摩托车发动机原理 第二章 四冲程发动机的换气过程

第二章四冲程发动机的换气过程第二章四冲程发动机的换气过程换气过程排气过程进气过程换气过程的任务排除废气充入尽可能多的新鲜工质研究的内容换气过程的进行情况分析影响充气量的各种因素提高充气量减少换气损失方向与措施。找出第一节四行程发动机的换气过程一、换气过程四行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。换气过程的目的：•最大限度地吸入新鲜充量—φc是核心问题•最小的换气损失•各缸进气均匀性•在缸内形成合理的流场,以控制混合气形成和燃烧换气过程自由排气强制排气进气气门叠开1．自由排气阶段排气门开启到气缸压力接近了排气管压力的这一时期，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称为，一般为30º~80º曲轴转角。自由排气阶段超临界状态亚临界状态（1）超临界状态排气门开启时，气缸内废气压力较高（0.2~0.5Mpa），缸内压力与排气管压力之比＞1.9，排气流动处于超临界状态，可利用废气自身的压力自行排出。通过排气门口废气的流速等于该状态下的音速（m/s）式中K——绝热指数；T——气体的绝对温度；R——气体常数〔N•m/（kg·K）〕。KRTc在超临界排气时期，废气流量与排气管内压力pr无关，只与气缸内的气体状态及气门开启截面积有关。并且因排气流速甚高，在排气过程中伴有刺耳的噪声，所以排气系统必须装有消声器。排出的废气量决定于气缸内及排气管内的压力差。压力差越大排出废气越多。当到某一时刻气缸内与排气管内压力相等，自由排气阶段结束（一般下止点后10º~30º曲轴转角）。此阶段虽然历程很短，但因排气流速甚高，排出废气量达60%以上。（2）亚临界状态缸内压力与排气管内压力之比下降到1.9以下时，排气流动转入亚临界状态，废气流速降低，产生的噪音较小。高速发动机其排气提前角要大一些：在自由排气阶段中，排出的废气量与发动机转速无关。发动机转速高时，在同样的排气时间（以秒计）所相当的曲轴转角增大，因此，高速发动机排气提前角要大。。但不宜过大，否则会使排气损失加大。2．强制排气阶段：活塞上行强制推出废气。缸内平均压力高于排气管平均压力：克服排气门、排气道处的阻力，一般高出10kpa左右。气体的流速越高，此压差越大，消耗的功越多。惯性排气。排气迟闭角，一般为10º~35º曲轴转角。正常进气：活塞下行残余废气膨胀，新鲜气体充入气缸。惯性进气。进气迟闭角：一般为40º～70º曲轴转角。准备进气。进气提前角：一般为0º~30º曲轴转角4.气门叠开：进、排气门同时开启。作用：由于进气管、气缸、排气管互相连通，可以利用气流的压差、惯性或进、排气管压力波的帮助，清除残余废气，增加进气量，降低高温零件的温度，但注意不应产生废气倒流现象。叠开角：进、排气门同时开启时对应的曲轴转角，一般为20º～80º曲轴转角。在增压发动机可达80º~160º的曲轴转角。因其进气压力高。二、换气损失换气损失由排气损失和进气损失两部分组成。1.排气损失排气损失是从排气门提前打开，直到进气行程开始，气缸内压力到达大气压力之前，循环功的损失。（1）自由排气损失（图中面积W），是由于排气门提前打开而引起的膨胀功的减少。（2）强制排气损失（图中面积Y），是活塞上行强制推出废气所消耗的功。减少排气损失的主要措施是：减小排气系统阻力和排气门处的流动损失。随着排气提前角增大，自由排气损失面积增加，强制排气损失面积减小，如图中b曲线，如排气提前角减少则强制排气损失面积增加，如图中c曲线。所以最有利的排气提前角应使面积（W+Y）之和最小。2．进气损失进气损失：因进气系统的阻力而引起的功的损失。排气损失与进气损失之和称换气损失，即图中面积(W+X+Y)。在实际循环示功图中把面积(x+y-d)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。第二节四行程发动机的充气效率一、充气效率充气效率是实际进入气缸的新鲜工质的质量与进气状态下充满气缸工作容积的新鲜工质的质量的比值式中m1、V1—实际进入气缸的新鲜工质的质量、体积（进气状态）；ms、Vs—进气状态下充满工作容积的新鲜工质的质量、气缸工作容积。ssvvvmm11二、影响充气效率的因素（一）充气效率ηv的表达式1）进气门关闭时缸内气体的总质量ma假定进气门关闭时气缸容积为（Vs’+Vc），此时缸内气体压力、温度、密度为Pa、Ta、ρa，则缸内气体的总质量为ascavvm'2）排气门关闭时缸内残余废气的质量假定排气门关闭时缸内体积为Vr，残余废气的压力、温度、密度为Pr、Tr、ρr，则残余废气的质量为rrrvm3）充入气缸新鲜充量的质量为rrascssvvvvv'ssrrascvvvvv'经变换推导得111aassvTppT式中Pa、Ta——进气状态的温度和压力；Ts、Ps——进气终了时的气体温度和压力；——残余废气系数，即进气过程结束时气缸内残余废气量与气缸内新鲜充量的比值；——压缩比。scscvvvv'ssvrvm（二）影响充气效率的因素1．进气终了时的压力PaPa对有重要影响，Pa愈高，值愈大Pa=Ps--△Pa式中，△pa为气体流动时，克服进气系统阻力而引起的压降(kPa)。一般可写成△式中——管道阻力系数；——进气状态下气体的密度；V——管道内气体的流速（m/s）。可见，△pa主要取决于各段管道的阻力系数和气体流速。若大、高时，△pa增加，使pca下降。vv22vpa转速和负荷对进气压力的影响1）转速当节气门位置一定时，n增加，Pa降低。2）负荷汽油机：当节气门关小时，节流损失增加，引起Pa下降。且Pa随转速的增加而下降的愈快，即曲线变化愈陡。柴油机：负荷调节为“质调节”，负荷减小时Pa变化很小。2．进气终了的温度Ta进气终了的温度Ta高于进气状态温度。引起Ta升高的原因是:1）新鲜工质进入发动机与高温零件接触而被加热。2）新鲜工质与高温残余废气混合而被加热。3）在化油器式汽油机上，为了使液体燃料在进气管中蒸发，以便均匀地与空气混合而进入气缸，一般都采用废气或冷却水热量对进气管加热，故空气经过进气管时受热而温度升高。措施：将高温排气管与进气管分置于气缸两侧，控制进气预热，适当加大气门叠开角等，均有利于降低Tca。转速和负荷对Ta的影响1）转速：当负荷不变而转速增加时，由于新鲜工质与缸壁等接触时间短，传热量少，所以Ta稍有下降。2）负荷：当转速不变而增加发动机负荷时，缸壁等零件温度升高，Ta有所上升。3.残余废气系数1）增加，降低，燃烧恶化，油耗、排放增加，2）压缩比提高，残余废气系数减小。3）排气压力高，废气多，充气效率降低。4）排气系统阻力大，排气压力高，废气多。v4．4.配气定时由的计算公式可见，由于进气门迟闭而＜1,新鲜充量的容积减小,但Pa值却可能因有气流惯性而使进气有所增加,合适的配气定时应考虑ξPa具有最大值。5．5.压缩比压缩比增加,压缩容积减小,残余废气量随之减小,因而有所增加。v第三节提高充气效率的措施进气系统：空气滤清器或加进气消声器、化油器或喷油器、节气门、进气管、进气道和进气门等组成。减少各段通道的阻力，增大其流通能力，是提高充气效率，改善发动机性能的主要途径。一、进气门1.时面值气门开启断面与对应开启时间的乘积称为气门开启的时面值。它表示气体流过气门的通过能力。气门开启时间长，开启断面大，则气门开启时面值大，气流通过能力越强，阻力越小。增大进气门头部直径，减小气门头部锥角，增大气门升程，延长气门开启时间，均可扩大气门开启时面值。2.进气马赫数M进气马赫数M是进气门气流平均速度Vm与该处音速C之比，即M=Vm/C。M是决定气流流动性质的重要参数。M值反映气体流动和气门结构尺寸的关系，对充气效率有重要的影响。根据一系列试验可知，在正常的配气定时条件下，当超过一定数值时，大约在0.5左右，充气效率急剧下降。因此在可能条件下应控制在最高转速时不超过一定数值，以达到提高充气效率的目的。3.气门直径和气门数进气门直径增大,扩大气流通路截面积增加，ηv提高。双气门（一进一排）：进气门直径可达活塞直径的45%~50%，气门与活塞面积之比为0.2~0.25，进气门比排气门大15%~20%。受结构限制，进一步增大比例已很困难。多气门结构：缸径大于80mm时，采用二进二排结构；缸径小于80mm时，采用三进二排结构。四气门机与二气门机相比，功率可提高70%，扭矩可提高30%，且响应性比增压机好，故是汽车发动机高功率化的有力措施。4.气门升程气门升程增加、改进凸轮型线、减小运动件质量、增加零件刚度，在惯性力允许条件下使气门开闭尽可能快，以增大时面值，提高充气效率。最大气门升程与阀盘直径之比L/d取0.26~0.28。5.减少气门处的流动损失二、进气道和进气管保证足够的流通面积，避免转弯及截面突变，改善表面的光洁程度。汽油机：燃料的雾化、蒸发、分配、压力波的利用柴油机：形成进气涡流高转速、大功率时，进气管宜短粗；中、低速，进气管宜细长。三、空气滤清器第四节合理选择配气定时在配气定时各参数中，进气门迟闭角的改变，对充气效率ηv影响最大。ηv在某一转速下达到最高值，此转速下能最好地利用气流的惯性充气。进气迟闭角增大，ηv最大值对应的转速增加排气提前角：保证排气损失最小的前提下，尽量晚开排气门。转速增加，排气提前角增大。气门叠开角：可以增加循环充量，提高充气效率，降低高温零件的热负荷，减少NOx。第五节进气管的动态效应动态效应•由于间歇进、排气，进、排气管存在压力波，在用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。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，从负压波发出到正压波返回进气门所经历的时间，正好与进气门从开启到关闭所需时间配合，即正压波返回进气门时，正值进气门关闭前夕，从而提高了进气门处的进气压力，达到增压效果。进气管波动效应•当进气门关闭后，进气管的气柱还在继续波动，对各气缸的进气量有影响，这称为波动效应。•进气门关闭时，进气管内流动的空气因急速停止而受到压缩，在进气门处产生正压波，该波在进气管内来回传播。如果使正压波与下一循环的进气过程重合，就能使进气终了时压力升高，因而提高充气效率。转速与管长（一）•压力波的固有频率f1（1/s）为:•当发动机转速为n（r／min）时，进气频率f2（1／s）为:*14Lcf1202602nnf转速与管长（二）•对惯性效应，发动机进气周期应与压力波半周期相配，即:•对波动效应:•当时，正好与正的压力波相重合，使ŋv增加。当q2=1，2……时，开启期间正好与负的压力波重合，使ŋv减小。*211602nLcffq*21230nLcffq.....212,2112q排气管动态效应•排气管内也存在压力波。•且排气能量大，废气温度高，故与进气相比，排气压力波的振幅大，传播速度快。•若能在排气过程后期，特别是气门叠开期，使排气管的气门端形成稳定的负压，便可减少缸内残余废气和泵气损失，并有利于新气进入气缸。•需要配以长的管路．应考虑排气管与消声器、排放装置的组合及车体的安装空间。排气管动态效应－－二冲程排动效应管第二章作业题（发动机的换气过程）[1]画出发动机的配气相位图，并标明各部分名称。[2]简述排气过程的各种划分方法。[3]非增压发动机和增压发动机的气阀叠开角有何不同？为什么？[4]简述燃烧室的扫气作用。[5]什么是充气效率？怎样确定一台发动机的充气效率？[6]试根据充气效率的分析式，说明提高充气效率的措施。[7]试述转速和负荷是如何影响充气效率