發(fā)動(dòng)機(jī)原理第三章發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程

1、第三章 發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程換氣過程排氣過程進(jìn)氣過程 換氣過程的任務(wù) 排除廢氣充入盡可能多的新鮮工質(zhì) 研究的內(nèi)容換氣過程的進(jìn)行情況 分析影響充氣量的各種因素 提高充氣量 減少換氣損失方向與措施。找出 第一節(jié)第一節(jié)四行程發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程四行程發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程 一、換氣過程 四行程發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程包括從排氣門開 啟 到 進(jìn) 氣 門 關(guān) 閉 的 整 個(gè) 時(shí) 期 ， 約 占410480曲軸轉(zhuǎn)角。換氣過程自由排氣強(qiáng)制排氣進(jìn)氣氣門疊開 1自由排氣階段 排氣門開啟到氣缸壓力接近了排氣管壓力的這一時(shí)期，稱為自由排氣階段。 排氣提前角：從排氣門開啟到活塞行至下止點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角稱為，一般為3080曲軸轉(zhuǎn)角。自由排

2、氣階段超臨界狀態(tài)亞臨界狀態(tài) （1）超臨界狀態(tài) 排氣門開啟時(shí)，氣缸內(nèi)廢氣壓力較高（0.20.5Mpa），缸內(nèi)壓力與排氣管壓力之比1.9，排氣流動(dòng)處于超臨界狀態(tài)，可利用廢氣自身的壓力自行排出。 通過排氣門口廢氣的流速等于該狀態(tài)下的音速（m/s）式中 K絕熱指數(shù)； T氣體的絕對(duì)溫度； R氣體常數(shù)Nm/（kgK）。KRTc 在超臨界排氣時(shí)期，廢氣流量與排氣管內(nèi)壓力pr無關(guān)，只與氣缸內(nèi)的氣體狀態(tài)及氣門開啟截面積有關(guān)。并且因排氣流速甚高，在排氣過程中伴有刺耳的噪聲，所以排氣系統(tǒng)必須裝有消聲器。 排出的廢氣量決定于氣缸內(nèi)及排氣管內(nèi)的壓力差。壓力差越大排出廢氣越多。當(dāng)?shù)侥骋粫r(shí)刻氣缸內(nèi)與排氣管內(nèi)壓力相等，自由排

3、氣階段結(jié)束（一般下止點(diǎn)后1030曲軸轉(zhuǎn)角）。此階段雖然歷程很短，但因排氣流速甚高，排出廢氣量達(dá)60%以上。（2）亞臨界狀態(tài) 缸內(nèi)壓力與排氣管內(nèi)壓力之比下降到1.9以下時(shí)，排氣流動(dòng)轉(zhuǎn)入亞臨界狀態(tài)，廢氣流速降低，產(chǎn)生的噪音較小。 高速發(fā)動(dòng)機(jī)其排氣提前角要大一些：在自由排氣階段中，排出的廢氣量與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速無關(guān)。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高時(shí)，在同樣的排氣時(shí)間（以秒計(jì)）所相當(dāng)?shù)那S轉(zhuǎn)角增大，因此，高速發(fā)動(dòng)機(jī)排氣提前角要大。但不宜過大，否則會(huì)使排氣損失加大。 2強(qiáng)制排氣階段：活塞上行強(qiáng)制推出廢氣。 缸內(nèi)平均壓力高于排氣管平均壓力：克服排氣門、排氣道處的阻力，一般高出10kpa左右。氣體的流速越高，此壓差越大，消耗的功越

4、多。慣性排氣。排氣遲閉角，一般為1035曲軸轉(zhuǎn)角。 正常進(jìn)氣 ：活塞下行殘余廢氣膨脹，新鮮氣體充入氣缸。慣性進(jìn)氣。進(jìn)氣遲閉角：一般為4070曲軸轉(zhuǎn)角。 準(zhǔn)備進(jìn)氣。進(jìn)氣提前角：一般為030曲軸轉(zhuǎn)角 4.氣門疊開 ：進(jìn)、排氣門同時(shí)開啟。 作用：由于進(jìn)氣管、氣缸、排氣管互相連通，可以利用氣流的壓差、慣性或進(jìn)、排氣管壓力波的幫助，清除殘余廢氣，增加進(jìn)氣量，降低高溫零件的溫度，但注意不應(yīng)產(chǎn)生廢氣倒流現(xiàn)象。 疊開角：進(jìn)、排氣門同時(shí)開啟時(shí)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，一般為2080曲軸轉(zhuǎn)角。在增壓發(fā)動(dòng)機(jī)可達(dá)80160的曲軸轉(zhuǎn)角。因其進(jìn)氣壓力高。 二、換氣損失換氣損失由排氣損失和進(jìn)氣損失兩部分組成。 1. 排氣損失 排氣損

5、失是從排氣門提前打開，直到進(jìn)氣行程開始，氣缸內(nèi)壓力到達(dá)大氣壓力之前，循環(huán)功的損失。 （1）自由排氣損失（圖中面積W），是由于排氣門提前打開而引起的膨脹功的減少。 （2）強(qiáng)制排氣損失（圖中面積Y），是活塞上行強(qiáng)制推出廢氣所消耗的功。 減少排氣損失的主要措施是：減小排氣系統(tǒng)阻力和排氣門處的流動(dòng)損失。 隨著排氣提前角增大，自由排氣損失面積增加，強(qiáng)制排氣損失面積減小，如圖中b曲線，如排氣提前角減少則強(qiáng)制排氣損失面積增加，如圖中c曲線。所以最有利的排氣提前角應(yīng)使面積（W+Y）之和最小。 2進(jìn)氣損失 進(jìn)氣損失：因進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力而引起的功的損失。 排氣損失與進(jìn)氣損失之和稱換氣損失，即圖中面積(W+X+Y)。

6、在實(shí)際循環(huán)示功圖中把面積(x+y-d)相當(dāng)?shù)呢?fù)功稱為泵氣損失。這部分損失放在機(jī)械損失中加以考慮。 第二節(jié) 四行程發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率 一、充氣效率 充氣效率是實(shí)際進(jìn)入氣缸的新鮮工質(zhì)的質(zhì)量與進(jìn)氣狀態(tài)下充滿氣缸工作容積的新鮮工質(zhì)的質(zhì)量的比值式中 m1 、V1實(shí)際進(jìn)入氣缸的新鮮工質(zhì)的質(zhì)量、體積（進(jìn)氣狀態(tài)）； ms 、Vs 進(jìn)氣狀態(tài)下充滿工作容積的新鮮工質(zhì)的質(zhì)量、氣缸工作容積。 ssvvvmm11 二、影響充氣效率的因素 （一）充氣效率v的表達(dá)式 1）進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)缸內(nèi)氣體的總質(zhì)量ma 假定進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)氣缸容積為（Vs +Vc），此時(shí)缸內(nèi)氣體壓力、溫度、密度為Pa、Ta、a，則缸內(nèi)氣體的總質(zhì)量為ascavv

7、m 2）排氣門關(guān)閉時(shí)缸內(nèi)殘余廢氣的質(zhì)量 假定排氣門關(guān)閉時(shí)缸內(nèi)體積為Vr，殘余廢氣的壓力、溫度、密度為Pr、Tr、 r ，則殘余廢氣的質(zhì)量為rrrvm3）充入氣缸新鮮充量的質(zhì)量為rrascssvvvvvssrrascvvvvv經(jīng)變換推導(dǎo)得111aassvTppT式中 Pa、 Ta進(jìn)氣狀態(tài)的溫度和壓力； Ts 、Ps進(jìn)氣終了時(shí)的氣體溫度和壓力； 殘余廢氣系數(shù)， 即進(jìn)氣過程結(jié)束時(shí)氣缸內(nèi)殘余廢氣量與氣缸內(nèi)新鮮充量的比值； 壓縮比。scscvvvvssvrvm （二）影響充氣效率的因素 1進(jìn)氣終了時(shí)的壓力Pa Pa對(duì) 有重要影響，Pa愈高， 值愈大 Pa=Ps-Pa 式中，pa為氣體流動(dòng)時(shí)，克服進(jìn)氣系統(tǒng)

8、阻力而引起的壓降(kPa)。一般可寫成 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）。 可見，pa主要取決于各段管道的阻力系數(shù)和氣體流速。若大、高時(shí)，pa增加，使pca下降。vv22vpa轉(zhuǎn)速和負(fù)荷對(duì)進(jìn)氣壓力的影響1）轉(zhuǎn)速當(dāng)節(jié)氣門位置一定時(shí)，n增加，Pa降低。 2）負(fù)荷 汽油機(jī)：當(dāng)節(jié)氣門關(guān)小時(shí)，節(jié)流損失增加，引起Pa下降。 且Pa 隨轉(zhuǎn)速的增加而下降的愈快，即曲線變化愈陡。 柴油機(jī)：負(fù)荷調(diào)節(jié)為“質(zhì)調(diào)節(jié)”，負(fù)荷減小時(shí)Pa變化很小。 2進(jìn)氣終了的溫度Ta 進(jìn)氣終了的溫度Ta高于進(jìn)氣狀態(tài)溫度。引起Ta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

9、鮮工質(zhì)與高溫殘余廢氣混合而被加熱。 3）在化油器式汽油機(jī)上，為了使液體燃料在進(jìn)氣管中蒸發(fā)，以便均勻地與空氣混合而進(jìn)入氣缸，一般都采用廢氣或冷卻水熱量對(duì)進(jìn)氣管加熱，故空氣經(jīng)過進(jìn)氣管時(shí)受熱而溫度升高。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)加大氣門疊開角等，均有利于降低Tca。 轉(zhuǎn)速和負(fù)荷對(duì)Ta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有所上升。 3.殘余廢氣系數(shù) 1） 增加， 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）

10、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。v44.配氣定時(shí) 由 的計(jì)算公式可見，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。55.壓縮比 壓縮比增加,壓縮容積減小,殘余廢氣量隨之減小,因而有所增加。v 第三節(jié) 提高充氣效率的措施 進(jìn)氣系統(tǒng)：空氣濾清器或加進(jìn)氣消聲器、化油器或噴油器、節(jié)氣門、進(jìn)氣管、進(jìn)氣道和進(jìn)氣門等組成。 減少各段通道的阻力，增大其流通能力，是提高充氣效率，改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能的主要途徑。 一、進(jìn)氣門 1.時(shí)面值 氣門開啟斷面與對(duì)應(yīng)開啟時(shí)間的乘積稱為氣門開啟的時(shí)面值。它表示

11、氣體流過氣門的通過能力。氣門開啟時(shí)間長(zhǎng)，開啟斷面大，則氣門開啟時(shí)面值大，氣流通過能力越強(qiáng)，阻力越小。 增大進(jìn)氣門頭部直徑，減小氣門頭部錐角，增大氣門升程，延長(zhǎng)氣門開啟時(shí)間，均可擴(kuò)大氣門開啟時(shí)面值。1 2. 進(jìn)氣馬赫數(shù)M 進(jìn)氣馬赫數(shù)M是進(jìn)氣門氣流平均速度Vm與該處音速C之比，即M=Vm/C。 M是決定氣流流動(dòng)性質(zhì)的重要參數(shù)。 M值反映氣體流動(dòng)和氣門結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系，對(duì)充氣效率有重要的影響。 根據(jù)一系列試驗(yàn)可知，在正常的配氣定時(shí)條件下，當(dāng)超過一定數(shù)值時(shí)，大約在0.5左右，充氣效率急劇下降。因此在可能條件下應(yīng)控制在最高轉(zhuǎn)速時(shí)不超過一定數(shù)值，以達(dá)到提高充氣效率的目的。1 3.氣門直徑和氣門數(shù) 進(jìn)氣門直徑

12、增大,擴(kuò)大氣流通路截面積增加，v提高。 雙氣門（一進(jìn)一排）：進(jìn)氣門直徑可達(dá)活塞直徑的45%50%，氣門與活塞面積之比 為 0 . 2 0 . 2 5 ， 進(jìn) 氣 門 比 排 氣 門 大15%20%。 受結(jié)構(gòu)限制，進(jìn)一步增大比例已很困難。多氣門結(jié)構(gòu)多氣門結(jié)構(gòu)：缸徑大于缸徑大于80mm時(shí)，采用二進(jìn)二排結(jié)構(gòu)；時(shí)，采用二進(jìn)二排結(jié)構(gòu)； 缸徑小于缸徑小于80mm時(shí)，采用三進(jìn)二排結(jié)構(gòu)。時(shí)，采用三進(jìn)二排結(jié)構(gòu)。 四氣門機(jī)與四氣門機(jī)與二氣門機(jī)相比，二氣門機(jī)相比，功 率 可 提 高功 率 可 提 高70%，扭矩可，扭矩可提高提高30%，且，且響應(yīng)性比增壓響應(yīng)性比增壓機(jī)好，故是汽機(jī)好，故是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)高功車發(fā)動(dòng)機(jī)高功率

13、化的有力措率化的有力措施。施。 4.4.氣門升程氣門升程 氣門升程增加、改進(jìn)凸輪型線、氣門升程增加、改進(jìn)凸輪型線、減小運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量、增加零件剛度，減小運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量、增加零件剛度，在慣性力允許條件下使氣門開閉盡在慣性力允許條件下使氣門開閉盡可能快，以增大時(shí)面值，提高充氣可能快，以增大時(shí)面值，提高充氣效率。效率。最大氣門升程與閥盤直徑之比最大氣門升程與閥盤直徑之比L/d取取0.260.28。 5.5.減少氣門處的流動(dòng)損失減少氣門處的流動(dòng)損失 二、進(jìn)氣道和進(jìn)氣管二、進(jìn)氣道和進(jìn)氣管 保證足夠的流通面積，避免轉(zhuǎn)彎及保證足夠的流通面積，避免轉(zhuǎn)彎及截面突變，改善表面的光潔程度。截面突變，改善表面的光潔程度。汽油機(jī)：燃料的霧化、蒸發(fā)、分配、壓汽油機(jī)：燃料的霧化、蒸發(fā)、分配、壓力波的利用力波的利用柴油機(jī)：形成進(jìn)氣渦流柴油機(jī)：形成進(jìn)氣渦流高轉(zhuǎn)速、大功率時(shí)，進(jìn)氣管宜短粗；高轉(zhuǎn)速、大功率時(shí)，進(jìn)氣管宜短粗；中、低速，進(jìn)氣管宜細(xì)長(zhǎng)。中、低速，進(jìn)氣管宜細(xì)長(zhǎng)。 三、空氣濾清器 第四節(jié) 合理選擇配氣定時(shí) 在配氣定時(shí)各參數(shù)中，進(jìn)氣門遲閉角的改變，在配氣定時(shí)各參數(shù)中，進(jìn)氣門遲閉角的改變，對(duì)充氣效率對(duì)充氣效率v v影響最大。影響最大。 v在某一轉(zhuǎn)速下達(dá)到最在某一轉(zhuǎn)速下達(dá)到最高值，此轉(zhuǎn)速下能最好地利高值，此轉(zhuǎn)速下能