失）；和活塞将废气推出的损失x（推出损失或强制排气损失）。2、进气损失由于进气系统存在阻力,造成循环功的损失。实际示功图中,把图3-2中的（x+y-u）部分称为泵气损失,归入机械损失中；而把图3-2中的w、u部分归到指示效率中考虑。随着排气提前角的增大,膨胀损失增加,推出损失减小。图3-3四行程发动机的换气损失a--提前角适当；b--提前角过大；c--提前角过小；d--排气阻力过大。适当的排气提前角应使两者之和最小，即W+X最小。第二节充气效率(充气系数)一、扫气效率ηsc指封存在气缸内的空气质量ma与封存在气缸内的总气体质量(ma+mr)之比ηsc=ma/(ma+mr)=1/(1+r)(ηsc大则残余废气少)mr—残余废气质量；r=mr/ma残余废气系数二、容积效率ηv指封存在气缸内的总气体质量与在进气状态下（Ps、Ts）封存在气缸内的空气质量m’之比ηv=(ma+mr)/m’对非增压发动机，进气状态指空气滤清器后进气管内的气体状态。对增压发动机，指压气机后进气管内的气体状态。三、充气效率ηCH指封存在气缸内的空气质量（混合气）ma与在进气状态下（Ps、Ts）封存在气缸内的空气质量（混合气）m’之比ηCH=ma/m’=Vs/VhηCH=ηSCηV(由于进气阻力、气缸压力和温度的影响，ηCH1：汽o.7~0.85;柴0.75~0.9)四、扫气比k在进气状态下（Ps、Ts）,供入气缸的空气质量ms与在进气状态下（Ps、Ts）封存在气缸内的空气质量m’之比k=ms/m’五、扫气系数S在进气状态下（Ps、Ts）,供入气缸的空气质量ms与封存在气缸内的空气质量ma之比。S=ms/ma第三节影响充气量的因素1、使用因素（1）转速nn进气流速流动阻力PaηCH图3-4不同节气门开度、不同转速时的进气压力n过低,惯性进气ηCH。一定的进气系统，一定负荷下，有一个转速对应的充量系数最大。(图3-5)（2）负荷汽油机的负荷调节属于量调节，负荷，节气门开度，进气阻力，进气终了压PaηCH。图3-7汽油机的充量系数随负荷的变化关系1-全负荷2、3、4、5、部分负荷柴油机的负荷调节属于质调节，负荷的变化对充气系数无明显的影响。（3）大气状态大气压力P0：P0Pa，但Pa/P0基本不变，故ηCH不变。大气温度To：To变化，Ta也变化，To/Ta基本不变，故ηCH不变但P0↓(To↑)=ρ0↓=ma↓=发动机功率。(1)进气系统一般包括进气门、进气管、空滤器、化油器、进气道等部件。要尽量减少各部件的流动阻力，以增大进气终了的压力，提高充量系数。试验证明，增大进气终了的压力比降低残余废气系数对充量系数的影响大，所以设计成进气门直径大于排气门直径，气门顶部的形状呈流线型。（2）压缩比↑，Vc↓，r↓，ηCH↑。2、结构因素（3）配气相位配气相位是进排气门启闭角与曲轴转角的关系。配气相位中，进气滞后角对ηCH的影响最大。改变进气滞后角可以改变ηCH随转速变化的趋向，用以调整发动机的扭矩和有效功率。（图3-8）高速发动机进气滞后角较大，以提高高速下的充量系数。配气相位是靠选定的凸轮型线来进行控制的。四、提高充气系数的措施1、减小进气系统的阻力Pa↑ηCH↑（1）减小空滤器的阻力设计低阻高效，使用保养清洁。（2）减小化油器的阻力化油器喉管的阻力，取消化油器，采用汽油喷射（3）减小进气管、道的阻力汽油机歧管矩形断面小流速快汽化好阻力大柴油机歧管圆形断面大流速慢汽化差阻力小设计合理选择断面，弯少避免突变。使用清除积炭、安装正确、保持畅通。（4）减小进气门的阻力①增大进气门直径②增加进气门数目③增加进气门升程④改善气门头与杆的过渡形状2、减小排气系统的阻力使用清除积炭、安装正确、保持畅通。3、合理进气予热柴油机进、排气管分两侧布置4、合理配气相位——进气迟闭角5、可变进气系统可变配气相位低速，进气滞后角小防止新气倒流高速，进气滞后角大充分利用气体流动惯性可变进气管道低速与小负荷进气管道细而长高速与大负荷进气管道粗而短可变进气门（VVT）低速与小负荷仅开一个主进气门高速与大负荷时开几个进气门。这一过程由凸轮轴控制进气道的转换阀来实现。四冲程发动机的充量系数图3-5ηCH随n的变化关系图3-6四行程发动机充量系数的范围在实际使用中，如果进气门间隙过大，不仅使气门的时间-断面值减少，还使进气滞后角减小，改变充量系数随转速的变化趋向，影响车辆的使用。图3-8进气滞后角对充量系数、扭矩、功率的影响