汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理 第二章 發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過(guò)程

1、第二章第二章 發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過(guò)程Process in Engine Exchanging Gas 第一節(jié)第一節(jié) 四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過(guò)程四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過(guò)程第二節(jié)第二節(jié) 四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的充量系數(shù)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的充量系數(shù)第三節(jié)第三節(jié) 提高發(fā)動(dòng)機(jī)充量系數(shù)的措施提高發(fā)動(dòng)機(jī)充量系數(shù)的措施 作業(yè)及復(fù)習(xí)題作業(yè)及復(fù)習(xí)題下止點(diǎn)上止點(diǎn)第一節(jié)第一節(jié) 四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過(guò)程四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過(guò)程一、一、換氣過(guò)程換氣過(guò)程： 四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過(guò)程包括四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過(guò)程包括從排氣門從排氣門開(kāi)啟到進(jìn)氣門關(guān)閉開(kāi)啟到進(jìn)氣門關(guān)閉的整個(gè)時(shí)期。約占的整個(gè)時(shí)期。約占410 480曲軸轉(zhuǎn)角。曲軸轉(zhuǎn)角。p25 換氣過(guò)程可分

2、作換氣過(guò)程可分作自由排氣自由排氣、強(qiáng)制排氣、強(qiáng)制排氣、進(jìn)氣進(jìn)氣和和燃燒室掃氣燃燒室掃氣四個(gè)階段。四個(gè)階段。1、自由排氣階段、自由排氣階段 從排氣門開(kāi)啟到氣缸壓力接近于排氣管內(nèi)壓力的從排氣門開(kāi)啟到氣缸壓力接近于排氣管內(nèi)壓力的時(shí)期，稱為時(shí)期，稱為。 排氣提前角排氣提前角：從排氣門開(kāi)啟到活塞行至下止點(diǎn)：從排氣門開(kāi)啟到活塞行至下止點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，一般為所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，一般為3080曲軸轉(zhuǎn)角。曲軸轉(zhuǎn)角。2 2、強(qiáng)制排氣階段、強(qiáng)制排氣階段 自由排氣階段結(jié)束后，氣缸內(nèi)的廢氣將被上自由排氣階段結(jié)束后，氣缸內(nèi)的廢氣將被上行活塞強(qiáng)制推出，這一過(guò)程就是行活塞強(qiáng)制推出，這一過(guò)程就是。 排氣遲閉角排氣遲閉角：從上

3、：從上止點(diǎn)止點(diǎn)到排氣門完全關(guān)閉終了所到排氣門完全關(guān)閉終了所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，一般為對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，一般為1035曲軸轉(zhuǎn)角。曲軸轉(zhuǎn)角。3 3、進(jìn)氣過(guò)程、進(jìn)氣過(guò)程從進(jìn)氣門開(kāi)啟到關(guān)閉的全過(guò)程從進(jìn)氣門開(kāi)啟到關(guān)閉的全過(guò)程準(zhǔn)備進(jìn)氣準(zhǔn)備進(jìn)氣：進(jìn)氣提前角一般為進(jìn)氣提前角一般為004040。正常進(jìn)氣正常進(jìn)氣 ：新鮮氣體充入氣缸。：新鮮氣體充入氣缸。慣性進(jìn)氣慣性進(jìn)氣：進(jìn)氣遲閉角一般為進(jìn)氣遲閉角一般為40407070。4 4、氣門重疊和燃燒室掃氣過(guò)程、氣門重疊和燃燒室掃氣過(guò)程 在排氣行程上止點(diǎn)附近出現(xiàn)進(jìn)、排氣門同時(shí)開(kāi)啟在排氣行程上止點(diǎn)附近出現(xiàn)進(jìn)、排氣門同時(shí)開(kāi)啟的特殊現(xiàn)象，稱為的特殊現(xiàn)象，稱為，相應(yīng)的角度是氣門重，相應(yīng)

4、的角度是氣門重疊角，它是排氣遲閉角與疊角，它是排氣遲閉角與 進(jìn)氣提前角之和。進(jìn)氣提前角之和。氣門重疊角的選擇以新鮮氣門重疊角的選擇以新鮮充量不流入排氣管為原則充量不流入排氣管為原則。 增壓柴油機(jī)增壓柴油機(jī)的氣門重疊角的氣門重疊角一般為一般為80160； 非增壓柴油機(jī)非增壓柴油機(jī)的氣門疊開(kāi)的氣門疊開(kāi)角在角在2060范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。二、排氣損失二、排氣損失從排氣門提前開(kāi)啟，直到進(jìn)氣行程開(kāi)始、缸內(nèi)壓力到達(dá)大氣壓力之前, 所損失的循環(huán)功。 a.自由排氣損失自由排氣損失W：由于排氣門提前打開(kāi)而引起的膨脹功的減少。 b.強(qiáng)制排氣損失強(qiáng)制排氣損失Y：活塞上行強(qiáng)制推出廢氣所消耗的功。 三、進(jìn)氣損失三、進(jìn)氣損失

5、X 進(jìn)氣損失進(jìn)氣損失主要是指進(jìn)氣過(guò)程中，因進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力面引起的功的損失，與排氣損失相比進(jìn)氣損失較小小。合理調(diào)整配氣定時(shí)，加大進(jìn)氣門的流通截面、合理調(diào)整配氣定時(shí)，加大進(jìn)氣門的流通截面、正確設(shè)計(jì)進(jìn)氣管及進(jìn)氣道的流動(dòng)路徑以及降正確設(shè)計(jì)進(jìn)氣管及進(jìn)氣道的流動(dòng)路徑以及降低活塞平均速度等低活塞平均速度等，都會(huì)使進(jìn)氣損失減少。，都會(huì)使進(jìn)氣損失減少。 排氣損失與進(jìn)氣損排氣損失與進(jìn)氣損失之和稱為失之和稱為換氣損換氣損失失 (W十十Y十十X) 。 泵氣損失泵氣損失（X+Y-uX+Y-u）：）：在實(shí)際循環(huán)示功圖在實(shí)際循環(huán)示功圖中把面積中把面積(x+y- u u)相相當(dāng)?shù)呢?fù)功稱為泵氣當(dāng)?shù)呢?fù)功稱為泵氣損失。這部分損失損

6、失。這部分損失放在放在機(jī)械損失機(jī)械損失中加中加以考慮。以考慮。第二節(jié)第二節(jié) 四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的充量系數(shù)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的充量系數(shù) 換氣的目的是盡量排凈廢氣，最大限度充入新氣，以完善燃燒，提高效率。 評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣質(zhì)量，可用充量系充量系數(shù)數(shù)(充量效率、容積效率充量效率、容積效率) 、殘余廢氣系數(shù)來(lái)衡量。一、一、充量系數(shù)充量系數(shù)c 定義定義：內(nèi)燃機(jī)每缸每循環(huán)實(shí)際進(jìn)入氣缸的新內(nèi)燃機(jī)每缸每循環(huán)實(shí)際進(jìn)入氣缸的新鮮空氣質(zhì)量與進(jìn)氣狀態(tài)下理論計(jì)算充滿氣缸鮮空氣質(zhì)量與進(jìn)氣狀態(tài)下理論計(jì)算充滿氣缸工作容積的空氣質(zhì)量比值。工作容積的空氣質(zhì)量比值。進(jìn)氣狀態(tài)：進(jìn)氣狀態(tài)：指指空氣濾清器后進(jìn)氣管內(nèi)的氣體空氣濾清器后進(jìn)氣管內(nèi)的氣體狀

7、態(tài)狀態(tài)，即，即進(jìn)人氣缸前氣體的熱力學(xué)狀態(tài)，如進(jìn)人氣缸前氣體的熱力學(xué)狀態(tài)，如溫度與壓力等。溫度與壓力等。 非增壓：通常取為非增壓：通常取為當(dāng)?shù)氐拇髿鉅顟B(tài)當(dāng)?shù)氐拇髿鉅顟B(tài)。 增增 壓：增壓器壓：增壓器出口狀態(tài)出口狀態(tài)。式中： ma 實(shí)際進(jìn)入氣缸的新鮮空氣質(zhì)量V1 實(shí)際進(jìn)入氣缸的新鮮空氣在進(jìn)氣狀態(tài) 下的體積ms 進(jìn)氣狀態(tài)下理論計(jì)算充滿氣缸工作容 積的空氣質(zhì)量Vs 氣缸工作容積ssacVVmm11充量系數(shù)充量系數(shù)一般非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在全負(fù)荷時(shí)的一般非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在全負(fù)荷時(shí)的c c汽油機(jī)汽油機(jī)頂置氣門：頂置氣門：0.750.85側(cè)置氣門：側(cè)置氣門：0.700.80柴油機(jī)柴油機(jī)0.750.90二、影響充氣效率的因

8、素二、影響充氣效率的因素:1進(jìn)氣終了時(shí)缸內(nèi)壓力進(jìn)氣終了時(shí)缸內(nèi)壓力Pa Pa對(duì)對(duì)c c有重要影響，有重要影響，Pa愈高，愈高，c c值愈大值愈大 Pa=PsPa式中，pa為氣體流動(dòng)時(shí)，克服進(jìn)氣系統(tǒng)阻力 而引起的壓降(kPa)。一般可寫(xiě)成 式中 管道阻力系數(shù)； 進(jìn)氣狀態(tài)下氣體的密度； V管道內(nèi)氣體的流速（m/s）。22vpa 可見(jiàn)，pa主要取決于各段管道的阻力系數(shù)和氣體流速。若 大、 V高時(shí)，pa增加，使pa下降。管道阻力系數(shù)、轉(zhuǎn)速和負(fù)荷對(duì)進(jìn)氣壓力的管道阻力系數(shù)、轉(zhuǎn)速和負(fù)荷對(duì)進(jìn)氣壓力的影響影響1）管道阻力系數(shù)）管道阻力系數(shù)管道阻力大，管道阻力系數(shù)大，管道阻力大，管道阻力系數(shù)大， pa大，大，Pa降

9、低。降低。2）管道內(nèi)氣體的流速）管道內(nèi)氣體的流速 負(fù)荷減小，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高，氣體流速增負(fù)荷減小，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高，氣體流速增加，加， pa大，引起大，引起Pa下降。下降。 2進(jìn)氣終了的溫度進(jìn)氣終了的溫度Ta Ta高于進(jìn)氣狀態(tài)溫度， Ta越高，充入氣缸的工質(zhì)密度越小，c值愈低。引起引起Ta升高的原因升高的原因是: 1）新鮮工質(zhì)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)與高溫零件接觸而 被加熱。 2）新鮮工質(zhì)與高溫殘余廢氣混合而被加熱。轉(zhuǎn)速和負(fù)荷對(duì)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷對(duì)Ta的影響的影響 1）轉(zhuǎn)速：當(dāng)負(fù)荷不變而轉(zhuǎn)速增加時(shí)，由于新鮮工質(zhì)與缸壁等接觸時(shí)間短，傳熱量少，所以Ta稍有下降。 2）負(fù)荷：當(dāng)轉(zhuǎn)速不變而增加發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷時(shí)，缸壁等零件溫度升高，Ta

10、有所上升。措施措施： 將高溫排氣管與進(jìn)氣管分置于氣缸兩側(cè)， 控制進(jìn)氣預(yù)熱，適當(dāng)加大氣門疊開(kāi)角等， 降低Ta。3.殘余廢氣系數(shù)殘余廢氣系數(shù) 1） 增加，增加， c c降低降低，燃燒惡化，油耗、排放增加， 2）壓縮比提高，殘余廢氣系數(shù)減小。 3）排氣壓力高，廢氣多，充氣效率降低。 4）排氣系統(tǒng)阻力大，排氣壓力高，廢氣多。4進(jìn)排氣相位角進(jìn)排氣相位角 由于進(jìn)氣門遲閉而 1 ,新鮮充量的容積減小,但Pa值卻可能因有氣流慣性而使進(jìn)氣有所增加,合適的配氣定時(shí)應(yīng)考慮Pa具有最大值。5壓縮比壓縮比 壓縮比增加,壓縮容積減小,殘余廢氣量隨之減小,因而c c有所增加。6. 進(jìn)氣狀態(tài)進(jìn)氣狀態(tài)進(jìn)氣溫度升高，進(jìn)氣壓力下降

11、均會(huì)使進(jìn)入氣缸充量的密度減小，絕對(duì)進(jìn)氣量減少，但c是在同一進(jìn)氣狀態(tài)下的相對(duì)值，對(duì)充量系數(shù)影響不大。 提高充量系數(shù)措施提高充量系數(shù)措施降低進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力降低進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力降低排氣系統(tǒng)流通阻力降低排氣系統(tǒng)流通阻力減少對(duì)進(jìn)氣充量的加熱減少對(duì)進(jìn)氣充量的加熱合理選擇進(jìn)、排氣相位角合理選擇進(jìn)、排氣相位角諧振進(jìn)氣與可變進(jìn)氣支管諧振進(jìn)氣與可變進(jìn)氣支管第三節(jié)第三節(jié) 提高發(fā)動(dòng)機(jī)充量系數(shù)的措施提高發(fā)動(dòng)機(jī)充量系數(shù)的措施一一、降低進(jìn)氣系統(tǒng)的流動(dòng)阻力降低進(jìn)氣系統(tǒng)的流動(dòng)阻力 1降低進(jìn)氣門處的流動(dòng)損失降低進(jìn)氣門處的流動(dòng)損失進(jìn)氣馬赫數(shù)：進(jìn)氣門處氣流平均速度進(jìn)氣馬赫數(shù)：進(jìn)氣門處氣流平均速度與該處聲速之比與該處聲速之比mVmVM

12、進(jìn)氣馬赫數(shù)反映氣體流動(dòng)對(duì)充量系數(shù)進(jìn)氣馬赫數(shù)反映氣體流動(dòng)對(duì)充量系數(shù)的影響。的影響。 當(dāng)當(dāng)M超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，大約在超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，大約在0.5左右，左右，充量系數(shù)充量系數(shù)急劇下降。急劇下降。 改善改善氣門處氣門處流體流體動(dòng)力性能動(dòng)力性能減少進(jìn)氣道的阻力：減少進(jìn)氣道的阻力：氣道通路斷面應(yīng)有足夠的面積，各斷面要避免突變。氣道通路斷面應(yīng)有足夠的面積，各斷面要避免突變。進(jìn)氣道內(nèi)部過(guò)渡圓角半徑應(yīng)大一些，避免急劇轉(zhuǎn)彎等。進(jìn)氣道內(nèi)部過(guò)渡圓角半徑應(yīng)大一些，避免急劇轉(zhuǎn)彎等。 減少進(jìn)氣管的阻力：減少進(jìn)氣管的阻力：進(jìn)氣管必須保證足夠的流通截面積，管道表面光潔，進(jìn)氣管必須保證足夠的流通截面積，管道表面光潔，避免急轉(zhuǎn)彎及流

13、通截面突變，以減少阻力。為保證各氣缸避免急轉(zhuǎn)彎及流通截面突變，以減少阻力。為保證各氣缸進(jìn)氣均勻，各缸進(jìn)氣管獨(dú)立，長(zhǎng)度盡可能一致。進(jìn)氣管的進(jìn)氣均勻，各缸進(jìn)氣管獨(dú)立，長(zhǎng)度盡可能一致。進(jìn)氣管的整體走勢(shì)和內(nèi)壁斷面形狀要滿足使新鮮充量在氣缸中形成整體走勢(shì)和內(nèi)壁斷面形狀要滿足使新鮮充量在氣缸中形成渦流的要求渦流的要求(汽油機(jī)和柴油機(jī)汽油機(jī)和柴油機(jī))。減少空氣濾清器的阻力：減少空氣濾清器的阻力：加大通過(guò)斷面，改進(jìn)濾清性能，創(chuàng)制低阻高效濾清器加大通過(guò)斷面，改進(jìn)濾清性能，創(chuàng)制低阻高效濾清器等。在使用中要經(jīng)常清洗濾清器，特別要避免紙芯的油污等。在使用中要經(jīng)常清洗濾清器，特別要避免紙芯的油污堵塞，及時(shí)更換濾芯等。堵

14、塞，及時(shí)更換濾芯等。減少進(jìn)氣道、進(jìn)氣管和空氣濾清器的阻力減少進(jìn)氣道、進(jìn)氣管和空氣濾清器的阻力二二、減少對(duì)進(jìn)氣充量的加熱減少對(duì)進(jìn)氣充量的加熱新鮮充量在吸入過(guò)程中，受到進(jìn)氣管、新鮮充量在吸入過(guò)程中，受到進(jìn)氣管、進(jìn)氣道、氣門、氣缸壁和活塞等一系列受進(jìn)氣道、氣門、氣缸壁和活塞等一系列受熱零件的加熱，引起溫升。熱零件的加熱，引起溫升。進(jìn)排氣管兩側(cè)分開(kāi)布置，可以避免或進(jìn)排氣管兩側(cè)分開(kāi)布置，可以避免或減少高溫排氣管對(duì)進(jìn)氣的加熱，有利提高減少高溫排氣管對(duì)進(jìn)氣的加熱，有利提高充量系數(shù)。充量系數(shù)。 三三、降低排氣系統(tǒng)的流通阻力降低排氣系統(tǒng)的流通阻力降低排氣系統(tǒng)流通阻力，使氣缸內(nèi)廢氣降低排氣系統(tǒng)流通阻力，使氣缸內(nèi)廢

15、氣壓力下降，減少泵氣功。壓力下降，減少泵氣功。 將排氣道的一部分做成擴(kuò)壓形，降低了將排氣道的一部分做成擴(kuò)壓形，降低了氣缸內(nèi)與排氣管內(nèi)的壓力差，降低了氣缸內(nèi)氣缸內(nèi)與排氣管內(nèi)的壓力差，降低了氣缸內(nèi)廢氣壓力，降低泵氣功。廢氣壓力，降低泵氣功。 選擇良好的排氣支管的流型，避免排氣選擇良好的排氣支管的流型，避免排氣道內(nèi)截面突變、急轉(zhuǎn)彎和凸臺(tái)，有助于降低道內(nèi)截面突變、急轉(zhuǎn)彎和凸臺(tái)，有助于降低整個(gè)流通阻力。整個(gè)流通阻力。 在滿足必要的消聲效果要求下，降低消在滿足必要的消聲效果要求下，降低消聲器的流通阻力。聲器的流通阻力。 四四、合理選擇進(jìn)排氣相位角合理選擇進(jìn)排氣相位角 轉(zhuǎn)速一定，存在相應(yīng)的最佳進(jìn)氣門遲閉轉(zhuǎn)速一定，存在相應(yīng)的最佳進(jìn)氣門遲閉角度。角度。 利用氣門可變正時(shí)技術(shù)，在全部轉(zhuǎn)速范利用氣門可變正時(shí)技術(shù)，在全部轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)提高充量系數(shù)。圍內(nèi)提高充量系數(shù)。具體措施：具體措施： 、。 、(VCS，Variable Camshaft System) 、(VVT，Variable Valve Timing )。五五、諧振進(jìn)氣與可變進(jìn)氣支管諧振進(jìn)氣與可變進(jìn)氣支管 諧振進(jìn)氣和可變進(jìn)氣支管，都是利用進(jìn)諧振進(jìn)氣和可變進(jìn)氣支管，都是利用進(jìn)氣管的動(dòng)態(tài)效應(yīng)來(lái)提高