第六章 内燃机的换气过程

2020/1/201第六章内燃机的换气过程§6－1四冲程内燃机的换气过程§6－2提高充气效率的措施§6－3二冲程内燃机的换气过程及其品质评定2020/1/202§6－1四冲程内燃机的换气过程换气过程－将燃烧产物排出气缸和把新鲜充量充入气缸的过程。主要任务：尽量将燃烧产物排除干净，尽可能多地充入新鲜充量。2020/1/203一、换气过程分析根据换气过程的特征，可将四冲程内燃机的换气过程分为：（一）自由排气阶段（二）强制排气阶段（三）进气阶段（四）气门重叠和燃烧室扫气2020/1/204（一）自由排气阶段自由排气阶段－自排气门在b′点开启时至缸内压力p和排气管内压力pr相等时止，其特点是利用缸内和排气管内的压差排气。2020/1/205分析：1）排气门刚开启，超临界流动状态。2）排气门流通截面积不断增大，亚临界流动状态。2020/1/206注意：一般情况下，排气门都在下止点前某一曲轴转角提前开启，称为“排气提前”。相应的曲轴转角称为排气提前角，其范围约在下止点前30～60℃A。2020/1/207（二）强制排气阶段强制排气阶段－自缸内气体压力和排气管内气体压力相等时起至排气门关闭的点r″止，其特点试依靠活塞强制推挤将燃气排除气缸。2020/1/208注意：1）一般情况下，排气门在上止点后关闭，称为“排气延迟”。相应的曲轴转角称为排气延迟角，其范围约在上止点后10～80℃A。2）排气延迟期间，可以利用排气系统内的气流惯性从气缸中抽吸废气，但要防止废气倒流入气缸。3）废气从气缸向排气管的流动刚停止，倒流还没有发生的时刻，是排气门关闭的理想时刻。2020/1/209（三）进气阶段进气阶段－自进气门在点r′开启时起至点g″关闭时止，其特点是下行的活塞把充量吸入气缸。2020/1/2010注意：1）一般情况下，进气门在上止点前10～70℃A开启，称为“进气提前”，相应的曲轴转角称为进气提前角。2）一般情况下，进气门在下止点后30～60℃A关闭，称为“进气延迟”，相应的曲轴转角称为进气延迟角。3）对于某一确定转速，只有一个最佳进气延迟角；转速越高，最佳进气延迟角越大。2020/1/2011（四）气门重叠和燃烧室扫气活塞在上止点附近时进排气门同时开启，称为“气门重叠”，进气提前角和排气延迟角的和称为气门重叠角。缸内形成的空间就是活塞在上止点附近形成的燃烧室空间，也称为燃烧室扫气。2020/1/2012注意：1）气门重叠期间，新鲜充量在压力差作用下流入气缸，与缸内残余废气混合后，部分可以直接进入排气管；2）内燃机换气形式不同，气门重叠角的大小也不同；3）气门重叠角较大时，应注意避免气门和活塞发生碰撞。2020/1/2013二、换气过程的损失和泵气功非增压内燃机的理想换气过程的泵气功为零；增压内燃机的理想换气过程的泵气功为正功。2020/1/2014（一）换气损失换气过程的损失为进气损失和排气损失之和，其大小主要取决于进、排气系统流动阻力的大小和气门定时。对于增压增压柴油机还与废气涡轮增压器的匹配有关。2020/1/20151、排气损失从排气门提前开启，到吸气行程开始、气缸内达到或接近进气管压力之前，这一阶段所损失的功称为排气损失。2020/1/2016W－自由排气损失，是排气门提前开启而引起的膨胀功的减少；X－强制排气损失，是活塞把燃气推出气缸所消耗的功。2020/1/20172、进气损失进气过程中缸内气体的压力低于进气管内气体的压力，损失的功相当于Y所表示的面积，称为进气损失。2020/1/2018（二）泵气功四冲程内燃机，在进气行程和排气行程中缸内气体对活塞做功的代数和就称为泵气功。常用平均泵气压力表示泵气功的大小，其定义为：36sppVWp2020/1/2019泵气功就是示功图下方进、排气曲线所包围的面积X+Y-U。2020/1/2020三、换气过程的评价参数1、残余燃气系数γr2、补充进气比ξ3、充气效率ηv4、扫气系数φs5、平均进气马赫数Maim2020/1/20211、残余燃气系数γr残余燃气系数－进气过程结束时，气缸内的残余燃气质量mr与气缸内的新鲜空气质量之比mL，即46Lrrmm2020/1/20222、补充进气比ξ补充进气比－进气门关闭时气缸内的混合气质量mg与进气过程到下止点时气缸内的混合气质量mg′之比，即56'ggmm说明：补充进气比表示进气门延迟关闭期间补充进气对气缸充量的影响。2020/1/20233、充气效率（或充气系数）ηv充气效率－进气过程结束时，实际进入气缸的新鲜空气质量mL与在进气状态下能充满气缸工作容积的新鲜空气质量ms之比，即86sssLssLsLvpVRTmVmmm说明：充气效率是衡量进入气缸充量的多少和换气过程的完善程度的参数。2020/1/2024注意：对于非增压内燃机，进气状态取大气状态；对于增压内燃机，进气状态取增压器或中冷器之后的进气管状态。2020/1/20254、扫气系数φs扫气系数－每循环流经气缸总的空气质量mk与进气过程结束时实际进入气缸的新鲜空气质量mL之比，即106Lksmm说明：扫气系数是衡量扫气过程中新鲜空气利用程度的参数，一般在1.4～2.0之间选取。2020/1/20265、平均进气马赫数Maim平均进气马赫数－进气门开启截面Fv处的平均流速vvm与该处的音速a之比，即vvtevsvmvmimKRTaFVvavMa,176式中，Tv－进气门开启截面处的气体温度；Fvte－进气门有效时间截面值。2020/1/2027206612naFVaFVMavtmvsvtevsim式中，Fvte－进气门有效时间截面值；Fvtm－平均有效时间截面值；φ1、φ2－进、排气门开启和关闭时刻，对应的曲轴转角。2020/1/2028说明：1）平均进气马赫数考虑了进气过程的主要影响因素，是表示进气流动的特征参数。2）Maim接近0.5时进气门周围的流动到达临界状态，进气总管内产生气流阻塞现象。3）为保证进缸充量的数量，一般不允许Maim大于或等于0.5。2020/1/2029§6－2提高充气效率的措施可知：根据公式rgssgvTTpp111''影响充气效率的主要参数是进气过程到下止点时充量的压力pg′和温度Tg′，残余燃气系数γr和补充进气比ξ。2020/1/2030相应地提高充气效率的措施主要从四方面着手：1）降低进气系统的阻力损失，以增加pg′；2）降低排气系统的阻力损失，以降低γr；3）减少高温零件在进气过程中对新鲜充量的加热，以降低Tg′，提高ρg′；4）合理利用换气过程的动态效应，提高ξ，以增加pg′；此外，涡轮增压加中冷技术，也是提高ηv的有效措施。2020/1/2031一、降低进气系统流通阻力进气流通阻力包括管道摩擦阻力和局部阻力。1）内燃机的流道不长，壁面较光滑，其摩擦阻力不大；2）局部阻力是进气系统主要流动损失。2020/1/2032（一）降低进气门处的流动损失1、增大进气门处流通面积。2、改善气门和气门座处的气体流动特性。2020/1/2033（二）减少进气管道和空气滤清器的阻力1）对于进气管和进气道，应保证其有足够的流通截面，并合理设计通道型线，避免急转弯和流通截面积突变而产生阻力。2）对空气虑清器，应该在保证虑清效果的前提下，尽可能减小流通阻力。3）对于增压中冷内燃机，应注意设计流阻低、冷却效果好的中冷器。2020/1/2034二、降低排气系统流通阻力降低排气阻力，可以减少换气过程的排气损失，使缸内残余燃气压力下降，有利于提高充气效率和排气能量的利用。2020/1/2035三、减少对进气充量的加热新鲜充量在进气过程中，受到受热零件的加热，使进气终了时的充量温度Tg上升，密度ρg下降，从而导致充气效率下降。2020/1/20361）柴油机均采用进、排气管在气缸盖两侧布置的方案。2）汽油机常采用进、排气管同侧布置方案，但也有一些高速汽油机，为获得较高的ηv，而采用进、排气管在气缸盖两侧布置的方案。3）增压及中冷不仅可提高内燃机的动力性、经济性和排放性能，而且还可提高ηv。2020/1/2037四、合理利用换气过程中的动态效应（一）进排气管中的动态效应（二）可变进、排气系统（三）谐振充气系统（四）可变配气定时控制机构2020/1/2038（一）进排气管中的动态效应1、进气管中的动态效应2、排气管动态效应3、多缸内燃机中的动态效应2020/1/2039（二）可变进、排气系统1、可变进气管长度进气系统2、可变进气道截面进气系统3、可变排气道截面排气系统2020/1/20401、可变进气管长度进气系统一个长度固定的进气管，只能在一定的转速范围内有较好的动态充气效果：较短的进气管，在高速时有充气效果较好，较长的进气管，在低速时充气效果较好。可变长度的进气管，可使内燃机在较宽的转速范围内都有较好的充气效果。2020/1/20412020/1/20422020/1/20432、可变进气道截面进气系统低速时，较小的进气道流通截面，使气体流速增加，有较好的动态充气效果，ηv较高；高速时，较大的进气道流通截面，使气体的流动阻力减小，ηv也较高。2020/1/20442020/1/20452020/1/20463、可变排气道截面排气系统2020/1/2047可变节流阀的开启度随汽油机转速而变化，以便提供最优的流通截面，在气门重叠期间，在排气门处产生负压，利用惯性清扫燃气，多进新鲜充量，提高ηv，从而改善怠速稳定性和高速、强化汽油机的低中速范围内的扭矩特性。2020/1/2048（三）谐振充气系统谐振充气系统是将一组点火间隔相等的气缸，通过较短的进气管和谐振箱连接在一起，在进气波动的频率和进气系统固有频率相等时，取得较好的充气效果。2020/1/2049注意：1）为了保证各缸的进气不发生干扰，谐振充气系统一般要求气缸的点火间隔为240°CA。2）对于不可变进气系统，谐振充气只有在很窄的转速范围内才有较好的充气效果；对于可变进气系统，谐振充气可在较大的转速范围内具有较好的充气效果。2020/1/2050图（a），两个谐振箱由两个谐振管连接在一起，其中一个谐振管可以关闭。当这个谐振管打开时，谐振管的截面增加，谐振频率提离。图（b），气波充气和谐振充气相结合，在中、低转速时，中间阀门关闭，进气系统是两个谐振转速较低的谐振充气系统；在高转速时，阀门打开，进气系统是短进气道的气波充气系统。2020/1/2051（四）可变配气定时控制机构1、VTEC机构2020/1/2052VTEC系统由中间摇臂，主、副摇臂及同步活塞A、B，以及三种不同的凸轮等组成。中间摇臂高速用，主、副摇臂低速用。设有空动机构弹簧，用于低速时消除游隙，高速时使气门工作圆滑。2020/1/2053发动机低速工作时，在二个低速凸轮中间布置一个高速凸轮，低速凸轮单独驱动气门，高速凸轮虽然也驱动中间摇臂，但中间摇臂并不驱动气门。发动机高速工作时，液压油的压力驱动液压活塞，使三个摇臂结合合成一体，这时三个摇臂都被高速凸轮所驱动，高速凸轮的气门开启时间长，升程大。2020/1/20542、电磁控制全可变气门机构德国EFV内燃机技术公司发明的电磁控制全可变气门机构，结构简单，能耗低，不仅能改变进气定时也能改变气门最大升程和升程曲线。2020/1/2055§6－3二冲程内燃机的换气过程及其品质评定一、二冲程与四冲程内燃机换气过程的比较二、换气系统的基本类型三、换气过程四、二冲程内燃机换气质量的评价指标2020/1/2056一、二冲程与四冲程内燃机换气过程的比较二冲程内燃机的工作循环是由换气－压缩和膨胀－换气行程来完成的。在整个换气过程中，几乎不存在活塞的吸排作用。利用废气能量排气，并以曲轴箱或单独的扫气泵将新鲜充量压入气缸，扫除残余燃气。2020/1/20571、换气角度小，时间短，但气门重叠角大，耗气量大，采用纯燃气涡轮增压较困难。2、换气质量较差，残余燃气系数较大，排气压力波动强烈。3、排吸能力强，但变工况适应性差。4、