2011年二建水利水电工程管理与实务真题及答案

第四章内燃机的换气过程第一节四冲程内燃机的换气过程第二节四冲程内燃机的换气损失第三节提高内燃机充量系数的措施第四节内燃机的增压第五节二冲程内燃机的换气引言内燃机的充量更换过程是指从排气门或排气口开启(对二冲程内燃机而言)至进气门或排气口关闭的整个阶段，亦即为四冲程发动机的进排气过程或二冲程发动机的扫气过程。内燃机充量更换过程的目的是将已燃气体排出并为下一循环吸入新鲜充量。判断充量更换过程是否完善的指标，是已燃气体是否排尽以及进入气缸的新鲜充量是否充分，这不仅取决于与充量更换过程有关的各种附属系统的设计是否合理、有效，而且也与发动机的运行状态有关。采用增压可以提高进气密度，改善换气质量，提高发动机的升功率。第一节四冲程内燃机的换气过程图4-1是四冲程内燃机在换气过程中，气缸压力、排气管中的压力随曲轴转角的变化情况以及相应的低压示功图(p-V图)、从图中可以看出，排气门开启后，燃气从气缸急速流人排气管，气缸压力很快下降，直到排气下止点后的某一位置排气门关闭为止。进气门在上止点前开启，新鲜充量流入气缸，直到进气下止点后的某一位置关闭为止。在排气上止点附近，近、排气门同时开启。四冲程内燃机的换气过程可分为自由排气、强制排气、气门叠开、进气等阶段，本节分别介绍各阶段的特点，并在分析换气损失的基础上提出提高充量系数的措施。排气提前开启的必要性分析一、自由排气阶段由于受配气机构的结构限制，气门在开启过程中只能逐渐加大其流通截面：如果排气门刚好在膨胀行程下止点时开启，则排气门流通截面增加过缓，气缸压力下降迟缓，活塞在向上止点回行时将造成较大的反压力，增加排气行程所消耗的功。所以，内燃机的排气门往往都在膨胀行程到达末期前，即活塞到达下止点前的某一位置提前开启，称为排气提前：排气提前角为30º~80º(CA)。一、自由排气阶段排气门刚打开时，缸内压力远高于排气管内压力，随着排气过程进行以及排气门流通截面的逐渐增大，排气管内的压力将逐渐升高，直至在某一时刻达到或接近缸内压力：这一阶段由于有正向压力差的存在，排气可以自发地进行，故把从排气门开启到气缸压力达到排气背压(排气管内压力)的时期，称为自由排气阶段。图在气门开启时间内，流经气门的气体质量与气门前后的状态关系式为（4-1）式中，下标I表示上游流动参数(相应地，II表示下游的流动参数)；μ与A分别为气门处的流量系数与流通截面积，可分别根据试验结果和气门的几何参数确定；Ψ为流函数，与上、下游的流动状态有关，其计算式为（4-2）1161pAnddm在自由排气阶段的初期，由于排气门刚刚开启，缸内压力较高，排气管压力与气缸压力之比往往小于临界值，流动呈现超临界状态，缸内气体以当地声速流过排气门。此时,排气质量流量只取决于缸内气体状态和排气门有效开启截面的大小，与排气管内的气体状态无关。1)12(kkk随着排气的进行，排气门流通截面不断增大，排气管压力与气缸压力之比超过临界值之后，气体流动逐渐进入亚临界状态；直到某一时刻气缸压力与排气管内的气体压力接近相等，自由排气阶段结束。在该阶段中流出的气体质量，不仅与排气门的有效流通截面有关，还与缸内和排气管内的压力差有关。由此可见，自由排气阶段中排出的废气量与内燃机的转速无关，但在高速时，同样的排气时间对应的曲轴转角将大为增加。为使气缸压力及时下降，必须加大排气提前角，否则将使自由排气阶段(以曲轴转角计)延长、排气消耗功增加。所以，随发动机转速的增加应相应增大排气提前角。自由排气阶段虽然占整个排气时间的比例不大，但由于排气流速很高，排出的废气量可达60%以上，一般持续到下止点后10º~30º(CA)结束。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，直到排气门关闭．这一过程就是强制排气阶段。由于气体在流动过程中要克服排气门、排气道以及消声器等处的流动阻力，缸内的气体压力要略高于排气管内的平均压力，而且气体流速越高，压力差也就越大。另一方面，由于气体在排气管内的压力波动，有可能形成压力逆差，即气缸压力低于排气管内的压力，这种情况往往出现在排气管较长时强制排气开始的初期。因此，缸内气体的状态由活塞的运动速度与位置、气门有效流通截面的变化规律以及排气管内的气体状态等共同决定。二、强制排气阶段随着活塞的上行，排气门流通截面开始逐渐减小，气体流经气门的节流作用加强，因而在上止点附近，气缸压力再次升高，其直接后果是，排气所消耗的功与缸内的残余废气量都增加了，这对于换气与燃烧过程都不利。因此，排气门不允许刚好在活塞到达上止点时关闭，而应当在上止点后一定角度时关闭，这就是排气迟闭。排气迟闭期间，可以利用缸内气体流动惯性从气缸内抽吸部分废气，实现过后排气，但由于到达上止点后活塞已开始下行，气缸容积不断增加，过大的排气迟闭会导致废气倒流。当废气从气缸流出的流动过程刚刚停止时，就是理想的排气门关闭时刻，排气门迟闭角为10º~70º(CA)。排气迟闭的必要性分析进气提前开启与迟后关闭的必要性分析三进气过程从进气门开启到关闭的全过程都是进气过程。为了使得在进气过程开始时，进气门有一定的流通截面，以减少进气过程的阻力，增加进入气缸的新鲜无量，进气门一般也在上止点前提前开启，称为进气提前，进气提前角为10º~40º(CA)。尽管如此，新鲜充量的真正吸入，要等到气缸内残余废气膨胀至低于进气管内压力才开始。刚开始时，由于活塞的下行运动造成缸内体积的膨胀，加上进气门开启还不充分，缸内的压力有一段短时间迅速降低，这为新鲜充量的顺利流入创造了条件。随着进气门流通截面积的加大，进入气缸的新鲜充量不断增加，加上已进入气缸的新鲜充量被温度较高的燃烧室表面和残余废气所加热，气缸压力逐渐升高。到进气终了，一部分充量的动能转变为压力能。三进气过程另—部分动能由于涡流和湍流而转变为热能，从而加热进气，于是新鲜充量的温度与压力都有所提高。为了利用在吸气过程中形成的进气管内气流的流动惯性，实现气缸的过后充气，进气门不在下止点关闭，而是在下止点过后的一定角度时延迟关闭，即进气迟闭。这样．有可能使得进气过程终了时，缸内压力等于或略高于进气管压力。进气迟闭角一般为20º~60º(CA)。高速时气流流动的惯性大，进气迟闭角应相应大一些。尽管利用过后充气可以有效地增加进入气缸的空气量，但过大的进气迟闭角，会使得低速时发生缸内气流倒流进入进气管的现象，也会影响有效压缩比，从而影响压缩终了温度，使发动机的冷起动困难。因此，合理的进气定时是十分重要的。（参见下图）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，通常将这一现象称为气门叠开，相应的角度是气门叠开角，它是排气迟闭角与进气提前角之和。气门叠开将导致：如果进气管压力大于排气管压力，新鲜充量在正向压力差的作用下流入气缸，与缸内残余废气进行混合后，部分可以直接排入排气管中。一方面，有利于扫除缸内的残余废气，增加气缸充量，达到扫气目的；另一方面，又可以降低燃烧室内气缸盖、排气门、活塞顶、缸套的温度。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。四、气门叠开和燃烧室扫气过程配气相位图对于点燃式内燃机而言，由于它是采用节气门来调节内燃机的功率，进气管内压力总是低于大气压，特别是在小开度时更是如此。叠开角过大时高温废气有可能倒流进入进气管乃至燃料供应系统中，引起进气管回火同时，由于新鲜充量中含有燃料，利用新鲜充量进行扫气将导致燃料的损失以及未燃碳氢排放物的增加，因此，这类内燃机的气门叠开角一般都是比较小的。在非增压柴油机中，其进气管内压力始终接近大气压力，因此可以允许采用较大的气门叠开角，增强扫气效果，以达到提高内燃机在常用转速范围内充量质量的目的。统计显示，一般非增压柴油机的气门叠开角在20º~50º(CA)范围内。内燃机的型式不同，气门叠开角的大小也有所差异对于增压柴油机而言：1、增压柴油机进气管内的压力在气门叠开期内总是高于排气管内的压力，因此总有一定数量的新鲜充量在正向压力差的作用下由进气管通过燃烧室后流入排气管中，以达到扫除燃烧室内残余气体的目的。2、增压柴油机的热负荷较非增压柴油机严重，适当的扫气冷却既有助于降低受热零件（如排气门）表面的温度．提高其可靠性，还可以降低增压器涡轮的进口温度。正因为燃烧室扫气有如此有利的作用，增压柴油机都采用比非增压柴油机大的气门叠开角，一般为80º~140º(CA)；内燃机的型式不同气门叠开角的大小也有所差异3、对于机械增压柴油机，由于进、排气压差大，且过多的扫气会加重压气机的负担而使机械效率降低，故其叠开角一般取较小值；4、对于涡轮增压柴油机，由于进、排气压差小，叠开角可取较大的值。但是，过大的叠开角可能会排气门与活塞发生相撞，活塞上的气旧让坑相应地要加深，从而直接影响燃烧空气体运动的合理组织以及压缩比的大小。而且，过多的扫气空气也会加重涡轮增压器的负担。内燃机的型式不同气门叠开角的大小也有所差异换气损失是实际循环所不可避免的损失，换气损失定义为理论循环换气功与实际循环换气功之差。对于不同类型的发动机而言，换气损失是不同的。图4—2是四冲程内燃机在非增压与增压条件下的换气损失示意图。在非增压内燃机中，理论循环的换气过程(图4—2a)是排气行程线与进气行程线重合，换气功为零；而在实际循环中，从排气门开启直到进气门关闭，发动机消耗在换气上的功(其值为负)如阴影面积所示(图4—2b)，它代表了有效功在换气过程中的损失。第二节四冲程内燃机换气损失对于增压内燃机而言，理论的换气过程(图4—2c)是经过压缩的新鲜充量以增压压力pb等压地流人气缸，而排气则以pT等压地排出，进气与排气压力值均高于大气压力，且pb＞pT。这样，换气过程所获得的功(其值为正)为图中的矩形面积所示；而实际的换气过程中(图4—2d)，换气过程所获得的功却是图中的封闭曲线面积，小于理论循环值，两者之差就是换气损失，其大小可由图4—2d中的阴影面积来表示。由于换气过程主要是由进气过程和排气过程所组成，因而其损失也是由进气损失和排气损失两部分组成。定义:从排气门提前开启，直到吸气行程开始、气缸内压力达到或接近进气管压力之前,在此阶段所损失的功称为排气损失。构成:它又可以分为两部分，即膨胀损失和推出损失，在图4—2b和图4—2d上分别以面积w和x来表示，前者是有效膨胀功的减少，后者是把排气推出所消耗的功。影响因素:(1)随着排气提前角的增大，膨胀损失增加，而推出损失功减小，这可以从图4—3所示的一台增压内燃机的示例中可以清楚地看出。因此，最有利的排气提前角，应当是使两者损大之和为最小。一．排气损失除了排气提前角以外，发动机的转速对排气损失影响也较大(图4—3b)。一般而言，转速增高时，发动机膨胀损失的增加幅度远远小于推出损失的增加幅度，而两者之和在总体上呈现增加的趋势。降低排气损失的主要方法:合理确定排气提前角，以有效地减少排气过程中的损失。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入新鲜充量的多少上，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。如图4—2b和图4—2d所示，由于进气道、进气门等处存在流动阻力损失，进气压力线位于大气压力线pT(非增压机)或增压压力线pb(增压机)之下，两者之差围成的阴影部分面积可分别用y表示。将它与排气过程中的损失相比，其值明显相对较小(图4—4)。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。二．进气损失换气损失由进气损失与排气损失所组成，对应图4—2中面积ω、y与x之和。从实际循环示功图的分析中可以发现，面积ω以及掺杂在面积x和y中的一小部分u(图中以交叉线表示)所表示的功损失，已经在求取平均有效压力时包括进去，故将换气损失中剩余的由面积x+y-u所表示的功损失，定义为泵气损失。在非增压内燃机中，泵气损失是由p—V图中换气过程封闭曲线面积所代表的负功来表示的，如以WP表示泵气损失，则