內(nèi)燃機(jī)的換氣過(guò)程

第四章內(nèi)燃機(jī)的換氣過(guò)程第一節(jié)四沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣過(guò)程一、排氣過(guò)程

二、進(jìn)氣過(guò)程

三、氣門疊開和燃燒室掃氣過(guò)程第一節(jié)四沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣過(guò)程圖4-1四沖程內(nèi)燃機(jī)換氣過(guò)程的示意圖

a)配氣相位與低壓p-V示功圖b)氣門升程與p-φ示功圖

IVO—進(jìn)氣門開啟角IVC—進(jìn)氣門關(guān)閉角EVO—排氣門

開啟角EVC—排氣門關(guān)閉角—余隙容積

—?dú)飧坠ぷ魅莘e一、排氣過(guò)程由于受配氣機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的限制，排氣門不可能瞬時(shí)完全打開。在排氣門開啟的最初一段時(shí)間(曲軸轉(zhuǎn)角)內(nèi)，氣門升程小，排氣流通截面積小，廢氣排出的流量小。如果排氣門剛好在膨脹行程的下止點(diǎn)才開始打開，則由于排氣不暢造成氣缸壓力下降遲緩，活塞在向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)制排氣時(shí)，將增加排氣沖程所消耗的活塞推出功。所以內(nèi)燃機(jī)的排氣門都在膨脹行程到達(dá)下止點(diǎn)前的某一曲軸轉(zhuǎn)角位置提前開啟，這一角度稱為排氣提前角。排氣提前角的范圍為30°～80°(CA)，視發(fā)動(dòng)機(jī)的工作方式、轉(zhuǎn)速、增壓與否而定，一般汽油機(jī)的排氣提前角小些，柴油機(jī)的大些，增壓柴油機(jī)的更大一些。1)低速時(shí)，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(jìn)氣系統(tǒng)的倒流，以增加低速轉(zhuǎn)矩，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。3)內(nèi)燃機(jī)增壓后有利于高原稀薄空氣條件下恢復(fù)功率，使之達(dá)到或接近平原性能。這種方案的特點(diǎn)是排氣管做得短而細(xì)，排氣系統(tǒng)容積要盡可能小，使排氣能直接迅速地進(jìn)入渦輪機(jī)中膨脹做功，減少節(jié)流損失。同時(shí)，由于掃氣口沿整個(gè)氣缸圓周分布，氣孔的高度可以縮短，以減少?zèng)_程損失。圖4-21徑流式渦輪機(jī)的工作簡(jiǎn)圖

1—進(jìn)氣蝸殼2—噴嘴環(huán)3—工作輪4—出氣道在排氣門開啟的最初一段時(shí)間(曲軸轉(zhuǎn)角)內(nèi)，氣門升程小，排氣流通截面積小，廢氣排出的流量小。圖4-28所示是兩種型號(hào)的增壓器的運(yùn)行范圍示意圖，型號(hào)Ⅰ的增壓器流量特性比型號(hào)Ⅱ的小，內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行線為AB。(二)渦輪增壓器與內(nèi)燃機(jī)聯(lián)合運(yùn)行特性的調(diào)整圖4-30二沖程內(nèi)燃機(jī)的掃氣方案

a)橫流掃氣b)回流掃氣c)直流掃氣圖4-12進(jìn)氣管對(duì)充量系數(shù)的影響

a)進(jìn)氣管長(zhǎng)度的影響b)進(jìn)氣管管徑的影響第五節(jié)二沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣從排氣口開啟到掃氣口開啟，缸內(nèi)壓力高于排氣背壓，燃?xì)饪梢宰杂傻亓鞒龈淄?，這一排氣時(shí)期稱為自由排氣階段。圖4-28所示是兩種型號(hào)的增壓器的運(yùn)行范圍示意圖，型號(hào)Ⅰ的增壓器流量特性比型號(hào)Ⅱ的小，內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行線為AB。脈沖渦輪增壓系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱脈沖系統(tǒng))旨在提高在定壓系統(tǒng)中損失能量(面積5-b-e)的利用率。1)低速時(shí)，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(jìn)氣系統(tǒng)的倒流，以增加低速轉(zhuǎn)矩，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。二、進(jìn)氣過(guò)程從進(jìn)氣門開啟到關(guān)閉，內(nèi)燃機(jī)吸入新鮮充量的整個(gè)過(guò)程稱為進(jìn)氣過(guò)程。為了增加進(jìn)入氣缸的新鮮充量，進(jìn)氣門在吸氣上止點(diǎn)前要提前開啟，在吸氣下止點(diǎn)后應(yīng)推遲關(guān)閉。進(jìn)氣門提前開啟的角度稱為進(jìn)氣提前角，一般在上止點(diǎn)前10°～40°(CA)之間。三、氣門疊開和燃燒室掃氣過(guò)程四沖程內(nèi)燃機(jī)換氣過(guò)程還存在一個(gè)特殊的階段：在進(jìn)排氣上止點(diǎn)前后，由于進(jìn)氣門的提前開啟與排氣門的延遲關(guān)閉，使內(nèi)燃機(jī)從進(jìn)氣門開啟到排氣門關(guān)閉這段曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)，出現(xiàn)進(jìn)排氣門同時(shí)開啟的狀態(tài)，這一現(xiàn)象稱為氣門疊開。氣門疊開所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角叫氣門疊開角，等于排氣遲閉角與進(jìn)氣提前角之和。內(nèi)燃機(jī)的形式不同，對(duì)氣門疊開角大小的要求也有所差異。第二節(jié)四沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣損失一、排氣損失

二、進(jìn)氣損失

三、泵氣功與泵氣損失第二節(jié)四沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣損失圖4-2四沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣損失示意圖

a)自然吸氣內(nèi)燃機(jī)理論換氣過(guò)程b)自然吸氣內(nèi)燃機(jī)實(shí)際換氣過(guò)程

c)增壓內(nèi)燃機(jī)理論換氣過(guò)程d)增壓內(nèi)燃機(jī)實(shí)際換氣過(guò)程

W—膨脹損失X—推出損失Y—吸氣損失一、排氣損失圖4-3排氣提前角和轉(zhuǎn)速對(duì)排氣損失的影響

a)轉(zhuǎn)速不變時(shí)排氣提前角的影響b)排氣提前角不變時(shí)轉(zhuǎn)速的影響二、進(jìn)氣損失圖4-4換氣損失隨內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速的變化三、泵氣功與泵氣損失泵氣功是指缸內(nèi)氣體對(duì)活塞在強(qiáng)制排氣行程和吸氣行程所做的功，泵氣損失則是指與理論循環(huán)相比，發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞在泵氣過(guò)程所造成的功的損失［2］。從圖4-2可以看出，對(duì)于自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，它的泵氣功的大小可用圖中面積Y+X表示，對(duì)整個(gè)循環(huán)來(lái)說(shuō)為負(fù)功，泵氣損失在數(shù)值上等于它的泵氣功。對(duì)于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，由于進(jìn)氣壓力高于排氣背壓，因此它的泵氣功大于零，其泵氣損失依然可以用圖中面積X+Y來(lái)表示，其值為負(fù)。第三節(jié)提高內(nèi)燃機(jī)充量系數(shù)的措施一、四沖程內(nèi)燃機(jī)的充量系數(shù)

二、提高充量系數(shù)的技術(shù)措施一、四沖程內(nèi)燃機(jī)的充量系數(shù)1)降低進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力損失，提高氣缸內(nèi)進(jìn)氣終了壓力pa。

2)降低排氣系統(tǒng)的阻力損失，減小缸內(nèi)的殘余廢氣系數(shù)?r。

3)減少高溫零件在進(jìn)氣過(guò)程中對(duì)新鮮充量的加熱，以降低進(jìn)氣終了時(shí)的充量溫

4)合理的配氣正時(shí)和氣門升程規(guī)律，在減小mr的同時(shí)增加m1，即增加pa，減小?r。二、提高充量系數(shù)的技術(shù)措施

雖然充量系數(shù)的表達(dá)式中不直接反映進(jìn)氣流動(dòng)過(guò)程，但所有損失恰恰是由于流動(dòng)造成的。按進(jìn)氣系統(tǒng)流動(dòng)阻力的性質(zhì)可分為兩類，一類是沿程阻力，即管道摩擦阻力，它與流速、管長(zhǎng)、管壁表面質(zhì)量等有關(guān)；另一類是局部阻力，它是由于流通截面的大小、形狀以及流動(dòng)方向的變化造成局部產(chǎn)生渦流所引起的損失。在內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣流動(dòng)中，由于進(jìn)氣的管道粗短，壁面比較光滑，其沿程阻力并不大，進(jìn)氣流動(dòng)的局部阻力損失是主要損失，是一系列不同的局部阻力疊加而成，尤其是在空氣濾清器、流道轉(zhuǎn)彎處和進(jìn)氣門座圈處，因此，降低這些部位的局部阻力損失，對(duì)降低進(jìn)氣系統(tǒng)的流動(dòng)阻力，提高充量系數(shù)有顯著的作用。有些二沖程內(nèi)燃機(jī)，掃氣口關(guān)閉時(shí)刻晚于排氣口，以獲得額外的新鮮充量。2)與自然吸氣內(nèi)燃機(jī)相比，排氣可以在渦輪中得到進(jìn)一步膨脹，因而排氣噪聲有所降低。圖4-26可變流通截面渦輪增壓器為了增加進(jìn)入氣缸的新鮮充量，進(jìn)氣門在吸氣上止點(diǎn)前要提前開啟，在吸氣下止點(diǎn)后應(yīng)推遲關(guān)閉。(二)徑流式渦輪機(jī)的工作原理最理想的換氣過(guò)程，應(yīng)當(dāng)是廢氣和新鮮充量毫不相混，掃氣氣流將廢氣全部擠出。第五節(jié)二沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣1)增壓器的質(zhì)量與尺寸相對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)而言都很小，增壓可以使發(fā)動(dòng)機(jī)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，升功率、比質(zhì)量功率和比體積功率都有較大增加，因而可以降低單位功率的造價(jià)，提高材料的利用率，對(duì)于大型柴油機(jī)而言，經(jīng)濟(jì)效益更加突出。氣門疊開所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角叫氣門疊開角，等于排氣遲閉角與進(jìn)氣提前角之和。1)渦輪機(jī)和壓氣機(jī)同軸安裝：nT=nC。圖4-1四沖程內(nèi)燃機(jī)換氣過(guò)程的示意圖

a)配氣相位與低壓p-V示功圖b)氣門升程與p-φ示功圖

IVO—進(jìn)氣門開啟角IVC—進(jìn)氣門關(guān)閉角EVO—排氣門

開啟角EVC—排氣門關(guān)閉角—余隙容積

—?dú)飧坠ぷ魅莘e圖4-12進(jìn)氣管對(duì)充量系數(shù)的影響

a)進(jìn)氣管長(zhǎng)度的影響b)進(jìn)氣管管徑的影響從進(jìn)氣門開啟到關(guān)閉，內(nèi)燃機(jī)吸入新鮮充量的整個(gè)過(guò)程稱為進(jìn)氣過(guò)程。圖4-28所示是兩種型號(hào)的增壓器的運(yùn)行范圍示意圖，型號(hào)Ⅰ的增壓器流量特性比型號(hào)Ⅱ的小，內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行線為AB。增大氣門疊開角除降低受熱零件的熱負(fù)荷以外，還有利于缸內(nèi)廢氣的掃除和進(jìn)氣終點(diǎn)溫度的降低，使充量系數(shù)增大。圖4-5充量系數(shù)與平均進(jìn)氣馬赫數(shù)的關(guān)系圖4-6不同進(jìn)氣門數(shù)的方案比較

I—進(jìn)氣門E—排氣門1)低速時(shí)，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(jìn)氣系統(tǒng)的倒流，以增加低速轉(zhuǎn)矩，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

2)高速時(shí)應(yīng)具有最大的氣門升程和進(jìn)氣門遲閉角，以最大限度地減小流動(dòng)阻力，并充分利用過(guò)后充氣，提高充量系數(shù)，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)高速時(shí)動(dòng)力性的要求。

3)配合以上變化，進(jìn)氣門從開啟到關(guān)閉的進(jìn)氣持續(xù)角也進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)不同工況下最佳的氣門正時(shí)，將泵氣損失降到最低。圖4-9發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣

遲閉角對(duì)充量系數(shù)的影響圖4-10氣門正時(shí)和升程變化示意圖

a)固定的氣門正時(shí)和氣門升程b)氣門正時(shí)不變，氣門升程可變

c)氣門正時(shí)可變，氣門升程不變d)氣門正時(shí)和氣門升程均可變圖4-11三段式凸輪可變配氣系

統(tǒng)i-VTEC發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性圖4-12進(jìn)氣管對(duì)充量系數(shù)的影響

a)進(jìn)氣管長(zhǎng)度的影響b)進(jìn)氣管管徑的影響圖4-13可變進(jìn)氣系統(tǒng)及其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響降低排氣系統(tǒng)阻力，可以使氣缸內(nèi)的殘余廢氣壓力下降，這樣不僅減小了殘余廢氣系數(shù)，提高充量系數(shù)，而且可以減少泵氣損失，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是降低排氣背壓，減小排氣噪聲。與進(jìn)氣系統(tǒng)一樣，排氣流通截面最小處是排氣門座處，此處的流速最高，壓降最大，故在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證排氣門處的良好流體動(dòng)力性能。排氣道應(yīng)當(dāng)是漸擴(kuò)型，以保證排出氣體的充分膨脹。排氣管也存在諧振現(xiàn)象，所希望的諧振效果是使排氣門處的壓力降低，以利于排氣。良好的歧管流型與結(jié)構(gòu)也有助于降低排氣流動(dòng)阻力，特別是對(duì)于高速多缸發(fā)動(dòng)機(jī)，為避免排氣壓力波的互相干涉，用多枝型排氣管或多排氣管結(jié)構(gòu)來(lái)替代單排氣管，可以獲得良好的低速轉(zhuǎn)矩與充量系數(shù)。在排氣管中往往還有消聲器和排氣后處理器(催化轉(zhuǎn)化器)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在保證良好的消聲與降污效果的前提下，盡可能降低流動(dòng)阻力。在進(jìn)氣過(guò)程中，進(jìn)入氣缸的新鮮充量不可避免地被各種高溫表面加熱，從而導(dǎo)致溫度升高，使缸內(nèi)進(jìn)氣密度下降，充量系數(shù)減小。進(jìn)氣溫升主要受發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行參數(shù)的影響，如進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、冷卻水溫度及冷卻水道設(shè)計(jì)等。為提高充量系數(shù)，應(yīng)盡量減少對(duì)進(jìn)氣的加熱。第四節(jié)內(nèi)燃機(jī)的增壓一、內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)概述

二、渦輪增壓器的工作特性

三、排氣渦輪增壓系統(tǒng)簡(jiǎn)介

四、渦輪增壓器與內(nèi)燃機(jī)的匹配

五、汽油機(jī)的增壓技術(shù)

六、機(jī)械增壓一、內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)概述

(1)機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸直接驅(qū)動(dòng)機(jī)械增壓裝置(如螺桿式、離心式、滑片式、渦旋式、轉(zhuǎn)子活塞式等壓縮機(jī))，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)氣的壓縮。

(2)排氣渦輪增壓壓氣機(jī)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(dòng)下旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)壓氣機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)氣增壓。(1)機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸直接驅(qū)動(dòng)機(jī)械增壓裝置(如螺桿式、離心式、滑片式、渦旋式、轉(zhuǎn)子活塞式等壓縮機(jī))，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)氣的壓縮。

(2)排氣渦輪增壓圖4-14內(nèi)燃機(jī)增壓的幾種基本形式

a)機(jī)械增壓b)一級(jí)渦輪增壓c)二級(jí)渦輪增壓d)復(fù)合增壓

E—發(fā)動(dòng)機(jī)C—壓氣機(jī)T—渦輪機(jī)優(yōu)勢(shì)1)增壓器的質(zhì)量與尺寸相對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)而言都很小，增壓可以使發(fā)動(dòng)機(jī)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，升功率、比質(zhì)量功率和比體積功率都有較大增加，因而可以降低單位功率的造價(jià)，提高材料的利用率，對(duì)于大型柴油機(jī)而言，經(jīng)濟(jì)效益更加突出。

2)與自然吸氣內(nèi)燃機(jī)相比，排氣可以在渦輪中得到進(jìn)一步膨脹，因而排氣噪聲有所降低。

3)內(nèi)燃機(jī)增壓后有利于高原稀薄空氣條件下恢復(fù)功率，使之達(dá)到或接近平原性能。

4)柴油機(jī)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(jī)一般采用較大的過(guò)量空氣系數(shù)，HC、CO和碳煙排放降低。

6)技術(shù)適用性廣，適用于從低速到高速的二沖程和四沖程的各種缸徑的發(fā)動(dòng)機(jī)。代價(jià)1)增壓后缸內(nèi)工作壓力和溫度明顯提高，機(jī)械負(fù)荷及熱負(fù)荷加大，內(nèi)燃機(jī)的可靠性和耐久性受到考驗(yàn)。

2)低速時(shí)由于排氣能量不足，可能會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩受到一定影響，對(duì)工程機(jī)械和車用造成不利影響。

3)由于在渦輪增壓器中，從排氣能量的變化到新的進(jìn)氣壓力的建立需要一定的時(shí)間，所以內(nèi)燃機(jī)的加速響應(yīng)性能較自然吸氣機(jī)型差。

4)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能的進(jìn)一步優(yōu)化，受到增壓器及中冷器的限制，其中增壓器的問(wèn)題集中在材料的機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性能、潤(rùn)滑、效率等方面，而對(duì)中冷器的要求是體積小、質(zhì)量輕、效率高。二、渦輪增壓器的工作特性(一)離心式壓氣機(jī)的工作特性

(二)徑流式渦輪機(jī)的工作原理二、渦輪增壓器的工作特性圖4-15徑流式渦輪增壓器結(jié)構(gòu)圖

1—壓氣機(jī)蝸殼2—壓氣機(jī)葉輪3—推力軸承4—壓氣機(jī)端密封座

5—擋油板6—中間殼體7—浮動(dòng)軸承8—渦輪葉輪9—渦輪蝸殼(一)離心式壓氣機(jī)的工作特性

圖4-16離心式壓氣機(jī)工作過(guò)程簡(jiǎn)圖

a)離心式壓氣機(jī)簡(jiǎn)圖b)空氣沿壓氣機(jī)通道的參數(shù)變化

1—進(jìn)氣道2—工作輪3—擴(kuò)壓器4—蝸殼圖4-17壓氣機(jī)和渦輪機(jī)前后氣體狀態(tài)焓熵圖

a)壓氣機(jī)中的焓熵變化b)渦輪中的焓熵變化綜上所述，內(nèi)燃機(jī)在低增壓時(shí)宜采用脈沖增壓系統(tǒng)，高增壓時(shí)兩種系統(tǒng)均可采用。圖4-27柴油機(jī)與渦輪增壓器聯(lián)合運(yùn)行特性

1—負(fù)荷特性2—負(fù)荷特性3—外特性線

4—螺旋槳特性線5—喘振邊界6—最高轉(zhuǎn)速線

7—最高排溫線8—最低效率線目前，由于缸內(nèi)直噴技術(shù)、爆燃傳感器的使用，一定程度上緩解了增壓汽油機(jī)控制爆燃的難度。2)與自然吸氣內(nèi)燃機(jī)相比，排氣可以在渦輪中得到進(jìn)一步膨脹，因而排氣噪聲有所降低。試驗(yàn)表明，臨界截面一般出現(xiàn)在葉片擴(kuò)壓器的進(jìn)口喉部附近，但當(dāng)葉輪進(jìn)口喉部面積過(guò)小時(shí)，也可能造成在葉輪喉口附近發(fā)生堵塞。圖4-18離心式壓氣機(jī)的流量特性圖4-21徑流式渦輪機(jī)的工作簡(jiǎn)圖

1—進(jìn)氣蝸殼2—噴嘴環(huán)3—工作輪4—出氣道如脈沖系統(tǒng)，為了使各缸的排氣不至于互相干擾，要求同一排氣支管內(nèi)所連各缸內(nèi)的排氣不能重疊或盡可能地減小重疊。在掃氣階段，掃氣和排氣同時(shí)進(jìn)行。實(shí)踐證明，葉片擴(kuò)壓器喉口面積直接影響壓氣機(jī)的喘振，可以采用改變?nèi)~片擴(kuò)壓器喉口面積的辦法來(lái)控制喘振線的左右移動(dòng)。泵氣功是指缸內(nèi)氣體對(duì)活塞在強(qiáng)制排氣行程和吸氣行程所做的功，泵氣損失則是指與理論循環(huán)相比，發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞在泵氣過(guò)程所造成的功的損失［2］。第四章內(nèi)燃機(jī)的換氣過(guò)程當(dāng)氣缸壓力下降到接近于掃氣壓力ps時(shí)，掃氣口開啟，由于壓差很小，掃氣口開啟面積也很小，再加上燃?xì)獾恼承院蛻T性，因而不會(huì)造成倒流。為了使新鮮充量不與廢氣摻混，掃氣口沿切線方向排列，使進(jìn)入氣缸的充量旋轉(zhuǎn)，形成一個(gè)“空氣活塞”，可以較好地避免新鮮充量與廢氣的互相混合，并將廢氣經(jīng)燃燒室頂部的排氣門推出氣缸。四、二沖程內(nèi)燃機(jī)的掃氣方案圖4-18離心式壓氣機(jī)的流量特性1)離心式壓氣機(jī)的特性曲線在相同轉(zhuǎn)速的條件下，壓氣機(jī)增壓比πb和效率ηb隨壓氣機(jī)流量qmb的變化關(guān)系，稱為壓氣機(jī)的流量特性，簡(jiǎn)稱為壓氣機(jī)的特性。

2)壓氣機(jī)的喘振與堵塞在圖4-18中，還有一條壓氣機(jī)的喘振線，是壓氣機(jī)穩(wěn)定工作的邊界。

3)壓氣機(jī)的通用特性壓氣機(jī)特性曲線中的參數(shù)，都是在一定的大氣狀態(tài)下測(cè)得的。圖4-19壓氣機(jī)損失分析圖圖4-20壓氣機(jī)的通用特性曲線(二)徑流式渦輪機(jī)的工作原理

(二)徑流式渦輪機(jī)的工作原理圖4-21徑流式渦輪機(jī)的工作簡(jiǎn)圖

1—進(jìn)氣蝸殼2—噴嘴環(huán)3—工作輪4—出氣道徑流式渦輪機(jī)主要是由進(jìn)氣蝸殼1、噴嘴環(huán)2、工作輪3以及出氣道4等組成，如圖4-21所示。渦輪機(jī)的工作原理與壓氣機(jī)正好相反，內(nèi)燃機(jī)排氣由進(jìn)氣蝸殼1流入噴嘴環(huán)2，噴嘴環(huán)是由周向均勻安裝、帶有一定傾角的多個(gè)葉片組成，葉片之間形成漸縮通道，內(nèi)燃機(jī)高溫排氣流過(guò)噴嘴環(huán)時(shí)被加速，壓力、溫度下降，速度大大增加，一部分排氣能量轉(zhuǎn)化為氣流的動(dòng)能。部分小型渦輪常設(shè)計(jì)為無(wú)葉噴嘴環(huán)結(jié)構(gòu)。與壓氣機(jī)相反，渦輪機(jī)將排氣能量通過(guò)噴嘴部分轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，并在葉輪中進(jìn)一步膨脹，推動(dòng)渦輪葉片旋轉(zhuǎn)，從而將排氣能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械功圖4-22渦輪機(jī)的通用特性曲線三、排氣渦輪增壓系統(tǒng)簡(jiǎn)介(一)定壓渦輪增壓系統(tǒng)

(二)脈沖渦輪增壓系統(tǒng)

(三)定壓系統(tǒng)與脈沖系統(tǒng)的比較

(四)可變?cè)鰤合到y(tǒng)三、排氣渦輪增壓系統(tǒng)簡(jiǎn)介圖4-23渦輪增壓系統(tǒng)的兩種基本形式

a)定壓系統(tǒng)b)脈沖系統(tǒng)(三)內(nèi)燃機(jī)的增壓改造圖4-10氣門正時(shí)和升程變化示意圖

a)固定的氣門正時(shí)和氣門升程b)氣門正時(shí)不變，氣門升程可變

c)氣門正時(shí)可變，氣門升程不變d)氣門正時(shí)和氣門升程均可變圖4-9發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣

遲閉角對(duì)充量系數(shù)的影響渦輪機(jī)的工作原理與壓氣機(jī)正好相反，內(nèi)燃機(jī)排氣由進(jìn)氣蝸殼1流入噴嘴環(huán)2，噴嘴環(huán)是由周向均勻安裝、帶有一定傾角的多個(gè)葉片組成，葉片之間形成漸縮通道，內(nèi)燃機(jī)高溫排氣流過(guò)噴嘴環(huán)時(shí)被加速，壓力、溫度下降，速度大大增加，一部分排氣能量轉(zhuǎn)化為氣流的動(dòng)能。四、二沖程內(nèi)燃機(jī)的掃氣方案為了使新鮮充量不與廢氣摻混，掃氣口沿切線方向排列，使進(jìn)入氣缸的充量旋轉(zhuǎn)，形成一個(gè)“空氣活塞”，可以較好地避免新鮮充量與廢氣的互相混合，并將廢氣經(jīng)燃燒室頂部的排氣門推出氣缸。圖4-1四沖程內(nèi)燃機(jī)換氣過(guò)程的示意圖

a)配氣相位與低壓p-V示功圖b)氣門升程與p-φ示功圖

IVO—進(jìn)氣門開啟角IVC—進(jìn)氣門關(guān)閉角EVO—排氣門

開啟角EVC—排氣門關(guān)閉角—余隙容積

—?dú)飧坠ぷ魅莘e為了增加進(jìn)入氣缸的新鮮充量，進(jìn)氣門在吸氣上止點(diǎn)前要提前開啟，在吸氣下止點(diǎn)后應(yīng)推遲關(guān)閉。三、換氣過(guò)程質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)圖4-13可變進(jìn)氣系統(tǒng)及其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響從圖4-2可以看出，對(duì)于自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，它的泵氣功的大小可用圖中面積Y+X表示，對(duì)整個(gè)循環(huán)來(lái)說(shuō)為負(fù)功，泵氣損失在數(shù)值上等于它的泵氣功。圖4-30c所示的是直流掃氣方案中的一種，即氣門-氣孔掃氣方案。試驗(yàn)表明，臨界截面一般出現(xiàn)在葉片擴(kuò)壓器的進(jìn)口喉部附近，但當(dāng)葉輪進(jìn)口喉部面積過(guò)小時(shí)，也可能造成在葉輪喉口附近發(fā)生堵塞。圖4-18離心式壓氣機(jī)的流量特性四、二沖程內(nèi)燃機(jī)的掃氣方案(一)定壓渦輪增壓系統(tǒng)圖4-24定壓渦輪增壓

柴油機(jī)的理論示功圖(二)脈沖渦輪增壓系統(tǒng)脈沖渦輪增壓系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱脈沖系統(tǒng))旨在提高在定壓系統(tǒng)中損失能量(面積5-b-e)的利用率。這種方案的特點(diǎn)是排氣管做得短而細(xì)，排氣系統(tǒng)容積要盡可能小，使排氣能直接迅速地進(jìn)入渦輪機(jī)中膨脹做功，減少節(jié)流損失。此外，為減少各缸排氣壓力波的相互干擾，往往采用兩根或更多排氣支管將相鄰發(fā)火氣缸的排氣相互隔開。圖4-24b中，發(fā)火順序?yàn)?-5-3-6-2-4，缸1、2、3共用一根排氣管，缸4、5、6共用另一根排氣管，例如當(dāng)缸1開始排氣后，排氣管內(nèi)的壓力pT能夠迅速升高到接近缸內(nèi)氣體壓力p1，因而減少了排氣的節(jié)流損失，而在缸1排氣過(guò)程中，同一排氣管內(nèi)其他氣缸尚無(wú)排氣門打開，與另一排氣管中缸5排氣也不產(chǎn)生排氣壓力波的相互干擾。隨著排氣流入渦輪，缸內(nèi)和排氣管內(nèi)壓力pT迅速下降，待到同一排氣管內(nèi)相鄰發(fā)火間隔的缸3開始排氣時(shí)，缸1排氣門已經(jīng)關(guān)閉，缸3的排氣壓力波不會(huì)影響缸1的排氣過(guò)程。隨著缸3排氣的進(jìn)行，管內(nèi)的壓力pT又迅速升高，而后又降低，于是形成了排氣管內(nèi)的壓力周期性脈動(dòng)。由于排氣管內(nèi)的壓力周期性脈動(dòng)，造成渦輪進(jìn)口壓力的周期性脈動(dòng)，渦輪是在進(jìn)口壓力有較大波動(dòng)的情況下工作的，所以稱為脈沖渦輪增壓系統(tǒng)。(三)定壓系統(tǒng)與脈沖系統(tǒng)的比較

脈沖系統(tǒng)中，由于排氣節(jié)流所造成的排氣能量的損失比定壓系統(tǒng)的小，同時(shí)還考慮了對(duì)排氣脈沖能量的利用，而在定壓系統(tǒng)中，脈沖能量由于排氣管容積大而幾乎損失殆盡，所以脈沖增壓對(duì)排氣能量的利用比定壓增壓要好。但當(dāng)增壓比提高時(shí)，定壓系統(tǒng)排氣管內(nèi)的壓力也相應(yīng)提高，排氣能量的損失有所下降，且脈沖能量在排氣能量中所占的比重也隨增壓比的增加而減小，所以兩種系統(tǒng)對(duì)排氣能量的利用效果將隨增壓比的提高而逐漸接近。一般而言，當(dāng)增壓比小于時(shí)，采用脈沖系統(tǒng)對(duì)排氣能量的利用比較好。圖4-25排氣脈沖波與內(nèi)燃機(jī)的掃氣性能

a)脈沖系統(tǒng)b)定壓系統(tǒng)在脈沖系統(tǒng)中，由于排氣管容積較小，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷改變時(shí)，排氣溫度和壓力的變化很快傳遞到渦輪機(jī)，并由渦輪直接反映到壓氣機(jī)，從而使增壓器能較快響應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的變化，所以采用脈沖系統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)加速性能好。此外，在內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，脈沖系統(tǒng)的可用能與定壓系統(tǒng)的可用能之比增大，有利于改善內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性。在排氣管容積較大的定壓系統(tǒng)中，渦輪機(jī)前的壓力變化比較緩慢，特別是在低增壓時(shí)，排氣能量的利用率低，加速性能差。定壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩特性也不如脈沖系統(tǒng)。從排氣渦輪的效率來(lái)看，脈沖系統(tǒng)的平均等熵效率比定壓系統(tǒng)略低。這是因?yàn)樵趦?nèi)燃機(jī)開始排氣時(shí)，排氣以很高的流速進(jìn)入渦輪，流動(dòng)損失增加；渦輪前的排氣溫度和壓力都是周期性脈動(dòng)的，進(jìn)入工作輪葉片的排氣流動(dòng)方向也是周期性地改變，這使得氣流的撞擊損失增加；脈動(dòng)的壓力有時(shí)還造成渦輪機(jī)的部分進(jìn)氣現(xiàn)象，因此脈沖系統(tǒng)的熱效率較低。定壓系統(tǒng)的渦輪前壓力恒定，且渦輪噴嘴環(huán)全周進(jìn)氣，渦輪的效率較高。與定壓系統(tǒng)相比，脈沖系統(tǒng)的尺寸較大，排氣管的結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。綜上所述，內(nèi)燃機(jī)在低增壓時(shí)宜采用脈沖增壓系統(tǒng)，高增壓時(shí)兩種系統(tǒng)均可采用。車用發(fā)動(dòng)機(jī)大部分時(shí)間是在部分負(fù)荷下工作，對(duì)加速性能和轉(zhuǎn)矩特性要求較高，故較多采用脈沖增壓系統(tǒng)。對(duì)于船用、發(fā)電等場(chǎng)合，由于變工況要求并不突出，對(duì)增壓系統(tǒng)的空間安裝位置也無(wú)嚴(yán)格限制，且增壓度一般較高，故多采用定壓增壓系統(tǒng)。(四)可變?cè)鰤合到y(tǒng)圖4-26可變流通截面渦輪增壓器四、渦輪增壓器與內(nèi)燃機(jī)的匹配(一)內(nèi)燃機(jī)與渦輪增壓器的匹配計(jì)算

(二)渦輪增壓器與內(nèi)燃機(jī)聯(lián)合運(yùn)行特性的調(diào)整

(三)內(nèi)燃機(jī)的增壓改造(一)內(nèi)燃機(jī)與渦輪增壓器的匹配計(jì)算1)渦輪機(jī)和壓氣機(jī)同軸安裝：nT=nC。

2)扣除機(jī)械損失，渦輪機(jī)的輸出功率與壓氣機(jī)的消耗功率相等：Pb=ηmPT。

3)通過(guò)壓氣機(jī)和渦輪機(jī)的氣體流量有如下關(guān)系(二)渦輪增壓器與內(nèi)燃機(jī)聯(lián)合運(yùn)行特性的調(diào)整

(二)渦輪增壓器與內(nèi)燃機(jī)聯(lián)合運(yùn)行特性的調(diào)整圖4-27柴油機(jī)與渦輪增壓器聯(lián)合運(yùn)行特性

1—負(fù)荷特性2—負(fù)荷特性3—外特性線

4—螺旋槳特性線5—喘振邊界6—最高轉(zhuǎn)速線

7—最高排溫線8—最低效率線(二)渦輪增壓器與內(nèi)燃機(jī)聯(lián)合運(yùn)行特性的調(diào)整圖4-28增壓器流量范圍的調(diào)整

每個(gè)型號(hào)的渦輪增壓器都有其合適的使用流量范圍，它通常是指從喘振線至某一效率等值線(例如ηb=0.7)或堵塞線所包括的區(qū)域。圖4-28所示是兩種型號(hào)的增壓器的運(yùn)行范圍示意圖，型號(hào)Ⅰ的增壓器流量特性比型號(hào)Ⅱ的小，內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行線為AB。當(dāng)內(nèi)燃機(jī)與型號(hào)Ⅱ的增壓器配合時(shí)，聯(lián)合運(yùn)行線AB穿過(guò)壓氣機(jī)的喘振線，說(shuō)明該增壓器對(duì)于所匹配的內(nèi)燃機(jī)而言流量偏大。當(dāng)與型號(hào)Ⅰ匹配時(shí)，運(yùn)行線遠(yuǎn)離喘振線而位于壓氣機(jī)低效率區(qū)，因此無(wú)論選擇哪一個(gè)增壓器與內(nèi)燃機(jī)聯(lián)合運(yùn)行，都需要進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整與匹配。調(diào)整渦輪增壓器的某些結(jié)構(gòu)參數(shù)，如增大渦輪噴嘴環(huán)出口截面積等，將內(nèi)燃機(jī)的聯(lián)合運(yùn)行線向右移動(dòng)，使其離開喘振線而進(jìn)入正常的工作區(qū)域。因?yàn)榇裰饕怯扇~片擴(kuò)壓器引起的，所以改變?nèi)~片擴(kuò)壓器的結(jié)構(gòu)參數(shù)就可以達(dá)到移動(dòng)喘振線的目的，如改變擴(kuò)壓器的進(jìn)口角、喉口面積等。實(shí)踐證明，葉片擴(kuò)壓器喉口面積直接影響壓氣機(jī)的喘振，可以采用改變?nèi)~片擴(kuò)壓器喉口面積的辦法來(lái)控制喘振線的左右移動(dòng)。還可以通過(guò)改變渦輪噴嘴環(huán)的出口流通面積、改變運(yùn)行線的方法適應(yīng)壓氣機(jī)的特性曲線。壓氣機(jī)堵塞現(xiàn)象的產(chǎn)生，是源于在某個(gè)流通截面上，氣體流動(dòng)速度達(dá)到了聲速而導(dǎo)致流量不再增加。試驗(yàn)表明，臨界截面一般出現(xiàn)在葉片擴(kuò)壓器的進(jìn)口喉部附近，但當(dāng)葉輪進(jìn)口喉部面積過(guò)小時(shí)，也可能造成在葉輪喉口附近發(fā)生堵塞。因此，適當(dāng)增大葉片擴(kuò)壓器喉口面積和葉輪喉口面積，可以提高壓氣機(jī)的堵塞流量，從而擴(kuò)大壓氣機(jī)工作的流量范圍。渦輪增壓器在運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)超速現(xiàn)象，即增壓內(nèi)燃機(jī)的功率尚未達(dá)到額定值時(shí)，增壓器轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到了允許的最大值，若繼續(xù)增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率，增壓器將處于超速狀態(tài)，這是不允許的。采用增大渦輪噴嘴面積的方法，減小渦輪前的排氣能量，可克服增壓器的超速問(wèn)題。(三)內(nèi)燃機(jī)的增壓改造

為了降低最高燃燒壓力，增壓內(nèi)燃機(jī)應(yīng)適當(dāng)降低壓縮比。增壓度越高，壓縮比降低幅度越大，但過(guò)高的降幅會(huì)惡化內(nèi)燃機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能，且會(huì)造成冷起動(dòng)困難。對(duì)于汽油機(jī)而言，增壓容易誘發(fā)爆燃，故降低壓縮比是比較普遍的選擇。為了適應(yīng)增壓后功率增大的要求，需要增加每循環(huán)的供油量。對(duì)于增壓柴油機(jī)而言，為了使供油持續(xù)期近似不變，常采用以下方法：增大柱塞直徑，增加供油速率，提高噴油壓力，加大噴孔直徑等，這些措施也保證了燃油噴射油束在空氣密度提高的情況下有足夠的貫穿距離。利用增壓壓力比排氣壓力高的有利條件，合理地加大氣門疊開角，以加強(qiáng)燃燒室掃氣，從而降低缸內(nèi)受熱零件的熱負(fù)荷。試驗(yàn)表明，氣門疊開角每增加10°(CA)，活塞平均溫度降低4℃。增大氣門疊開角除降低受熱零件的熱負(fù)荷以外，還有利于缸內(nèi)廢氣的掃除和進(jìn)氣終點(diǎn)溫度的降低，使充量系數(shù)增大。此外，一定量的掃氣降低了排氣溫度，改善了渦輪的工作條件。進(jìn)排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要與增壓系統(tǒng)的要求相一致。如脈沖系統(tǒng)，為了使各缸的排氣不至于互相干擾，要求同一排氣支管內(nèi)所連各缸內(nèi)的排氣不能重疊或盡可能地減小重疊。如發(fā)火次序?yàn)?-5-3-6-2-4的6缸機(jī)，可以采用缸1、2、3和缸4、5、6各連一根排氣管，每一根管內(nèi)相鄰兩缸間的工作夾角為240°(CA)，與排氣脈沖波的持續(xù)時(shí)間大致相同，排氣干擾不大。對(duì)增壓器出口空氣進(jìn)行冷卻，一方面可以進(jìn)一步提高內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣管內(nèi)的空氣密度，從而提高內(nèi)燃機(jī)的功率輸出，另一方面可以降低內(nèi)燃機(jī)壓縮始點(diǎn)的溫度和整個(gè)循環(huán)的平均溫度，從而降低內(nèi)燃機(jī)的排氣溫度、熱負(fù)荷和NOx排放。對(duì)增壓器出口空氣進(jìn)行冷卻稱為中冷，可以利用循環(huán)冷卻水進(jìn)行“水冷”或用冷卻風(fēng)扇進(jìn)行“風(fēng)冷”。利用冷卻風(fēng)扇加車輛運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的高速氣體流動(dòng)來(lái)冷卻增壓空氣的“空-空”中冷方式，可以獲得比較好的冷卻效果，且布置較為靈活，近年來(lái)在車用發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得廣泛應(yīng)用。五、汽油機(jī)的增壓技術(shù)

汽油機(jī)增壓后，由于混合氣的壓縮始點(diǎn)壓力、溫度增高，以及燃燒室受熱零件熱負(fù)荷提高等原因，將促使爆燃的發(fā)生。為此，必須采用降低壓縮比、推遲點(diǎn)火時(shí)刻、采用進(jìn)氣中冷等技術(shù)措施來(lái)控制爆燃的發(fā)生，但卻會(huì)帶來(lái)熱效率下降、排溫過(guò)高、成本增加等不利影響。正因?yàn)槿绱?，汽油機(jī)的增壓度一般比柴油機(jī)低得多，其增壓比一般不超過(guò)2，功率最高增加幅度約為40%～50%，而燃油經(jīng)濟(jì)性則不一定有所改善。目前，由于缸內(nèi)直噴技術(shù)、爆燃傳感器的使用，一定程度上緩解了增壓汽油機(jī)控制爆燃的難度。汽油機(jī)的過(guò)量空氣系數(shù)小，燃燒溫度高，膨脹比小，排氣溫度也比柴油機(jī)高200～300℃。增壓后，汽油機(jī)的整體溫度水平提高，熱負(fù)荷加重，同時(shí)，為避免可燃混合氣的損失，一般氣門疊開角不大，燃燒室的掃氣作用不明顯。因此，增壓汽油機(jī)的排氣門、活塞、渦輪等處的熱負(fù)荷均比增壓柴油機(jī)嚴(yán)重。汽油機(jī)增壓度低、流量范圍廣、熱負(fù)荷高、最高轉(zhuǎn)速高且轉(zhuǎn)速變化范圍大，這就要求增壓器體積要小、耐高溫性能要好、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要小，同時(shí)效率也要保證在一定的范圍內(nèi)，并要求有增壓調(diào)節(jié)裝置等。六、機(jī)械增壓1)制造工藝水平和材料科學(xué)的進(jìn)步，使現(xiàn)代機(jī)械增壓器的體積與噪聲大幅度降低，效率和使用壽命有很大的提高。

2)小排量發(fā)動(dòng)機(jī)采用渦輪增壓難度很大，采用機(jī)械增壓可以比渦輪增壓有更好的動(dòng)力、轉(zhuǎn)矩甚至經(jīng)濟(jì)性能。

3)對(duì)于排氣管中安裝有催化轉(zhuǎn)化器或顆粒物捕集器等后處理裝置的發(fā)動(dòng)機(jī)，機(jī)械增壓系統(tǒng)中對(duì)排氣系統(tǒng)不作任何改動(dòng)。第五節(jié)二沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣一、二沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣過(guò)程

二、二沖程內(nèi)燃機(jī)換氣過(guò)程的特點(diǎn)

三、換氣過(guò)程質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)

四、二沖程內(nèi)燃機(jī)的掃氣方案第五節(jié)二沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣圖4-29二沖程內(nèi)燃機(jī)

換氣過(guò)程示意圖

—活塞排量—余隙容積

—掃氣行程—掃氣

壓力BDC—下止點(diǎn)一、二沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣過(guò)程

二沖程內(nèi)燃機(jī)的排氣口一般在下止點(diǎn)前60°～75°(CA)開啟，且早于掃氣口打開。從排氣口開啟到掃氣口開啟，缸內(nèi)壓力高于排氣背壓，燃?xì)饪梢宰杂傻亓鞒龈淄?，這一排氣時(shí)期稱為自由排氣階段。在排氣口剛開啟的一段時(shí)間或曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)，氣缸內(nèi)壓力p較高，約為300～600kPa，排氣口后的壓力pr較低，排氣口前后的壓力比pr／p超過(guò)臨界值，出現(xiàn)臨界排氣。在超臨界排氣階段，排氣流量與排氣管內(nèi)的氣體狀態(tài)無(wú)關(guān)，只取決于缸內(nèi)氣體的狀態(tài)和排氣口流通截面的大小。在自由排氣階段，缸內(nèi)燃?xì)饪梢粤鞒龃蠹s70%～80%，所以它是二沖程內(nèi)燃機(jī)換氣過(guò)程的一個(gè)重要階段。從掃氣口打開到活塞運(yùn)動(dòng)到下止點(diǎn)后上行將掃氣口關(guān)閉為止，這一時(shí)期稱為掃氣階段。在掃氣階段，掃氣和排氣同時(shí)進(jìn)行。當(dāng)氣缸壓力下降到接近于掃氣壓力ps時(shí)，掃氣口開啟，由于壓差很小，掃氣口開啟面積也很小，再加上燃?xì)獾恼承院?/p>