第四章(1节)四冲程换气过程

第四章内燃机的充量更换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，亦称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：已燃气体是否排尽、进入气缸的新鲜充量是否充分。充量更换过程完善程度：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，与发动机运行状态也有关系。另外，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，因此，增压也是本章介绍的一个重点。第一节四冲程内燃机的换气过程下图是四冲程内燃机在换气过程中，气缸压力、排气管压力随曲轴转角的变化（a图），以及相应低压示功图（c图）（p-V图）。从（a）图中可以看出：排气门开启后，燃气从气缸急速流入排气管，气缸压力很快下降，直到排气上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，进、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，下面分别介绍各阶段的特点、分析换气损失、提出提高充量系数的措施。一、自由排气阶段由于机械式配气机构的特点，气门开启过程中，其流通截面的增加是一个逐渐增加的过程。如果排气门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，内燃机排气门都须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。排气提前角一般为30°-80°（CA）。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。在气门开启时间内，流经气门的气体质量流量与气门前后的状态关系式为（与式3-11类似）：（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：亚临界流动（4-2）超临界流动IIpAnddm611111121212121212kkkkkkkkkppkkkkppppppkkⅠⅡⅠⅡⅠⅡⅠⅡ＞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。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。显然，在自由排气阶段中流出的气体质量，不仅与排气门有效流通截面有关，还与缸内、排气管内的压力差有关。112kkk112kkk一般情况下，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，排出的废气量可达60%以上，一般持续到下止点后10°～30°（CA）结束。二、强制排气阶段自由排气阶段结束后，气缸内废气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。在这一流动过程中，要克服排气门、排气道以及消声器等处的流动阻力，所以，缸内气体压力要略高于排气管内平均压力，气体流速越高，压力差也就越大。因排气管内存在压力波动，气缸压力可能会低于排气管内压力。这在排气管较长时的强制排气初期易出现。实际缸内压力由活塞速度及位置、气门有效流通截面变化和排气管内气体状态等共同决定。在排气过程中后期，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，当达到上止点附近时，气缸压力再次升高，这样，排气所消耗的功与缸内的残余废气量都增加了，对换气与燃烧过程都不利。因此，排气门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，上止点后，由于活塞已开始下行，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上时，就是理想的排气门关闭时刻，排气门迟闭角为10-70°（CA）。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，增加进入的新鲜充量，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10°～40°（CA）。在进气过程中，新鲜充量真正吸入，要等到气缸内残余废气膨胀到低于进气管内压力才开始。在进气初期，活塞下行造成缸内体积的膨胀，加上气门开启还不充分，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加大，进入气缸的新鲜充量不断增加，另外，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，由于涡流和湍流的作用，另一部分动能转变为热能，从而加热进气，于是新鲜充量的温度与压力都有所提高。为了利用进气管内气流的流动惯性，进气门在下止点过后的一定角度时延迟关闭，即进气迟闭，以实现气缸的过后充气。这样，有可能在进气过程终了时，使缸内压力等于或略高于进气管压力。进气迟闭角一般为20°～60°（CA），高速时应大一些。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，会减少有效压缩比，使发动机的冷起动困难。四、气门叠开和燃烧室扫气过程因为进气门提前开启与排气门延迟关闭，都位于排气上止点前后，这样就会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。在气门叠开期间，进气管、气缸、排气管三者直接相通，此时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。在正向压力差的作用下，有利于扫除缸内的残余废气，增加气缸充量，达到扫气目的；同时又可以降低燃烧室内气缸盖、排气门、活塞顶、缸套的温度，虽然带走的热量不多，但对于受热严重、冷却困难的高温零件，效果是显著的。气门叠开角的大小对于不同型式的内燃机，也有所差异。对于点燃式内燃机：由于采用节气门来调节内燃机的功率（量调节），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，故这类内燃机的气门叠开角一般都是比较小的。对于非增压柴油机：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。一般非增压柴油机的气门叠开角在20°～50°（CA）范围内。对于增压柴油机：在一般情况下，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。同时，增压柴油机的热负荷较非增压柴油机严重，适当的扫气冷却不仅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。所以，增压柴油机都采用比大的气门叠开角，一般为80°～140°（CA）。对于机械增压柴油机：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。对于涡轮增压柴油机，进、排气压差小，叠开角可取较大的值。但过大的叠开角可能会使气门与活塞发生相撞，活塞上的气门避让坑相应地要加深，将直接影响燃烧室气体运动合理组织以及压缩比大小。而且，过多扫气空气也会加重涡轮增压器的负担。对于高速内燃机：较大气门叠开角也有较大的优点，对于提高缸内充量是十分显著的。五、换气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。不同类型的发动机，换气损失是不同的。下图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。非增压：理论循环-图a-换气功为零；实际循环-图b-换气功为负-阴影面积。增压：理论循环-图c-换气功为正-矩形面积，因pb＞pT；实际循环-图d-换气功为正-封闭曲线面积，但小于理论循环换气功，两者之差为换气损失（图d中阴影面积）。换气过程主要是由进气过程和排气过程所组成，所以，换气损失也是由进气损失和排气损失两部分组成。1、排气损失从排气门提前开启，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。它又可以分为两部分，即膨胀损失功面积ω和推出损失功面积x，如上图b和图d上所示，前者是有效膨胀功的减少，后者是排气推出所消耗的功。下面讨论不同的排气提前角和发动机转速对排气损失的影响。下图a表示：排气提前角增大，膨胀损失功增加，而推出损失功减小。因此，最有利排气提前角，应当是两者损失之和为最小。下图b表示：发动机转速对排气损失影响也较大。一般转速增高时，发动机膨胀损失功增加的幅度远远小于推出损失功增加的幅度，两者之和随转速增加，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；采用双排气门，可以有效地减少排气过程中的损失。2、进气损失进气损失体现在两点：一是进气过程消耗有效功；二是进气过程吸入新鲜充量有多少（更重要）。前者对于内燃机热效率及功率影响不大（绝对数值不大），但后者对内燃机性能有显著的影响。进气损失功可用阴影面积y表示，见前面图4-2b和图4-2d，这是因为进气道、进气门等处存在流动阻力损失。对于非增压机：进气压力线总是位于大气压力线p0之下；对于增压机：进气压力线总是位于增压压力线pb之下；图4-4上给出了换气损失随转速的变化，可以看出，进气损失相对于排气损失，其值明显相对较小。减少进气损失的措施：合理配气定时；加大进气门流通截面；正确设计进气管及进气管流动路径；降低活塞平均速度等。3、泵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。泵气损失定义：在实际循环示功图中，面积ω和掺杂在面积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，在求取平均指示压力时已经包括进去。因此，将换气损失中由面积x+y-u所表示的功损失，定义为泵气损失。对于非增压内燃机：泵气损失由p-V图中换气过程封闭曲线面积所代表的负功来表示的，即Wp=(x+y-u)Lp式中，Lp为示功图的比例系数。对于增压内燃机：因进气压力高于大气压力，所以，换气过程封闭面积是有用功，它将对内燃机的效率产生正面的影响。增压内燃机泵气损失越小，则这块面积就越大。因此，泵气损失是由增压压力和涡轮排气压力所围成的矩形面积与封闭曲轴面积之差，其计算式如下：（矩形面积）（封闭面积）一般用平均泵气压力pp来表示泵气损失的大小，其定义为（4-3）显然，所有减少换气损失的措施以及以后要讨论到的提高充量系数的途径，对降低泵气损失都是有利的。另外，二冲程内燃机没有单独的进排气活塞行程，所以泵气功为零。psTbpLuyxVppW)(sppVWp六、充量系数分析式充量系数（充气效率）：它是衡量内燃机充气性能的一个重要指标。定