第四章內(nèi)燃機的充量更換肖

第四章內(nèi)燃機的換氣過程

◆充量更換過程的目的：將已燃氣體排出并為下一循環(huán)吸入新鮮充量。

◆四沖程內(nèi)燃機指：排氣門開啟到進氣門關(guān)閉的整個過程。

◆二沖程內(nèi)燃機指：排氣門開啟到排氣門關(guān)閉的整個過程。1判斷充量更換過程是否完善的指標：已燃氣體是否排盡以及進入氣缸的新鮮充量是否充分；它與充量更換過程有關(guān)的各種附屬系統(tǒng)的設(shè)計是否合理、有效，而且也與發(fā)動機的運行狀態(tài)有關(guān)。影響因素：2在換氣過程中：1）為了控制內(nèi)燃機的NOx的排放還需進行排氣再循環(huán)（可分為外部EGR和內(nèi)部EGR）2）采用增壓技術(shù)提高發(fā)動機的功率，并改善經(jīng)濟性和排放。3）研究減少進排氣流動阻力損失和提高充量系數(shù)的措施及方法。4）研究如何為燃燒提供一個合適的缸內(nèi)氣體流場，并保證多缸機的各缸均勻性等。3第一節(jié)四沖程內(nèi)燃機的換氣過程

4可分為自由排氣、強制排氣、氣門疊開、進氣等階段。四沖程內(nèi)燃機的換氣過程：5一、自由排氣階段:

把從排氣門開啟到氣缸壓力達到排氣背壓(排氣管內(nèi)壓力)的時期，稱為自由排氣階段P49。排氣過程的分段：二、強制排氣階段:

自由排氣階段結(jié)束后，氣缸內(nèi)的廢氣將被上行活塞強制推出，直到排氣門關(guān)閉，這一過程就是強制排氣階段。6一、超臨界狀態(tài)（p49）:

排氣管壓力與氣缸壓力之比小于臨界值；排氣過程的分段：二、亞臨界狀態(tài)（p49）:

排氣管壓力與氣缸壓力之比超過臨界值。7排氣門不允許剛好在活塞到達上止點時關(guān)閉，而應(yīng)當在上止點后一定角度時關(guān)閉，這就是排氣遲閉。當廢氣從氣缸流出的流動過程剛剛停止時，就是理想的排氣門關(guān)閉時刻，排氣門遲閉角為10o~70o(CA)。8高速時氣流流動的慣性大，進氣遲閉角應(yīng)相應(yīng)大一些。三、進氣過程(induction)定義：從進氣門開啟(IVO)到關(guān)閉(IVC)的全過程都是進氣過程進氣提前：進氣門一般也在上止點前提前開啟，稱為進氣提前，進氣提前角為10o~40o(CA)。進氣遲閉：為了利用在吸氣過程中形成的進氣管內(nèi)氣流的流動慣性，實現(xiàn)氣缸的過后充氣，進氣門不在下止點關(guān)閉，而是在下止點過后的一定角度時延遲關(guān)閉，即進氣遲閉。進氣遲閉角一般為20o~60o(CA)。9

一方面，有利于掃除缸內(nèi)的殘余廢氣，增加氣缸充量，達到掃氣目的；四、氣門疊開和燃燒室掃氣過程(overlap)定義：在排氣行程上止點附近出現(xiàn)進、排氣門同時開啟的特殊現(xiàn)象，通常將這一現(xiàn)象稱為氣門疊開，相應(yīng)的角度是氣門疊開角(overlapperiod)；它是排氣遲閉角與進氣提前角之和。在氣門疊開期間，進氣管、氣缸、排氣管三者直接相通，有利方面：另一方面，又可以降低燃燒室內(nèi)氣缸蓋、排氣門、活塞頂、缸套的溫度。10增壓柴油機：增壓柴油機都采用比非增壓柴油機大的氣門疊開角，一般為80o~140o(CA)。汽油機：

疊開角過大時高溫廢氣有可能倒流進入進氣管乃至燃料供應(yīng)系統(tǒng)中，引起進氣管回火。同時，由于新鮮充量中含有燃料，利用新鮮充量進行掃氣將導(dǎo)致燃料的損失以及未燃碳氫排放物的增加，故這類內(nèi)燃機的氣門疊開角一般都是比較小的。一般非增壓柴油機：氣門疊開角在20o~50o(CA)范圍內(nèi)。11第二節(jié)四沖程內(nèi)燃機的換氣損失定義：理論循環(huán)換氣功與實際循環(huán)換氣功之差。排氣損失（w+x）p51：從排氣門提前開啟，直到吸氣行程開始、氣缸內(nèi)壓力達到或接近進氣管壓力之前，在此階段所損失的功稱為排氣損失。隨著排氣提前角的增大，膨脹損失（w）增加，而推出損失功（x）減小。因此，最有利的排氣提前角，應(yīng)當是使兩者損失之和為最小。12

泵氣功是指缸內(nèi)氣體對活塞在強制排氣和吸收行程所做的功。進氣損失（y）：與理論循環(huán)相比，內(nèi)燃機在進氣過程中所造成的功的減少稱為進氣損失。泵氣損失：泵氣損失則是指：與理論循環(huán)相比，發(fā)動機的活塞在泵氣過程所造成的功的損失。1314第三節(jié)提高內(nèi)燃機充量系數(shù)的措施定義：每循環(huán)實際進入氣缸的新鮮充量與以進氣管內(nèi)狀態(tài)充滿氣缸的工作容積的理論充量之比。殘余廢氣系數(shù)(residualgascoefficient)為r：它是進氣終了時的缸內(nèi)殘余廢氣質(zhì)量mr與實際進入氣缸的新鮮充量m1之比。1516提高充量系數(shù)的措施：1）降低進氣系統(tǒng)的阻力損失，提高氣缸內(nèi)進氣終了時的壓力，

pa3）減少高溫零件在進氣系統(tǒng)中對新鮮充量的加熱，以降低進氣終了時的充量溫度，Ta2）降低排氣系統(tǒng)的阻力損失，以減小缸內(nèi)的殘余廢氣系數(shù)，

r4）合理的配氣正時和氣門升程規(guī)律。p5417（一）降低進氣系統(tǒng)的流動阻力：一類是沿程阻力，另一類是局部阻力。分類：在內(nèi)燃機進氣流動中，由于管道較短，壁面比較光滑，其沿程阻力并不大；局部阻力則是流道中的主要損失，它由一系列的局部阻力疊加而成，尤其在進氣門座處、空氣濾清器和流道轉(zhuǎn)彎處，流動損失更為明顯。181．降低進氣門處的流動損失2．采用可變進氣系統(tǒng)技術(shù)3．減少進氣管和空氣濾清器的阻力191．降低進氣門處的流動損失進氣平均馬赫數(shù)Ma（P54）Ma綜合了進氣門大小、形狀、升程規(guī)律以及活塞速度等因素，并且其大小與發(fā)動機的轉(zhuǎn)速成正比。對于小型四沖程發(fā)動機，當Ma超過0.5后，充量系數(shù)急劇下降。這一結(jié)論，對于設(shè)計和評價氣門機構(gòu)是很有用的。20減小進氣門流通截面處流動損失的措施加大進氣門直徑：現(xiàn)代高速內(nèi)燃機2氣門結(jié)構(gòu)中，進氣門直徑d與缸徑D的比值可達45％~50％，面積比為0.2~0.25，這樣排氣門不得不縮小，但過小的排氣門又會導(dǎo)致排氣阻力的增大。增加進氣門數(shù)目：采用4氣門利大于弊。除了換氣損失小、充量系數(shù)高以外，噴油器的垂直中置對混合氣形成極為有利，另外，4氣門柴油機對具有進氣中冷的高增壓系統(tǒng)也非常合適。21合理設(shè)計進氣道及氣門的結(jié)構(gòu)：改善進氣門座、進氣道以及氣門頭部的結(jié)構(gòu)，提高流量系數(shù)。因此，在設(shè)計及制造中，應(yīng)盡可能保證氣道內(nèi)壁面的過渡圓滑、平穩(wěn)，避免氣流急轉(zhuǎn)彎現(xiàn)象。在進氣門頭部以及氣門座面處設(shè)計合理的形狀，對改善氣流的流動阻力也有十分顯著的效果。22232．采用可變進氣系統(tǒng)技術(shù)理想的配氣系統(tǒng)應(yīng)當要滿足以下要求：1)低速時，采用較小的氣門疊開角以及較小的氣門升程，防止出現(xiàn)缸內(nèi)新鮮充量向進氣系統(tǒng)的倒流，以便增加轉(zhuǎn)矩，提高燃油經(jīng)濟性。2)高速時應(yīng)具有最大的氣門升程和進氣門遲閉角，以最大限度地減小流動阻力，充分利用過后充氣，提高充量系數(shù)，以滿足動力性要求。3)配合以上變化，對進氣門從開啟到關(guān)閉的持續(xù)期也應(yīng)進行調(diào)整，以實現(xiàn)最佳的進氣定時。24可變凸輪機構(gòu)技術(shù)一般都是通過兩套凸輪或搖臂來實現(xiàn)的，即在高速時采用高速凸輪，其升程與作用角都較大；而在低速時切換到低速凸輪，升程與作用角均較小，如圖4-8a所示?？勺兺馆啓C構(gòu)(VCS-VariableCamshaftSystem）：25對于DOHC(DoubleOverheadCamshaft)系統(tǒng)而言，由于進、排氣門是分別通過兩根凸輪軸單獨驅(qū)動的，可以通過一套特殊的機構(gòu)將進氣凸輪軸按要求轉(zhuǎn)過一定的角度，從而達到改變進氣相位的目的。p58可變氣門定時（VVT-VariableValveTiming）：263．減少進氣管和空氣濾清器的阻力進氣管設(shè)計原則：空氣流動阻力低；各氣缸間的新鮮充量分配均勻；對于汽油機而言，還要求適當加熱進氣以提高燃油的霧化質(zhì)量。進氣管中還存在著一個重要的現(xiàn)象，即諧振或稱調(diào)諧。隨著進氣管長度的增大以及管徑的減小，充量系數(shù)的峰值向低速一側(cè)移動，這就是調(diào)諧現(xiàn)象的結(jié)果。27在進氣過程中，活塞的下行運動可導(dǎo)致進氣管內(nèi)產(chǎn)生膨脹波，該膨脹波將在進氣管的開口端反射，然后產(chǎn)生正向壓力波向氣缸傳播。在合適的條件下(如轉(zhuǎn)速、進氣管長度等)，這個正向壓力波可以使得進氣過程結(jié)束時，進氣門處的壓力高于正常的進氣壓力，這樣發(fā)動機就可以多進氣，從而使充量系數(shù)得到提高，即是圖中充量系數(shù)峰值所在。為了追求最佳的充量系數(shù)值，可以采用可變進氣系統(tǒng)，以充分利用進氣諧振的效果，達到高速與低速性能的最優(yōu)化。2829在低速時控制閥保持關(guān)閉狀態(tài)，氣體從主氣道流入發(fā)動機中。而高速時控制閥打開，氣體從主、副兩個氣道同時流入氣缸中?？刂崎y關(guān)閉時，相當于進氣管流通截面減小，相應(yīng)提高了低速充量系數(shù)。p59采用可變進氣系統(tǒng)，以提高發(fā)動機的高速與低速性能都達到最佳：30空氣濾清器是進氣系統(tǒng)阻力的主要來源之一，應(yīng)當在保證濾清效果的前提下盡可能減少空氣濾清器的流動阻力，同時，定時對空濾器進行清理與保養(yǎng)也是減小進氣流動阻力的一個重要措施。31（二）降低排氣系統(tǒng)的流動阻力：排氣系統(tǒng)的設(shè)計目標：降低排氣背壓，減小排氣噪聲。降低排氣系統(tǒng)阻力，可以使氣缸內(nèi)的殘余廢氣壓力下降，這樣不僅可以減少殘余廢氣系數(shù)，有利于提高充量系數(shù)，而且可以減少泵氣損失，提高指示效率。32排氣管中往往還有消聲器和排氣后處理器，設(shè)計時應(yīng)在保證足夠的消聲與降污效果的前提下，盡可能降低流動阻力。設(shè)計時應(yīng)保證排氣門及其座面的良好結(jié)構(gòu)。排氣道應(yīng)當是漸擴型，以保證排出氣體的充分膨脹，使得氣缸內(nèi)的廢氣壓力得以迅速下降，達到提高充量系數(shù)和降低泵氣損失的目的。33（三）減少對進氣充量的加熱：

進入氣缸的新鮮充量將會被各種高溫表面所加熱而溫度升高，從而導(dǎo)致進氣密度下降，充量減小，還可能促使發(fā)動機整體熱負荷提高和不正常燃燒的發(fā)生。對于化油器式汽油機來說，由于需要進氣加熱來保證部分液態(tài)燃料在進氣管中的蒸發(fā)進氣管與排氣管布置在同一側(cè)。對于進氣道噴射的汽油機以及柴油機，均采用進、排氣管兩側(cè)布置的方案，以提高充量系數(shù)。對于高速內(nèi)燃機，有時也采用進氣冷卻技術(shù)，以降低進氣溫度。增壓內(nèi)燃機則采用進氣中冷技術(shù)。34

第四節(jié)內(nèi)燃機的增壓

◆內(nèi)燃機所能發(fā)出的最大功率主要由氣缸內(nèi)有效燃燒所放出的熱量決定的，而這受到每循環(huán)吸入氣缸內(nèi)實際空氣量的限制。

◆如果空氣在進入氣缸前得到壓縮，空氣的密度增大，則在同樣氣缸工作容積的條件下，可以有更多的新鮮空氣進入氣缸，因而可以增加循環(huán)供油量，獲得更大的發(fā)動機輸出功。35內(nèi)燃機增壓涉及：增壓器本身；

增壓器與內(nèi)燃機的匹配；內(nèi)燃機為適應(yīng)增壓需要而進行的必要調(diào)整等；36一，內(nèi)燃機增壓概述：萌生于19世紀末，在20世紀初得到初步應(yīng)用和發(fā)展。

柴油機增壓技術(shù)在20世紀中葉開始大規(guī)模的應(yīng)用，并逐步推廣到汽油發(fā)動機。目前絕大多數(shù)大功率柴油機、半數(shù)以上的車用柴油機以及相當比例的高性能汽油機均采用了增壓技術(shù)。增壓后的功率可比原來提高40％～60％甚至更多，發(fā)動機的平均有效壓力最高壓力可達到3MPa，發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性也有所提高，增壓已經(jīng)成為發(fā)動機強化最有效的手段之一。37(一)內(nèi)燃機的增壓方式：內(nèi)燃機的增壓方式按空氣被壓縮方式不同，可以分為四類：

（1）機械增壓：發(fā)動機輸出軸直接驅(qū)動機械增壓裝置（2）排氣渦輪增壓：壓氣機與渦輪同軸相連，構(gòu)成渦輪增壓器。渦輪在排氣能量的推動下旋轉(zhuǎn)，帶動壓氣機工作，實現(xiàn)進氣增壓。內(nèi)燃機排氣渦輪增壓系統(tǒng)包含壓氣機、渦輪機和中冷器等部件。按排氣能量利用方式又可分為定壓和脈沖渦輪增壓兩種。38（3）氣波增壓：利用排氣系統(tǒng)中的壓力波動效應(yīng)來壓縮進氣。（4）復(fù)合增壓：將上述多種增壓方式加以組合，以獲得更好的增壓效果。嚴格地說，復(fù)合增壓不是一種獨立的增壓方式，它只是前面三種增壓方式的組合。39（二）增壓對內(nèi)燃機動力性和經(jīng)濟性的影響：指示熱效率略有提高；機械效率有所提高；充量系數(shù)得到提高；升功率得到提高；燃油消耗率有所下降。發(fā)動機增壓的目的主要不在與提高經(jīng)濟性，而在于提高它的動力性和降低排放。40（三）發(fā)動機增壓技術(shù)的優(yōu)勢與代價：優(yōu)勢：1）增壓可以使發(fā)動機在總質(zhì)量和體積基本不變的條件下，輸出功率得到大幅度的提高。2）與自然吸氣內(nèi)燃機相比，排氣可以在渦輪中得到進一步膨脹，排氣噪聲有所降低3）有利于高原稀薄空氣條件下恢復(fù)功率。4）柴油機增壓后，缸內(nèi)溫度和壓力水平提高，可以使滯燃期縮短，有利于降低壓力升高率和燃燒噪聲。5）增壓柴油機一般采用較大的過量空氣系數(shù)，HC、CO和炭煙排放降低。41（三）發(fā)動機增壓技術(shù)的優(yōu)勢與代價：代價：1）增壓后缸內(nèi)工作壓力、溫度提高，機械負荷和熱負荷加大，內(nèi)燃機的可靠性和耐久性受到考驗。2）低速時由于排氣能量不足，可能會使發(fā)動機的低速轉(zhuǎn)矩受到一定影響。3）渦輪增壓器中，從排氣能量的變化到新的進氣壓力的建立需要一定的時間，所以內(nèi)燃機的加速響應(yīng)性能較自然吸氣機型差。4）增壓發(fā)動機性能的進一步優(yōu)化，受到增壓器及中冷器的限制。42四渦輪增壓器與發(fā)動機的匹配：內(nèi)燃機與渦輪增壓器的匹配應(yīng)包括穩(wěn)定工況的特性匹配、變工況或瞬態(tài)工況的匹配以及其他條件改變情況下的匹配等內(nèi)容。匹配的增壓系統(tǒng)要做到：1）設(shè)計工況下的增壓壓力、空氣流量、發(fā)動機功率和燃油消耗率等參數(shù)達到設(shè)計要求。2）部分負荷工況有較好的性能。3）渦輪增壓應(yīng)在內(nèi)燃機的各種工況下都能高效的運行。4）渦輪增壓器和內(nèi)燃機應(yīng)能在各種工況下穩(wěn)定、可靠地工作、無增壓器超速、柴油機最高燃燒壓力超高現(xiàn)象，排溫及零件熱負荷在合理范圍。5）對于車用發(fā)動機，還要求發(fā)動機的外特性具有足夠的轉(zhuǎn)矩儲備和轉(zhuǎn)速儲備。43五汽油機的增壓技術(shù)：從排氣能量利用的觀點看，汽油機的渦輪增壓與柴油機相比并沒有本質(zhì)區(qū)別，但長期以來，渦輪增壓技術(shù)除了在賽車汽油機和高性能轎車汽油機中得到應(yīng)用外，其普及性遠不如柴油機。原因：

由于兩種發(fā)動機在工作過程中的不同特點所決定的。限制汽油機增壓的主要原因是：爆燃、熱負荷和對增壓器的特殊要求等。44六機械增壓：

與渦輪增壓相比，機械增壓歷史更為悠久，且發(fā)動機具有較好的低速轉(zhuǎn)矩和加速響應(yīng)性能，但由于高速時的增壓器噪聲和使用壽命問題影響了它在發(fā)動機上的實際使用。近年來機械增壓重新得到了重視與發(fā)展。45

第五節(jié)二沖程內(nèi)燃機的換氣

◆提高內(nèi)燃機的升功率，除增壓外，還可以減少發(fā)動機的沖程數(shù)。

◆四沖程內(nèi)燃機工作過程：進氣、壓縮、做功、排氣

◆二沖程內(nèi)燃機工作過程：只有兩個沖程；每一個向下的行程都是一個做功行程，同時兼有排氣和進氣的功能。

◆二沖程內(nèi)燃機與四沖程內(nèi)燃機有很大區(qū)別，特別是換氣過程。

46◆膨脹行程的末期，活塞下行打開排氣口，開始排氣，而后掃氣口開啟，具有一定壓力的新鮮充量由掃氣口流入氣缸，并強迫廢氣由排氣口流出，進行充量更換，然后，活塞到達下止點后又上行，依次將掃氣口和排氣口關(guān)閉，換氣過程結(jié)束。新鮮充量由掃氣泵提供。二沖程內(nèi)燃機的換氣過程：47◆在二沖程內(nèi)燃機中，廢氣的排出和新鮮空氣沖量的進入是重疊在一起進行的，這一復(fù)合換氣過程叫做二沖程內(nèi)燃機的掃氣。二沖程內(nèi)燃機的換氣過程：◆換氣過程分為三個階段，即自由排氣階段、掃氣與強制排氣階段以及過后排氣或過后充氣階段。48從排氣口開啟直到新鮮充量開始進入氣缸為止，稱為自由排氣階段。排氣口一般在下止點前60o~75o(CA)開啟。自由排氣階段：在自由排氣階段，缸內(nèi)燃氣可以流出大約0%~80%。

排氣口剛開啟的一段時間內(nèi)或曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)，氣缸內(nèi)壓力較高，約為300～600kPa，排氣口后的壓力較低，排氣口前后的壓力比小于臨界值，屬超臨界排氣；氣缸內(nèi)的燃氣以聲速流出。49

從掃氣口打開到活塞運動到下止點后上行將掃氣口關(guān)閉為止，這一時期稱為掃氣階段。掃氣與強制排氣階段：在掃氣階段，掃氣和排氣同時進行。50一般二沖程發(fā)動機排氣口的關(guān)閉時刻遲于掃氣口，這時在活塞上行的推擠和排氣氣流的慣性下，一部分廢氣繼續(xù)由排氣口排出，直到排氣口關(guān)閉為止；從掃氣口關(guān)閉到排氣口關(guān)閉期間，稱為過后排氣階段。掃氣與強制排氣階段：

對于掃氣口關(guān)閉