第3章--发动机的换气过程

第三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系数第三节提高充气系数的措施第四节可变技术本章主要内容四行程发动机的换气过程发动机换气过程评价指标－充气效率ŋV改进四行程发动机换气过程的措施可变技术（简）第一节四冲程发动机的换气过程所谓换气（即排旧充新），就是把前一循环中燃烧的废气从气缸中清除出去，并使新鲜充量（空气或可燃混合气）充入气缸。目的：希望排净废气，多进新气。换气过程的好坏：直接影响发动机的动力性，经济性指标及气缸的热负荷。一、换气过程从排气门开启进气门关闭。实际曲轴转角4100-4800。1.自由排气阶段靠缸内压力将气体挤出气缸，气体以超临界状态（超音速）流出。特点：流出速度高，排量达（60-70）%，伴随有特殊刺耳的噪声排气门开启时刻与排气提前角相关排气提前角，膨胀功损失W，但膨胀行程所消耗的功；否则，相反。排气提前角要适当，不宜太大或太小。一般为γ=300-800。2.强制排气阶段活塞从下向上，活塞上行将废气挤出气缸。在此阶段，气缸压力高于排气管压力9.8kPa左右。此差值主要为排气门节流所致，流速越高，差值越大。在排气终了，因排气门将要关闭，气门开度很小，节流作用增强，为此，常使排气迟后关闭，一般迟闭角δ=100-350。δ过大，会使废气倒流。3.进气阶段由于节流作用,缸内产生负压；使新鲜介质进入缸内。•进气门：提前开：进气初期增大气流通道α=0-400迟后关：利用惯性进气β=40-800。•目的：延长进气时间，增加新鲜充量。•进气损失X：克服因进气过程气缸内压力低于大气压力而形成的阻止活塞下行的一种阻力消耗的功。4.气阀叠开和燃烧室扫气在排气、进气两过程之间，存在两气门同时开启的现象。非增压发动机的气门叠开角一般为20-600。适当的气门叠开角：可以减少残余废气，增大进气量。增压发动机气门叠开角可以增大很多，进行燃烧室扫气。二、换气损失和泵气损失换气损失由排气损失和进气损失组成。1.排气损失：排气损失=自由排气损失W+强制排气损失Y自由排气损失W相当于膨胀功的减少；强制排气损失Y是把废气推出气缸所消耗的功。2.进气损失功X——为进气系统内气体克服气缸进气吸力所消耗的功。换气损失形成的原因：排气门早开；活塞上行推出废气；气体流动损失；克服进气过程的真空吸力。3.泵气损失功其大小为：X+Y-u。在实际示功图中，把（W+u）归到指示功中考虑，而把泵气损失功（X+Y-u）归到机械损失中考虑。最有利的排气提前角最有利的排气提前角应使（W＋Y）之和为最小。•过早•过晚•排气门面积过小•转速提高第二节四冲程发动机的充气效率一、充气效率（充气系数）1.定义实际进入气缸的新鲜充量与进气状态下充满气缸工作容积的比值。式中：为实际充量的重量、质量和体积；为理论充量的重量、质量和体积。缸工作容积的新鲜充量以标准大气状态充满汽量实际进入汽缸的新鲜充vvhGGmmVV001GmV,,1GmV001,,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。的意义：——表明了每循环新鲜充量充满气缸的程度。充气效率是衡量换气过程进行得完善程度的重要指标。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。v2.的实际测量实际中，始终小于1，理想情况等于1。柴油机：0.75～0.90；汽油机：0.70～0.85。v1hvVV理论流量实际流量v二、充量效率的解析式充入气缸的新鲜充量=缸内气体的总质量－缸内残余废气质量充气效率的解析式0mmv0chrcrachcVVVVVVV三、影响充气效率的因素分析充气效率的数学表达式式中：γ——残余废气系数；ξpa——配气定时;ε——压缩比;ps、Ts（pa、Ta）——进气（进气终了）时的压力和温度。由上式可以看出，影响充气效率的因素有：1、进气终了压力2、进气终了温度3、压缩比4、残余废气系数γ5、进气压力和温度ps、TsapaT111aassvTppT1、进气终了压力决定于：发动机进气系统的结构λ；发动机的使用情况n。对于进气系统：当大气压力P0一定时，△P，Pa；△P——气体流过进气系统引起的压力降;由流体力学知：而v正比于n，即则λ——管道阻力系数；v——气体在管道内的流速；r0——大气比重;apP0=Pa-△Papgvp2202202nkgvpnkv△P、Pa随n变化关系:△P随n变化关系（λ一定时）△P0n•Pa随n变化关系（λ一定时）Pa0n1）随n的变化关系（配气正时一定）n1n当nn1时，进气迟闭角显的过大，新气倒流，；当nn1时，进气迟闭角显的过小，△P，。提问：既然在配气正时一定的条件下只有一种转速最佳，实际情况是需要多种转速下最佳，如何解决这一矛盾？（采取可变气门正时技术）vvvvvv2）随的Pe变化关系柴油机：汽油机：PePevvv柴油机、汽油机的随Pe变化不同原因柴油机负荷调节——质调节：改变供应量、进气量不变，使得α改变；汽油机负荷调节——量调节：进气量改变、α基本不变。当负荷，节气门开度，进气阻力，。vv2、进气终了温度TaT0,Ta=T0+△T.△T的产生：新气与高温零件接触被加热；新气与残余废气混合；气体流动损失功转化为热量；废气加热进气管（汽油机）降低Ta的主要途径：①尽量排净废气；②抑制进气过程中新气的温度升高值。aTTaav3、压缩比压缩比，压缩容积，残余废气量，。4、残余废气系数γ排气终了压力Pr的高低直接影响残余废气量的多少，Pr，缸内残余废气量，使；Tr,△T,。进排气门的叠开角大，压缩比高，γ。vvv5、进气压力和温度ps、Ts进气温度Ts升高，进气压力ps下降均会使进入气缸充量的密度减小，绝对进气量减少，但影响较小。第三节提高充气效率的措施主要为两方面：减小进气系统的流动阻力:沿程阻力，局部阻力（节流阻力）；合理选择配气正时。一、减小进气系统的流动阻力1.进气门处是整个进气系统中气流通道截面最小，也是气流阻力最大的地方。1）保证尽可能大的气门通过能力——时面值时面值表示了气门的通过能力fdtvmm2）合理控制进气马赫数M值——小于0.5进气马赫数Ma是进气门处气体的平均速度vm与该处声速c的比值。当Ma超过一定数值(0.5左右)时，ŋv便急剧下降。限制Ma值对于高速发动机尤为重要。3）气门直径和气门数①加大进气门直径——扩大气流通路截面积。实际中使进气门直径大于排气门直径20%；②增加气门数目：采用二进二排或三进二排，但使气门控制复杂化。4）气门升程适当增大气门升程，通过改进凸轮型线设计实现。气门升程——最大气门升程与阀盘直径之比L/d取0.26～0.28。减少气门处的流动损失——改善气门处流体动力性能，如气门头部到杆身的过渡形状，气门和气门座的锐边等。改善配气机构的措施2、进气管和进气道总要求：保证足够的流通截面，避免急转弯及截面突变，改善管道表面的光洁度。表面光洁度，流通面积沿程阻力。管道截面形状：在管道截面积相等时，矩形阻力D形阻力圆形阻力；汽油机考虑雾化，蒸发,常选用D形或矩形截面进气管；柴油机不存在蒸发问题，多采用流动阻力小的圆形截面进气管。v进气道转弯半径R，表面光洁度，各管口与垫片孔口对中流动阻力。进气道设计时还要考虑组织进气涡流。在发动机维修装配过程中，必须保证进气管口、道口及其之间所加的密封垫孔口三者对齐。v几种不同形式的滤芯：3、空气滤清器在保证空气滤清效果的前提下，尽可能减小阻力。空气滤清器阻力随滤芯结构（微孔纸质滤芯、锯末滤芯）不同而不同。空气滤清器的作用：①阻止灰尘、杂质进入气缸，减少磨损，延长使用寿命；②完成进气消声；对于滤芯：①使用中要定期清洗保养，避免积垢，使阻力增加；②注意及时更换滤芯（滤芯属易损件）。二、合理选择配气正时1.配气正时——进排气早开迟闭角相对于上下止点的位置。在下止点前排气—排气提前角30～80；在上止点后关闭—排气迟闭角10～35；在上止点前吸气—进气提前角0～40；在下止点后关闭—进气迟闭角40～80；四个角度中，进气迟闭角最重要由于惯性力的限制，进排气门不能开启太快，因而必须有早开迟闭角度。对于排气损失而言，排气提前角大小是关键；对于进气而言，进气迟闭角是关键。总体而言，进气迟闭角β最重要。故认为：一台发动机的进气迟闭角改变，则其配气正时改变。2.配气正时一定，随n的变化关系图1表明：在β一定时，转速不同，因气流惯性不同，最佳的充气量不同。β1β2n1nn1n2n图1（β一定）图2（β2β1）图2表明：配气正时改变时，最佳的充气量对应的转速亦不同。vvvv3.配气正时改变，随n的变化关系发动机转速不同，气流惯性不同，从有利于进气而言，气门开闭的延长时间亦不同，即最有利β（配气正时）应不同。随进气迟闭角β的变化关系。βvmaxvmaxv提问：在不同配气正时时，随n，最大充气值对应的转速将如何变化？随进气迟闭角β，最大充气值对应的转速呈增加趋势，而最大充气值呈下降趋势。不同进气迟闭角对充气效率影响右图为两种不同进气迟闭角（β=40和β=60）条件下的和曲线。veP4.确定有利配气正时的原则对于在固定转速下工作的发动机，应以其工作转速来选择最佳的配气正时。对于车用发动机：轿车：主要考虑高速性，应按最大功率对应的转速来选择最佳的配气正时，即按高转速选择β。原因：高速发动机转速高，要获得好的充气效率和动力性，故进气迟闭角应大一些。载重汽车：主要考虑爬坡能力，应按最大扭矩对应的转速来选择最佳的配气正时，即按低转速选择β。原因：载重汽车要求有较强的爬坡能力，因强的爬坡能力与最大扭矩相关，而最大扭矩对应的转速较低，要获得好的充气效率和动力性，故进气迟闭角应小一些。第四节可变技术可变技术(VVT,VariableValveTiming)——是发动机可变气门正时技术的简称。发动机可变气门正时技术是近些年来被逐渐应用于现代轿车上的新技术中的一种，发动机采用可变气门正时技术可以提高进气充量，使充量系数增加，发动机的扭矩和功率可以得到进一步的提高。一、可变技术随使用工况（转速、负荷）变化，使发动机某系统结构参数可变的技术。为了解决车用发动机既要满足高功率化的要求，又要保证中、低转速，中、小负荷的经济性和稳定性。主要有可变进气管长度、可变气门正时、可变气门升程、可变进气涡流等技术。1、可变进气管长度（直径）对进气管的要求是：在高转速、大功率时，应配装粗、短的进气管。而在中、低速，最大转矩时，应配装细、长的进气管。2、可变进气管直径方案转换阀－谐振腔方案可变进气管直径使所有转速的转矩均增加，平均可增加8%，最大转矩可增大12%-14%。里卡多公司旋转阀方案2、可变气门正时四行程发动机对气门正时的要求是：进气迟闭角与排气提前角应随转速的提高而加大。怠速时，气门叠开角要小，随着转速上升，气门叠开角应加大。可变气门正时－进气持续期可变二、可变进排气管长度技术——利用动态效应增加进气量由于进、排气是间歇进行的，这使得进、排气管存在压力波，在特定的进气管条件下，可以利用此压力波来提高进气门关闭前的进气压力，增大充气效率。压力波增压系统具有结构简单、惯性小、响应快等优点，适于频繁变工况的车用。分为惯性效应与波动效应两类。波的动态机理闭口端：压缩波反射:压缩波——同型波；膨胀波反射:膨胀波——同型波；开口端：压缩波反射:膨胀波——异型波；膨胀波反射:压缩波——异型波。1、进气管的惯性效应在进气行程前半期，由于活塞下行的吸入作用，气缸内产生负压，新鲜工质从进气管流入，同时传出负压波，经气门、气道沿进气管向外传播，传播速度为声速。当负压波传到稳压室等空腔的开口端时，又从开口端向气缸方向反射回正压波，如果进气管的长度适当，从负压