内燃机的换气过程

第二章内燃机的换气过程主要内容：四冲程内燃机的充气过程、充气效率；充气效率的影响因素以及提高的措施等内容。重点：换气过程、配气定时和影响充气系数因素及提高措施难点：提高充气效率的措施换气过程：内燃机更换气缸内工质的过程，即气缸内排出废气和充入新鲜充量的整个阶段，统称为换气过程。换气过程的质量对内燃机动力性、经济性和排放指标有重要的影响。作用：排出废气，吸入新鲜充量要求：１、尽可能排尽废气，尽可能多地充入新气，即充气效率高；２、换气损失小；３、适应发动机工况变化；第一节四冲程内燃机的换气过程分析：１、废气排出得越干净，吸入的新气越多，可以多供油，发动机功率大；２、废气排出得越干净，吸入的新气越多，燃烧充分，油耗低，热效率高，经济性好；３、废气排出得越干净，吸入的新气越多，燃烧充分，排出的有害气体少；４、换气损失小，机械损失小，发动机功率大，经济性好；５、不同的工况需要的进气量不同，要和发动机工况配合。特点：１、时间短，速度快；２、和混合气形成过程相关联；３、受到空间和结构的限制。影响：１、发动机的动力性和经济性；２、发动机的适应性；３、发动机的排放性能和噪声。研究的内容换气过程的进行情况分析影响充气量的因素分析影响换气损失的因素提高充气量减少换气损失方向与措施。找出一、换气过程包括从上一循环排气门开启直到下一循环进气门关闭的整个时间，约占410~480°CA。根据气流的特点，换气过程可分为自由排气强制排气进气燃烧室扫气4个阶段进行研究四行程发动机的换气过程包括从排气门开启到进气门关闭的整个时期，约占410º~480º曲轴转角。四冲程发动机换气过程的阶段划分：排气过程进气过程气门叠开排气过程又分为自由排气阶段强制排气阶段进气过程不再划分1.自由排气阶段排气门开启到气缸压力接近了排气管压力的这一时期，称为自由排气阶段，废气依靠自身的压力自行排出。排气提前角：从排气门开启到活塞至下止点所对应的曲轴转角。一般为30º~80º曲轴转角（b′~b)。排气门打开，pprp=pr靠缸内压力将气体挤出气缸，其中p－缸内压力pr－排气管内压力占排出废气量的60%以上。包括：a）超临界排气排开p=2pr在气阀最小截面处,气体流速等于该地音速m/s。其流量与压差（p-pr）无关,只决定于排气阀开启面积和气体状态。b）亚临界排气p=2prP=Pr。其流量取决于压差（p-pr）。自由排气阶段超临界状态亚临界状态（1）超临界状态排气门开启时，缸内废气压力高（0.2~0.5Mpa），缸内压力与排气管压力之比＞1.9，排气流动处于超临界状态。（2）亚临界状态缸内压力与排气管内压力之比下降到1.9以下时，排气流动转入亚临界状态，废气流速降低。自由排气阶段排出的废气量取决于气缸与排气管的压力差。压力差越大排出废气越多。当气缸与排气管压力相等，自由排气阶段结束（下止点后10º~30º曲轴转角）。自由排气阶段很短，但排气流速高，排出废气量达60%以上。排气门处废气流速为音速。超临界排气时，废气流量与排气管内压力pr无关，与发动机转速无关。废气流量只与缸内的气体压力p和温度T以及气门开启截面积有关。此时排气流速高，并产生强烈噪声。亚临界排气时，废气流量与排气管内压力pr、缸内压力p、气门开启截面积以及发动机转速有关。此时废气流速降低，产生的噪音较小。高速发动机排气提前角要大一些。发动机转速高时，在同样的排气时间（以秒计）所相当的曲轴转角增大，但不宜过大，否则会使排气损失加大。2.强制排气阶段p=pr上止点靠活塞上行将废气挤出气缸。亚临界状态活塞上行强制推出废气。缸内平均压力高于排气管平均压力：克服排气门、排气道处的阻力，一般高出10kPa左右。气体的流速越高，此压差越大，消耗的功越多。惯性排气排气迟闭角：从活塞上行到上止点至排气门关闭所对应的曲轴转角。一般为10º~35º曲轴转角。3.进气过程由于节流作用,缸内产生负压；（）使新鲜介质进入缸内。依靠活塞下行产生负压强制进气。准备进气（进气门开启）。进气提前角：从进气门开启至活塞上行到上止点所对应的曲轴转角，一般为0º~30º曲轴转角。pp0残余废气膨胀（r~r′）。正常进气活塞下行，新鲜气体充入气缸。惯性进气进气迟闭角：从活塞下行到下止点至进气门关闭所对应的曲轴转角，一般为40º～70º曲轴转角。4.气门叠开和燃烧室扫气气门叠角：进、排气门同时开启时对应的曲轴转角。一般为20º~80º曲轴转角，对增压发动机，因其进气压力高，可达80º~160º。气门重叠的作用在气门重叠时期，进气管、气缸、排气管互相连通，可以利用气流的压差、惯性或进、排气管压力波的帮助，达到（1）清除残余废气，增加进气量；（2）降低高温零件的温度。但应注意，不能产生废气倒流（气缸或排气管的废气流入进气管）现象。气阀叠开角：非增压：20～60CA。太大（引起）废气回流进气道。太小扫气作用不明显。增压：110～140CA。进气管p,扫气明显,气阀叠开角可以增大很多。如6135型柴油机：非增压：40,增压：124。扫气的作用：1清除废气,增加气缸内的新鲜充量。2降低排气温度。3降低热负荷最严重处（如气阀、活塞等）的温度。排气门早开（1）快排气（2）排气功减小排气门晚闭惯性排气进气门早开（1）增加截面（2）可以扫气进气门晚闭惯性进气二、换气损失和泵气损失换气损失：理论循环换气功与实际循环换气功之差。由排气损失和进气损失两部分组成。定义：理论循环换气功与实际循环换气功之差。换气损失即图中面积(W+X+Y)，由排气损失进气损失两部分组成。实际循环示功图中把（W+d）归到指示功中考虑，面积(x+y-d)代表的负功称为泵气损失。这部分损失放在机械损失中。1．排气损失：从排气门提前打开，废气开始排出，直到进气行程开始，气缸内压力达到进气管内压力前，这段过程所损失的循环功。它又可分为两部分：1）自由排气损失w由于排气门提前打开而引起的膨胀功的减少。2）强制排气损失Y活塞上行强制推出废气所消耗的功。随着排气提前角增大，自由排气损失面积增加，强制排气损失面积减小。如图中b曲线，如排气提前角减少则强制排气损失面积增加，如图中c曲线。所以最佳的排气提前角应使面积（W+Y）之和最小。减少排气损失的主要措施是：减小排气系统阻力和排气门处的流动损失。2.进气损失（图中面积X）非增压作负功；增压作正功。从进气门提前打开，到压缩行程中气缸内压力到达大气压力之前，循环功的损失是进气损失。进气系统的阻力引起进气损失。减少进气损失的主要措施是减小进气系统阻力和进气门处的流动损失。具体是：合理调整配气相位；加大进气门流通面积；正确设计进气通道以及降低活塞的平均速度。第二节四冲程内燃机的充气效率一、充气效率（一）定义由于有进气阻力等因素的影响,实际进入气缸中的新鲜充量必然小于理论上进气状态下充满工作容积的新鲜充量。二者之比称为充气效率,即的新鲜充量hssvVVmmGGVmG,,hssVmG,,其中：－实际充量的重量，质量和体积；进气状态：非增压：空气滤清器后进气管内的气体状态,通常取为当地的大气状态。增压：增压器出口状态。－理论充量的重量，质量和体积；严格地说，充气效率应为v实际进入汽缸的新鲜充量以标准大气状态充满汽缸工作容积的新鲜充量更合理。这样，在后面将要讲到的大气修正中，不同的压力和温度下进气量的比值就等于其充气效率之比（二）实际测量理论流量实际流量shvVVVm3]/[03.060210003hmniVniVVhhsh其中：－实际测量[/h]充气效率是衡量换气过程进行的完善程度的重要指标。二、充气效率的分析式充入气缸的新鲜充量=缸内气体的总质量－缸内残余废气质量（一）进气门关闭时缸内气体的总质量其中－余隙容积；－进气门关闭时缸内工作容积；－进气终了缸内气体密度。mVVacha()'VcVh'a（二）排气门关闭时缸内残余废气的质量其中－排气门关闭时缸内容积；－排气门关闭时缸内残余废气密度。（三）充入气缸的新鲜充量其中－进气状态下气体密度。mVrrrVrrn()vhscharrVVVVs（四）充气效率的分析式vmm0n()charrhsVVVVnchrarcchscVVVVVVV1VVhc1VVhce'VVrc其中－压缩比；－有效压缩比；考虑到进排气门迟闭角的影响，令则充气效率表达为：将代入，得：chchVVVVcVV1()(1)vasRTPTpTppTaassv11-进气门关闭时的缸内容积-排气门关闭时的缸内容积－进气门关闭和进气状态下气体密度。sar－排气门关闭时缸内残余废气密度VrVh'残余废气系数γ：指进气过程结束时气缸内残余废气量与气缸中新鲜充量的比值。acaacachshvVVVVVVVVm)(111aassvTPPTpTaav,pTrrv,第三节影响充气效率的各种因素一、进气终了压力Pa（一）进气阻力：由于进气系统的阻力而引起气体流动时的压降。22vPpapppaa0papavλ——管道阻力系数；ρ——进气状态下气体的密度（kg/m3）；v——管道内气体流速（m/s）。papav（二）转速npapav（三）负荷汽油机：负荷节气门开度（量调节）paTav柴油机：负荷循环供油量（质调节）（与热负荷（不大）无关）二、进气终了温度（一）转速负荷一定：n综合、的影响，n。（二）负荷转速一定：负荷热负荷柴油机：进、排气管分置。避免排气管对进气管加热，使汽油机：进、排气管同置。虽然，但燃油受热增发快，可以改善混合气形成。TaavTavpaTavTavTavTav三、压缩比与残余废气系数γ残余废气量排气门处的阻力，所以n低负荷节气门开度新鲜充量γ四、配气定时由于进气门迟闭，导致减少新鲜充量的容积，使ξ1。但实际上Pa值却可能因气流惯性而进气有所增加，因而合适的进气配气定时应使ξ·Pa具有最大值。vprvprn2prvv五、进气（大气）状态PsPa，且Ps/Pa基本不变，对充气效率影响不大。实际上：Ts升高，Ps下降，均使ρs减少，即进气量。这与充气效率增大的结论并不矛盾，因为充气效的定义是相对于进气状态而言的。vsT第四节提高充气效率的措施一、减少进气门处的流动损失1．进气马赫数M在高速可压缩的流动系统中，决定气流流动性质的最重要参数是M，能反应流动对的一个特征数。等于进气门处气流平均速度vm与该处音速a的比值，即M=vm/a。vmmCdDCfFvm121111)(根据连续性流量方程有：式中：F和f1——活塞顶和进气门头部的面积；D和d1——气缸和进气门头部直径；μ1——进气门开启期间的平均流量系数；Cm——活塞平均速度。aCdDavMmm121)(kRTasRTkka12亚临界：超临界：2．减小进气门处的流动损失1）增大进气门直径，配置适当大小的排气门d1M（影响大）d排（影响小）2）采用四气门结构（二进二排）流通面积40%左右。但结构复杂，造价较高。（可达30%），vprvf1vNegef1排气门进气门排气道进气道凸轮轴Audi5LTDI发动机3．改善进气门和气门座处的流体动力性能1）气门升程h时面值v2）阀顶过渡圆角RRR流动阻力R应适中。f1vv二、减小整个进气管道对气流的阻力一）