第2章发动机的换气过程

第二章发动机的换气过程第一节四行程发动机的换气过程第二节四行程发动机的充气效率提高充气效率的措施第三节减小进气系统阻力第四节合理选择配气定时第五节进气管的动态效应第六节可变技术换气过程即更换气缸内工质的过程。换气过程包括排气过程和进气过程。对换气过程的要求：排气过程：尽可能干净地排出废气；进气过程：尽可能多地充入新鲜充量。每循环新鲜充气量的多少关系到发动机的动力性、经济性、排放性能、零件热负荷等各方面性能。本章目的：了解发动机换气过程进行情况、分析影响充气量的因素、寻找改善换气过程的途径。四行程发动机进排气门通过能力在换气过程中，气阀的开度是由配气凸轮形线控制而变化，其流通面积fv是随气门升程变化的。气阀开启的流通面积角面值和时面值角面值：气阀或气口流通面积f的曲线与横坐标的所围的面积（流通面积曲线对曲柄转角的积分值），称为角面值。时面值的定义：流通面积f与时间t所围的面积当转速n不变时，即有角面值不随发动机转速而变化，而时面值则会相应的变化（如转速升高，时面值减小）。∫fdd61d30dfnfntf进排气气流的流通能力（流量）ttttfρctfcG000d=d=d=G当流道前后的压力差为定值时，即流速c为常数时，时面值越大，流量越大；当流量为定值时，时面值越大，所需流速越小，即流道压力差越小。结论：时面值表示了气阀与气口的流通能力。注意：柴油机在工作时，气口、气阀结炭，脏污，开度不足都会引起时面值减小，柴油机工作性能变差。第一节四行程发动机的换气过程一、换气过程概述从上一循环排气门开启到下一循环进气门关闭的整个时期，约占410°—480°曲轴转角。排气门开启进气门关闭进气门打开排气门关闭InletValveOpenExhaustValveOpenInletValveCloseExhaustValveClose1、排气提前角排气门在膨胀冲程到达下止点前的某一曲轴转角位置提前开启的角度。增加排气流通面积（时面值or角面值），减少排气冲程所消耗的活塞推出功。作用定义选择影响膨胀损失和泵气损失,但对φc影响不大存在最佳值:30-80CABBDC(膨胀损失＋推出功损失)最小n↑,适当增大(提前)有关换气过程的几个角度排气门在上止点后关闭的角度。2、排气门迟闭角定义1.避免因排气流动截面积过早减小而造成的排气阻力的增加，使缸内的残余废气量增加。2.利用排气管内气体流动的惯性从气缸内抽吸一部分废气，实现过后排气。3.扫气作用。作用选择过小，惯性利用不够过大，废气倒流存在最佳值：10-35CAATDC3、进气提前角为了增加进入气缸的新鲜充量，进气门在吸气上止点前提前开启的角度。作用定义•在活塞下行时，进气门有足够大的开启面积，新鲜工质可以顺利流入气缸。•冷却燃烧室壁面以降低Ta，提高充量系数。选择过小，进气不够过大，废气倒流进气管（回火）存在最佳值（10-40CABTDC)利用高速气流的惯性和压力差，在下止点后继续充气，增加发动机的进气量。4、进气门迟闭角为了增加进入气缸的新鲜充量，进气门在吸气下止点后，推迟关闭的角度。作用定义选择过小，惯性利用不够；过大，新气推回进气管。对进气充量φc影响大存在最佳值（40-70CAABDC）气门叠开角定义：气门叠开所对应的曲轴转角。气门叠开角的选择自吸式汽油机40°,进气管压力低于大气压，太大易回火自吸式柴油机～60°，进气管压力接近大气压增压柴油机＝80～160°，扫气扫气作用有利于扫除缸内的残余废气，增加进入气缸的新鲜充量。可用新鲜充量降低燃烧室内气缸盖、排气门、活塞顶、缸套的温度以及排气的温度。由于排气门的迟闭和进气门早开，出现进、排气门同时开启的现象。5、气门叠开通过同时开启进、排气门，让新鲜空气将残余废气清除干净，这个作用称为扫气作用。1.换气过程：1.自由排气阶段2.强制排气阶段3.进气阶段2.气阀叠开和燃烧室扫气四冲程柴油机的定时图1、自由排气阶段A、排气阀在下止点前30°~80°打开，直到下止点后气缸压力接近排气管压力为止。由于废气的排出是在压差的作用下排出，故称为自由排气阶段。压差排气。从排气门打开至p≈pr。B、在此阶段根据气缸内外压差是否超过临界值，可分为:超临界排气：p/pr[(k+1)/2]k/(k-1)=1.9。排气门处流速为声速，排气管内流速达超声速。此时期废气流量与排气管内的压力无关，只取决于排气门开启截面和缸内气体的状态。亚临界排气：p/pr1.9。排气管内流速为亚声速。此时期废气流量由缸内与排气管内的压力差来和气门开启面积来决定。自由排气结束：某一时刻，气缸内压力与排气管内压力相等。C、排气阀开启提前角要大，以便使排气阀在下止点的开度和下止点前的时面值足够大。但也不能太大，若太大将引起膨胀功的损失过多。D、自由排气一般在BDC后10°~30℃A结束。结束愈晚，下一阶段活塞排气消耗的功愈大。E、自由排气阶段虽然占整个排气时间的比例不大，但由于废气流速很高，排出的废气量占可达60%以上。2、强制排气阶段①废气是由上行活塞强制推出的，故称为强制排气阶段。②当活塞到达上止点后向下运行的初期，由于排气行程中形成的高速排气流的惯性作用下，废气继续排出气缸。③因此排气阀在上止点后滞后关闭，一般排气迟闭角为40~70°(CA)。实现了过后排气，延长了排气时间，增大了气阀的时面值，可使废气排得干净，排气功减小，排气流的惯性得到充分利用。但过大的排气迟闭角会导致废气倒流，最理想的关闭角是当废气从气缸流出的流动刚好停止时。从自由排气结束到排气阀关闭。3、进气阶段进气提前开启角(10°~40°)和进气延后关闭角的目的是为了尽力吸入新鲜空气。进气提前开启角过大会造成废气倒灌进气提前开启角过小则影响进气；进气延后关闭角过小会影响空气流动惯性而减小进气量，进气延后关闭角过大则使新鲜空气倒流出气缸并使有效压缩比减小。实际进气时刻：是气缸内压力低于进气管压力时才真正进入气缸。非增压柴油机的实际进气时刻在上止点后。从进气门打开至进气门关闭。（活塞的抽吸+进气气流的惯性）作用：活塞下行，缸内容积增加，同时缸内压力下降，使得环境压力-缸内压力进气系统阻力，从而吸入新鲜工质。进气初期，缸内容积增加，压差不足，导致新鲜空气不能进入气缸，从而使进气系统压力急剧下降。4、气门叠开和燃烧室扫气气阀重叠角的定义：在上止点前后，从进气阀开启到排气阀关闭这段时间进气阀和排气阀同时开启所对应的曲轴转角称为气阀重叠角。一般非增压机为20°~50°CA，增压机为80°~140°CA燃烧室扫气：在气阀叠开期间新鲜空气对燃烧室的清扫称为燃烧室扫气（一般只有增压四冲程柴油机才能实现燃烧室扫气）意义：1.新鲜空气将燃烧室中残存的废气清扫到排气管2.新鲜冷空气对燃烧室壁面进行冷却气门叠开：由排气迟闭、进气提前造成的排、进气门同时开启的现象。构成1.排气过程损失膨胀损失+推出损失2.进气过程损失与理论循环相比，实际循环的在换气过程中所产生的功的损失。定义二、换气损失概述自然吸气内燃机的换气过程理论循环换气过程：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。实际循环换气过程：1.膨胀损失W2.推出损失Y3.吸气损失X换气损失=W+Y+X自然吸气内燃机实际换气过程YX理论换气过程：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。实际换气过程：换气损失为面积W+X+Y换气过程所获得的换气功为矩形的面积与换气损失之差。换气功小于理论换气功值。增压内燃机的换气过程XY自由排气损失（膨胀损失）排气门提前打开，排气压力线偏离理想循环膨胀线，引起膨胀功的减少。一、排气损失强制排气损失（推出功损失）活塞由下止点向上止点的强制排气行程所消耗的功。排气损失=自由排气损失+强制排气损失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n↑→W↓但Y↑→W+Y↑，因此，排气提前角应随转速增加而适当加大排气提前角↑，W↑但Y↓排气提前角↓，W↓但Y↑因此，存在一最佳排气提前角，W+Y最小二、进气损失由于进气道、进气门等处存在流动阻力损失，在大部分曲轴转角内发动机的缸内压力低于大气压力线（图b）或增压压力线（图d），从而造成循环有用功的减少。三、换气损失和泵气损失1、换气损失泵气损失：X+Y-d进气损失与排气损失之和：X+Y+W2、泵气损失四、换气损失随内燃机转速的变化1.进气损失明显小于排气损失。2.进气损失影响充量系数，因而对发动机的性能影响更大。第二节四行程发动机的充气效率式中m1、V1—实际进入气缸的新鲜工质的质量、体积（进气状态）；ms、Vs—进气状态下充满工作容积的新鲜工质的质量、气缸工作容积。进气状态：对非增压发动机，采用大气状态；对增压发动机，采用增压器出口状态。11VssmVmV实际进入气缸的新鲜充量进气状态下充满气缸工作容积的新鲜充量一、充气效率ηv定义：二、充气效率与发动机性能的关系∴ηv高，说明每一循环的充气量多，发动机的功率和扭矩大，动力性好。10010010100012,300.0314vsvsvsbvsbuueemivsmeusssvmemimesvemimesvtqmimmVVmgLLVQghhLWQVphVVVLpKpVniPKnpiVTKu0每循环实际充气量每循环燃料量每循环加热量又由h令K=得L三、建立充气效率的意义不同气缸工作容积VS的m1不同，因此，用m1无法比较不同VS的发动机进气系统的完善程度。而ηv排除了VS的影响，可评价进气量的相对值。∴ηv是评价不同发动机进气系统完善性的主要指标。四、充气效率的实验测定实际充气量：用流量计测出总流量V1理论充气量：ηv的大致范围：汽油机0.7~0.85柴油机0.75~0.93[/]mh3600.03[/]10002ssVnViinVmh1.vVVv由即得五、充气效率分析式由分析式中找出影响充气效率的因素有：进气状态（Ts，ps）、进气终了状态（Ta，pa）、残余废气系数γ、压缩比ε及配气定时等。111savsaTppT为配气定时引起的有效进气体积系数，等于进气门关闭时气缸容积与气缸总容积的比值。六、影响充气效率的因素1、进气阻力公式进气阻力与进气管道的结构（管道阻力系数λ）、管内气体流速（v)和气体状态（密度ρ）有关。2、pa随n、负荷的变化情况n:n↑——v↑——Δpa↑——pa↓负荷：汽油机：负荷↓—节气门开度↓—阻力系数↑—Δpa↑—pa↓柴油机：负荷↓—循环供油量↓—热负荷↓—pa基本不变或略↑2222asasvpvpppp（一）进气终了压力papa↑——ηv↑1、节气门开度一定时，转速增加，则pa下降。2、节气门开度逐渐减小时，pa下降，且pa随转速的增大下降愉快，曲线变化愈陡。二、进气终了温度Ta1、Ta↑——ρa↓——ηv↓2、影响Ta的因素：负荷↑——缸壁温度T壁↑——ΔTa↑n↑——进气时间↓、工质吸热量↓——ΔTa↓缸壁冷却强度↓——缸壁温度↑——ΔTa↑Ts↑——（T壁-Ts)↓——ΔTa↓在条件允许时尽量降低进气终了温度Ta。3、在布置进、排气管时要考虑Ta柴油机：进、排气管分置于气缸两侧；汽油机：进、排气管置于气缸同侧。Ta=T0+ΔTa（气体在流动过程中温度的升高）TaT0，原因是：高温零件对进气加热，残余废气对进气加热，进气预热三、压缩比ε对于非增压发动机：ε↑——Vc↓——残余废气量↓——ηv↑残余废气系数定义：γ=mr/m1mr:残余废气量m1：新鲜充气量pr↑——ρr↑——γ↑——ηv↓排气门处阻力↑、n↑(阻力↑）——pr↑——ηv↓汽油机低负荷时——γ↑——ηv↓四、残余废气系数γ五、配气定时由于进气门迟闭，ξ1，新鲜充量容积减小，但pa值却可