第2章-发动机的换气过程

第二章发动机的换气过程ProcessinEngineExchangingGas主要内容第一节四冲程发动机的换气过程第二节四冲程发动机的充量系数第三节提高发动机充量系数的措施第一节四冲程内燃机的换气过程排气过程进气过程气门叠开和燃烧室扫气过程内燃机换气过程概述主要学习内容Gasexchangeprocessesin4strokeengineGasexchangeprocessesin4strokeengine换气损失概述泵气功与泵气损失一、换气过程：发动机排出废气和充入新气（空气或可燃混合气）的全过程。目的：向缸内更换工质，为热功转换做物质准备。单位时间进入的充气量是决定发动机输出功率的“量”的因素。所以换气过程即是发动机工作过程不可缺少的组成部分，也是决定发动机动力、经济性能极为重要的环节。合理组织换气过程应达到的目的：1、保证标定工况和全负荷条件下，吸入尽可能多的充量，以获得更高的输出功率和转矩，这就是提高充量系数Φc的问题，也是换气过程的中心问题。这个问题，除涉及稳态特性的分析外，还与整个系统的动态效应——不稳定流动时介质中的压力波传播紧密相关。2、保证多缸机各缸的循环进气量的差异不超出应有的范围，以免对整机性能产生不利影响。3、应尽量减小不可避免的换气损失，特别是占最大比例的排气损失。4、进气后在缸内所建立的流场（旋流场与湍流场），应能满足快速合理燃烧的要求。自然吸气和增压发动机、四冲程和二冲程发动机最主要的差别，就在于换气过程有各自不同的特点。增压发动机是利用各种方法，提高进入缸内的新鲜充量的压力，增大循环充气量来提高输出功率；二冲程发动机则是利用扫气方式完成换气过程，以达到减少不做功的冲程数，提高输出功率的目的。•四冲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。•换气过程可分作自由排气、强制排气、进气和燃烧室扫气四个阶段。•换气过程中，至少有一个气门开起，出现了气流的流动，进、排气系统与气缸组成以大气为边界的开式热力系统。在进排气门关闭的动力过程中，进、排气管道中仍有气体波动，对换气过程有一定影响。下止点上止点10°～35°30°～80°40°～70°0°～40°缸压与进排气道压力1、自由排气阶段从排气门开启到气缸压力接近于排气管内压力的时期，称为自由排气阶段。排气提前角：从排气门开启到活塞行至下止点所对应的曲轴转角，一般为30º~80º曲轴转角。2、强制排气阶段自由排气阶段结束后，气缸内的废气将被上行活塞强制推出，这一过程就是强制排气阶段。排气迟闭角：从上止点到排气门完全关闭终了所对应的曲轴转角，一般为10º~35º曲轴转角。按燃气对活塞的作用：自由排气和强制排气(Blowdownanddisplacement)按排气流动的性质：超临界流动和亚临界流动(Criticalandsubcriticalflow)超临界状态排气的流量只取决于缸内气体状态和排气门有效流通面积的大小。亚临界流动阶段排气的流量不仅与排气门的有效流动截面有关，还与缸内和排气管内气体的压差有关。11212kkkpp排气过程(EXHAUSTING)缸内排气压力与排气门气门端压力只要满足就会在排气阀喉口出现音速流动（）。在自由排气阶段初期，排气门前后压差约0.2~0.5MPa，而排气背压略大0.1MPa，所以一般发动机都要经历超临界排气。初期音速500~700m/s，常伴有刺耳的噪声，是发动机排气噪声的主要来源。其后是亚临界排气，气门口流速低于声速，但仍远高于强制排气的速度。自由排气阶段只占总排气时间的1/3左右，同时气阀开启流通面积也较小，但因流速高，排气量可达总排气量的60%以上，也是排气阻力、噪声最大的时期。epep)3.1(83.1211kkppkkee废气kRTa自由排气阶段结束后，缸内压力大大降低，必须依靠活塞上行强制排气。只一阶段中，缸内与大气或增压涡轮机入口处的平均压差约为0.01~0.02MPa，时间占到总排气时间的2/3左右。排气提前角(EXHAUSTADVANCING)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。作用定义气门的角面值为气门口通过面积曲线下面的积分面积。排气门在上止点后关闭的角度。排气门迟闭角(EXHAUSTLAG)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3、进气过程•从进气门开启到关闭的全过程•准备进气：进气提前角一般为0º~40º(CA)。•正常进气：新鲜气体充入气缸。•惯性进气：进气迟闭角一般为40º~70º(CA)。由于进气工质克服流动阻力和吸热升温等影响，缸内进气压力要低于环境或压气机后压力，由此使实际充量低于理论值。缸内压力呈凹形，初期压力较大是由于活塞下行加速度加大，是真空度加大的结果；后期压力上升，则是高速流入气缸的充量速度滞止，压力局部恢复的缘故，但恢复的只是小部分，大部分动能变为摩擦热。理论上，进气门早开时排气尚未结束，缸内压力要高于缸外背压，这样会造成废气倒流入进气管（汽油机回火）。但事实上，进气门开启初期流通截面窄小，以及废气倒流也有一定惯性的影响，提前角不大时，倒流现象一般不会出现，更何况排气气流的引流作用，一定程度上也会降低缸内进气门附近的静压力。进气提前角(INTAKEADVANCING)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。作用定义增加进气流通面积（时面值or角面值）,提高充量系数。利用在进气过程中形成的气流惯性，实现向气缸的过后充气，增加缸内充量。进气门迟闭角(INTAKELAG)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4、气门重叠和燃烧室扫气过程在排气行程上止点附近出现进、排气门同时开启的特殊现象，称为气门重叠，相应的角度是气门重叠角，它是排气迟闭角与进气提前角之和。有错利用气流的压差和惯性清除残余废气，增加进气量。一定数量的新鲜充量扫过燃烧室。•气门重叠角的选择以新鲜充量不流入排气管为原则，特别是汽油机的新鲜充量是混合燃气。•自然吸气汽油机进气管为负压，有回火危险，所以气门重叠角不能过大（主要是对进气提前角敏感），这是汽油机对气门重叠的另一个限制条件，一般气门重叠角均小于40º(CA)。•自然吸气柴油机可以采用相对较大的气门重叠角，但过大会造成气门和活塞运动的干涉，一般气门重叠角在20º~60º(CA)。•增压柴油机由于进气压力高于排气背压，重叠期间出现“扫气”，可扫除更多废气，降低残余废气系数，增加充量；还可冷却排气门、喷油嘴等高温零件，降低燃烧室壁温和热负荷。所以，气门重叠角一般为80º~160º(CA)。扫气作用(SCAVEGING)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。尽管带走的热量不多，但对于这些受热严重且冷却困难的关键零件，其效果却是显著的。正气门重叠和负气门重叠POSITIVE&NEGATIVEOVERLAP排气门在上止点前数十度曲轴转角就提前关闭，使相当一部分废气不能排出气缸而成为残余废气。进气门打开的时间被推迟到上止点后直至缸内压力下降至大气压这样进排气阀打开的时间不再重叠，反而有相当大的间隔，称为负的气阀重叠。负气门重叠(虚线)正气门重叠(实线)在上止点进气门和排气门同时开启，有利于增加新鲜充量和进行燃烧室扫气。构成1.排气过程损失膨胀损失+推出损失2.进气过程损失二、换气损失LOSTWORK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。定义一）、自然吸气内燃机的换气过程GasexchangingProcessinNaturalAspiredEngine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X3.吸气损失Y自然吸气内燃机实际换气过程换气损失概述INTRODUCTION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。二）、增压内燃机的换气过程GasexchangingProcessinSuperchargedEngine一）排气损失•定义:从排气门提前开启，直到进气行程开始、缸内压力到达大气压力之前,所损失的循环功。•构成:a.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。b.强制排气损失Y：活塞上行强制推出废气所消耗的功。膨胀损失（EXPANSIONWORKLOSS）从排气门提前开启到下止点这一时期，由于提前排气造成了缸内压力下降，使膨胀功减少.推出功损失(DISPLACEMENTWORK)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(DISCHARGINGLOSSES)膨胀损失和推出损失二者之和。二）进气损失X•进气损失主要是指进气过程中，因进气系统的阻力引起的功的损失（汽缸压力低于大气压力），与排气损失相比进气损失较小。•合理调整配气定时，加大进气门的流通截面、正确设计进气管及进气道的流动路径以及降低活塞平均速度等，都会使进气损失减少。进气损失（INTAKINGLOSS）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。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。与排气过程不同的是，进气损失不仅体观在进气过程所消耗的功上，更重要的是体现在进气过程中所吸人新鲜充量的多少上，因为前者对于内燃机的热效率乃至功率影响不大，而后者对内燃机性能有显著的影响。•排气损失与进气损失之和称为换气损失(W十Y十X)。•泵气损失（X+Y-u）：在实际循环示功图中把面积(x+y-u)相当的负功称为泵气损失。这部分损失放在机械损失中加以考虑。在下止点后某一曲轴转角为止，缸内废气压力仍然大于排气背压，废气靠自身压力与排气背压之差自动排气，类似进气时也存在，这就是u。进、排气相位角的选择原则进气提前角、进气迟闭角、排气提前角、排气迟闭角的取值关系到增大进气充量、减小换气损失和阻力等性能的优化。1、排气提前角排气提前角对排气损失的影响（左图）从图2-4可以看出，W与Y呈负相关关系。如排气提前角增大，W增大，而Y减少，反之亦然。因此任何工况都存在一个排气损失对小的最佳排气提前角，即应选择排气提前角使W+Y之和最小。转速对排气损失的影响（右图）EFFECTSONEXCHANGINGLOSSES发动机的转速增加，相同的排气提前角所对应的排气时间就变短，通过排气门排出的废气量减少，膨胀损失减少，但缸内压力水平提高，因而活塞推出损失大大增加。导致总的排气损失加大。排气损失约占总换气损失的75%~80%。合理选择排气提前角对减小泵气损失有较大意义，对充量系数的影响不大。随着转速的上升，最佳排气提前角也要相应加大。2、各工况的排气迟闭角也有最佳值：过小，惯性排气利用不足；过大，因活塞下行较多，缸内压力小于缸外背压而使废气倒流回缸内。最佳排气迟闭角也将随转速上升而加大。3、进气提前角也有最佳值：过大会回火；过小进气不足。随着转速上升，最佳进气提前角也应加大。4、进气迟闭角也有最佳值：过小不能充分利用惯性；过大则又可能把已冲入缸内的新气推回进气管中。最佳进气迟闭角也随转速上升而加大。进、排气的四个相位角各有其功能及最佳值，其中进气迟闭角和排气提前角最为关键，前者对进气充量影响最大，后者对换气损失影响最大。第二节四冲程发动机的充量系数•合理组织换气