发动机的换气过程

第二章发动机的换气过程EngineGasExchangeProcess下止点上止点•换气过程排气过程进气过程•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•换气过程的任务排除废气充入尽可能多的新鲜工质功耗要少主要内容第一节四冲程发动机的换气过程第二节四冲程发动机的充量系数第三节提高发动机充量系数的措施作业及复习题第一节四冲程发动机的换气过程一、换气过程：四冲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。p25换气过程可分作自由排气、强制排气、进气和燃烧室扫气四个阶段。四冲程发动机换气过程的典型曲线1、自由排气阶段：从排气门开启到气缸压力接近于排气管内压力的时期，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、发动机转速无关，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。（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。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。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。•一般排气提前角为30º~80º曲轴转角。•随发动机转速的增加应相应增大排气提前角。•一般持续到下止点后10º~30º(CA)结束。•自由排气阶段排出的废气量可达60%以上。2、强制排气阶段：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。•缸内平均压力要略高于排气管内的平均压力。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。•一般排气门迟闭角为10º~35º(CA)。惯性排气3、进气过程：从进气门开启到关闭的全过程•准备进气：进气提前角一般为0º~40º(CA)。•正常进气：新鲜气体充入气缸。•惯性进气：进气迟闭角一般为40º~70º(CA)。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。4、气门重叠和燃烧室扫气过程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，称为气门重叠，相应的角度是气门重叠角，它是排气迟闭角与进气提前角之和。•一方面，有利于扫除缸内残余废气，增加进气量，特别是增压发动机，扫气更明显；•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。作用：气门重叠角的选择以新鲜充量不流入排气管为原则。增压柴油机都采用比非增压柴油机大的气门重叠角，一般为80º~160º(CA)；气门重叠角过大，会使气门与活塞发生相撞，一般非增压柴油机的气门叠开角在20º~60º(CA)范围内。•换气损失排气损失进气损失二、排气损失定义:从排气门提前开启，直到进气行程开始、缸内压力到达大气压力之前,所损失的循环功。构成:a.自由排气损失W：由于排气门提前打开而引起的膨胀功的减少。b.强制排气损失Y：活塞上行强制推出废气所消耗的功。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，因此，最有利的排气提前角，应当是使两者损大之和(W+Y)为最小。(2)发动机的转速增高时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:减小排气系统的阻力和排气门处的流动损失。三、进气损失X进气损失主要是指进气过程中，因进气系统的阻力面引起的功的损失，与排气损失相比进气损失较小。•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。排气损失与进气损失之和称为换气损失(W十Y十X)。泵气损失（X+Y-u）：在实际循环示功图中把面积(x+y-u)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。•一般而言，所有减少换气损失的措施以及以后将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，由于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。第二节四冲程发动机的充量系数换气的目的是尽量排净废气，最大限度充入新气，以完善燃烧，提高效率。评价发动机的换气质量，可用充量系数(充量效率、容积效率)、残余废气系数来衡量。一、充量系数φc定义：内燃机每缸每循环实际进入气缸的新鲜空气质量与进气状态下理论计算充满气缸工作容积的空气质量比值。进气状态：指空气滤清器后进气管内的气体状态，即进人气缸前气体的热力学状态，如温度与压力等。非增压：通常取为当地的大气状态。增压：增压器出口状态。式中：ma实际进入气缸的新鲜空气质量V1实际进入气缸的新鲜空气在进气状态下的体积ms进气状态下理论计算充满气缸工作容积的空气质量Vs气缸工作容积ssacVVmm1＜1一般非增压发动机在全负荷时的φc汽油机顶置气门：0.75~0.85侧置气门：0.70~0.80柴油机0.75~0.90二、影响充量系数的因素1）进气门关闭时，缸内工质的总质量ma′：进气门关闭时气缸容积：（Vs’+Vc），则'')('ascaVVm式中：进气门关闭时气缸工质的密度'a2）排气门关闭时缸内工质的质量mr′排气门关闭时缸内体积为Vr′，则'''rrrVm式中：排气门关闭时气缸工质的密度'r3）每循环充入气缸新鲜充量的质量m1为残余废气''')('1rrascVVVm4)进入气缸的混合气量：bagmm1式中：循环燃料量bg又，0LLa则：100)1(mLLmaaa令：001LLKaaaaK混合气的空气量比例系数])[(''''rrascasscVVVKV令scscVVVV'crVV')()1(''racscacK)()1(''''rraacsscacTpTppTK式中：p、T的下标s、a’、r’分别代表大气和进、排气门管比时缸内压力和温度的状态。残余废气系数：进气过程结束时气缸内残余废气量与进入气缸内的新鲜空气的比值。])[('''''''rrascarrarVVVKVmmr影响充量系数的因素有进气的状态、进气终了的汽缸压力和温度、残余废气系数、压缩比及进排气相位角等。（二）影响充气效率的因素1．进气终了时的压力Pa’Pa’对φc有重要影响，Pa’愈高，φc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）。22vpa可见，△pa主要取决于各段管道的阻力系数和气体流速。若大、V高时，△pa增加，使pa’下降。•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’Ta’高于进气状态温度，Ta’越高，充入气缸的工质密度越小，φc值愈低。•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。•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。•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Ta’。3.残余废气系数1）增加，φc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。4．配气定时由于进气门迟闭而＜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．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φc有所增加。6.进气状态第三节提高发动机充量系数的措施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。提高充量系数措施降低进气系统的阻力损失，提高气缸内进气终了时的压力pa降低排气系统的阻力损失，以减小缸内的残余废气系数φr减少高温零件在进气系统中对新鲜充量的加热，以降低进气终了时的充量温度Ta重要结构一定,即εc一定合理选择相位角谐振进气与可变进气支管进气阻力沿程阻力局部阻力管道摩擦阻力管长和管内流动面上的表面质量有关它是由于流通截面大小、形状以及流动方向变化，在局部产生涡流损失所引起的(一)降低进气系统的流动阻力进气系统的构成沿程阻力局部阻力进气阻力沿程阻力并不大管道较短，壁面比较光滑流道中的主要损失它由一系列的局部阻力叠加而成进气门座处空气滤清器流道转弯处降低进气系统的流动阻力的措施1、降低进气门处的流动损失2、减少进气道、进气管、空气滤清器的阻力1．降低进气门处的流动损失进气门座处局部阻力最大2sssvp阻力系数ξ有关与该处的流动速度vs的平方成正比降低进气门处的流动损失，可以从降低气门座处的流速和改善气门座处的流动情况以提高流量系数入手解决forwardreturn补充•过高的气体流速，还会发生气体阻塞现象。考察气门座处的流动情况，并定义平均进气马赫数M。p30进气平均马赫数Ma综合了进气门大小、形状、升程规律以及活塞速度等因素，并且其大小与发动机的转速成正比。研究发现，对于小型四冲程发动机，当M超过0.5后，充量系数急剧下降(参见图)。减小进气门流通截面处流动损失的具体措施加大进气门直径增加进气门数目合理设计进气道及气门的结构由于进气过程的重要性，一般应尽可能布置较大尺寸的进气门，以降低流经进气门截面时的气体流速，从而降低局部流动阻力。在现代高速内燃机2气门结构中，进气门直径d与缸径D的比值可达45%~50%。面积比为0.2~0.25，这样排气门不得不缩小，但过小的排气门又会导致排气阻力的增大。因此，通过加大进气门直径的方式来提高充量系数，是受到限制的。(1)加大进气门直径增加进气门数，可以取得与加大进气门直径同样的效果，即增大了进气门的有效流通截面积。高速柴油机以往仅在缸径大于120mm时才考虑采用两进（进气门)、两排(排气门)即4气门的可能性；现在对于D=80~90mm的柴油机，也认为采用4气门利大于弊。•除了换气损失小、充量系数高以外，喷油器的垂直中置对混合气形成极为有利。•4气门柴油机对具有进气中冷的高增压系统也非常合适•对于汽油机来说．其效果也是相当好的(表4—1)。(2)增加进气门数目采用两进、两排的气门结构后，进气门面积之和可以达到气缸面积的30%，几