《發(fā)動機原理與汽車理論》發(fā)動機換氣過程(2)

1、12課程內(nèi)容概述課程內(nèi)容概述第一章發(fā)動機原理基礎知識第一章發(fā)動機原理基礎知識第二章發(fā)動機的換氣過程第二章發(fā)動機的換氣過程第三章汽油機的燃料與燃燒第三章汽油機的燃料與燃燒第四章柴油機的燃料與燃燒第四章柴油機的燃料與燃燒第五章燃氣發(fā)動機的燃料與燃燒第五章燃氣發(fā)動機的燃料與燃燒第六章發(fā)動機的特性第六章發(fā)動機的特性第七章汽車的動力性第七章汽車的動力性第八章汽車的制動性第八章汽車的制動性第九章汽車的使用經(jīng)濟性第九章汽車的使用經(jīng)濟性第十章汽車的操縱穩(wěn)定性第十章汽車的操縱穩(wěn)定性第十一章汽車的舒適性第十一章汽車的舒適性第十二章汽車的通過性第十二章汽車的通過性第十三章汽車性能的合理使用第十三章汽車性能的合理使用

2、3第二章第二章 發(fā)動機的換氣過程發(fā)動機的換氣過程第一節(jié)第一節(jié) 四沖程發(fā)動機的換氣過程四沖程發(fā)動機的換氣過程第二節(jié)第二節(jié) 影響換氣過程的因素影響換氣過程的因素第三節(jié)第三節(jié) 換氣過程對發(fā)動機性能的影響換氣過程對發(fā)動機性能的影響第四節(jié)第四節(jié) 改善換氣過程的措施改善換氣過程的措施第五節(jié)第五節(jié) 發(fā)動機的進氣控制發(fā)動機的進氣控制第六節(jié)第六節(jié) 發(fā)動機的進氣增壓發(fā)動機的進氣增壓4第三節(jié)第三節(jié) 換氣過程對發(fā)動機性能影響換氣過程對發(fā)動機性能影響充氣效率、指示熱效率、機械效率三者并稱為發(fā)動充氣效率、指示熱效率、機械效率三者并稱為發(fā)動機的三大效率。機的三大效率。一、一、理論空氣量和過量空氣系數(shù)理論空氣量和過量空氣系數(shù)

3、二、三大效率與發(fā)動機功率和轉矩的關系二、三大效率與發(fā)動機功率和轉矩的關系5理論空氣量和過量空氣系數(shù)理論空氣量和過量空氣系數(shù)1 1理論空氣量：指理論空氣量：指1kg1kg的燃料完全燃燒時所需的最低空氣的燃料完全燃燒時所需的最低空氣量。量。( (汽油：汽油：14.714.7；柴油；柴油:14.5 ):14.5 )2 2過量空氣系數(shù)：指燃燒過量空氣系數(shù)：指燃燒1kg1kg燃料實際供給的空氣量燃料實際供給的空氣量L與與理論空氣量理論空氣量L0的比值。的比值。 0LLatat1 1 稀混合氣；稀混合氣；at1 1 濃混合氣；濃混合氣；at =1 1 理論（標準）混合氣。理論（標準）混合氣。6三大效率與發(fā)

4、動機功率和轉矩的關系三大效率與發(fā)動機功率和轉矩的關系式中：式中：K1、K2對一定的發(fā)動機為比例常數(shù)對一定的發(fā)動機為比例常數(shù) 。且。且K2=9550 K1 。u影響發(fā)動機動力性指標（影響發(fā)動機動力性指標（P Pe e和和M Me e）的參數(shù)主要有：過量空氣系數(shù)、的參數(shù)主要有：過量空氣系數(shù)、充氣效率、指示熱效率和機械效率。充氣效率、指示熱效率和機械效率。 提高充氣效率是提高發(fā)動機提高充氣效率是提高發(fā)動機動力性的重要措施之一。動力性的重要措施之一。mivateeKnPM195502mivatenKP17第四節(jié)第四節(jié) 改善換氣過程的措施改善換氣過程的措施一、一、減小進氣阻力減小進氣阻力二、減小排氣阻力

5、二、減小排氣阻力三、降低進氣溫度三、降低進氣溫度四、合理選擇配氣相位四、合理選擇配氣相位8一、減小進氣阻力一、減小進氣阻力1 1減小進氣門處的阻力系數(shù)：減小進氣門處的阻力系數(shù)：u加大進氣門直徑加大進氣門直徑: :u采用多氣門結構采用多氣門結構: :u適當增加進氣門升程適當增加進氣門升程: :改進配氣凸輪線型；改進配氣凸輪線型；u適當降低活塞運行速度適當降低活塞運行速度: :減小活塞行程。減小活塞行程。2 2減小空氣濾清器的阻力系數(shù)：減小空氣濾清器的阻力系數(shù)：定期維護、適時更換。定期維護、適時更換。3 3減小進氣管道的阻力系數(shù)：減小進氣管道的阻力系數(shù)：盡可能采用圓形截面、盡可能采用圓形截面、增大

6、進氣道尺寸、減小彎道和流通截面變化、采用進增大進氣道尺寸、減小彎道和流通截面變化、采用進氣控制系統(tǒng)。氣控制系統(tǒng)。 9二、減小排氣阻力二、減小排氣阻力1.減小排氣門處的阻力：減小排氣門處的阻力：采用加大排氣門升程或多排氣采用加大排氣門升程或多排氣門結構門結構。2.減小排氣管道的阻力：減小排氣管道的阻力：應采用漸擴型，保證排出的氣應采用漸擴型，保證排出的氣體充分膨脹體充分膨脹，降低汽缸與排氣管內(nèi)的壓力差，使汽缸降低汽缸與排氣管內(nèi)的壓力差，使汽缸壓力迅速下降。壓力迅速下降。10三、降低進氣溫度三、降低進氣溫度1.在結構布置上，減小進氣管受熱；在結構布置上，減小進氣管受熱；2.加強對冷卻系統(tǒng)的維護，防

7、止發(fā)動機過熱；加強對冷卻系統(tǒng)的維護，防止發(fā)動機過熱；3.熱空氣供給裝置。熱空氣供給裝置。11四、合理選擇配氣相位四、合理選擇配氣相位1.1.對配氣相位角度的要求對配氣相位角度的要求(1)(1)進氣遲后角一定，在某一轉速下充氣效率最高。進氣遲后角一定，在某一轉速下充氣效率最高。12（2）發(fā)動機轉速變化時，在較低的轉速范）發(fā)動機轉速變化時，在較低的轉速范圍內(nèi)，采用較小的進氣門遲后關閉角，可獲圍內(nèi)，采用較小的進氣門遲后關閉角，可獲得較高的充氣效率和有效功率。得較高的充氣效率和有效功率。 （3）改變進氣門遲后關閉角度，可改變）改變進氣門遲后關閉角度，可改變v和和Pe隨轉速的變化關系，從而改變發(fā)動機的隨

8、轉速的變化關系，從而改變發(fā)動機的速度特性速度特性 。132可變配氣相位控制系統(tǒng)可變配氣相位控制系統(tǒng)（1）本田公司）本田公司VTEC。 a)低速小負荷時； b)高速大負荷時1-主凸輪；2-次凸輪；3-次搖臂；4-復位彈簧；5-阻擋活塞；6-同步活塞B；7-同步活塞A；8-正時活塞；9-主搖臂；10-中間搖臂；11-油液14（2）大眾公司可變進氣相位控制系統(tǒng)。）大眾公司可變進氣相位控制系統(tǒng)。1-正時電磁閥；2-液壓缸；3-排氣凸輪軸；4-進氣凸輪軸；5-正時調(diào)節(jié)器15（3）寶馬公司）寶馬公司VCC系統(tǒng)。系統(tǒng)。1-凸輪；2-氣門搖臂；3-挺桿；4-氣門；5-氣門彈簧；6-齒扇；7-偏心軸；8-中置搖

9、臂軸；9-中置搖臂16（4）豐田公司）豐田公司VVTL-i控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)。 豐田公司VVTL-i控制機構17豐田公司進氣門升程控制機構1-進氣門；2-搖臂；3-滾輪；4-低速凸輪；5-高速凸輪；6-油道；7-滑銷；8-滑塊18第五節(jié)第五節(jié) 發(fā)動機的進氣控制發(fā)動機的進氣控制一、汽油機的進氣控制一、汽油機的進氣控制二、柴油機的進氣控制二、柴油機的進氣控制19一、汽油機的進氣控制一、汽油機的進氣控制 汽油機的進氣控制通常采用動力閥式，動力閥式進氣汽油機的進氣控制通常采用動力閥式，動力閥式進氣控制系統(tǒng)通過控制發(fā)動機進氣道的空氣流通截面大小，控制系統(tǒng)通過控制發(fā)動機進氣道的空氣流通截面大小，來適應發(fā)動

10、機不同轉速和負荷時的進氣量需求，從而改來適應發(fā)動機不同轉速和負荷時的進氣量需求，從而改善發(fā)動機的動力性。善發(fā)動機的動力性。 動力閥式進氣控制系統(tǒng)的工作原理如下圖：動力閥式進氣控制系統(tǒng)的工作原理如下圖：20二、柴油機的進氣控制二、柴油機的進氣控制1進氣節(jié)流控制進氣節(jié)流控制（1）直流電動機型進氣節(jié)流控制系統(tǒng)）直流電動機型進氣節(jié)流控制系統(tǒng)(圖圖2-14) 。（2）電控氣動型進氣節(jié)流控制系統(tǒng)）電控氣動型進氣節(jié)流控制系統(tǒng) (圖圖2-15)。212進氣渦流控制進氣渦流控制（1）噴氣式進氣渦流控制）噴氣式進氣渦流控制(圖圖2-16) 。（2）雙氣道式進氣渦流控制）雙氣道式進氣渦流控制(圖圖2-17) 。（3

11、）氣道分隔式進氣渦流控制）氣道分隔式進氣渦流控制(圖圖2-18) 。（4）導氣屏式進氣渦流控制）導氣屏式進氣渦流控制 (圖圖2-19) 。 （5）旁通氣道式進氣渦流控制）旁通氣道式進氣渦流控制 (圖圖2-20) 。（6）氣道轉換式進氣渦流控制裝置）氣道轉換式進氣渦流控制裝置 (圖圖2-21) 。22232425262728一、進氣增壓的目的及其評價一、進氣增壓的目的及其評價二、進氣增壓系統(tǒng)的類型二、進氣增壓系統(tǒng)的類型三、進氣增壓對發(fā)動機的影響三、進氣增壓對發(fā)動機的影響四、進氣增壓控制四、進氣增壓控制第六節(jié)第六節(jié) 發(fā)動機的進氣控制發(fā)動機的進氣控制29一、進氣增壓的目的及其評定一、進氣增壓的目的及

12、其評定1.1.增壓的目的增壓的目的1)1)降低發(fā)動機的質量、體積和制造成本。降低發(fā)動機的質量、體積和制造成本。2)2)提高熱效率，降低油耗率。提高熱效率，降低油耗率。3)3)降低排放污染和噪聲。降低排放污染和噪聲。4)4)可補償高原功率損失?？裳a償高原功率損失。5)5)提高整機使用經(jīng)濟性。提高整機使用經(jīng)濟性。6)6)改善發(fā)動機的特性。改善發(fā)動機的特性。302.2.進氣增壓的評定指標進氣增壓的評定指標u增壓度：增壓后功率的提高量與增壓前功率之比。增壓度：增壓后功率的提高量與增壓前功率之比。u增壓比：增壓后的氣體壓力與增壓前的氣體壓力之比。增壓比：增壓后的氣體壓力與增壓前的氣體壓力之比。1eoek

13、eoeoekPPPPP0bbpp31二、進氣增壓系統(tǒng)的類型二、進氣增壓系統(tǒng)的類型u按增壓比的不同，增壓發(fā)動機可分為：按增壓比的不同，增壓發(fā)動機可分為：1）低增壓）低增壓:b1.6 （pme=7001000kPa ）；）；2）中增壓）中增壓:1.6b2.5（pme=1000 1500kPa）；）；3）高增壓）高增壓:b 2.5（pme=1500kPa以上）。以上）。u按增壓器裝置的結構原理不同，增壓發(fā)動機可分為：按增壓器裝置的結構原理不同，增壓發(fā)動機可分為：1）機械增壓系統(tǒng)機械增壓系統(tǒng)；2）廢氣渦輪增壓系統(tǒng)廢氣渦輪增壓系統(tǒng)；3）氣波增壓系統(tǒng)氣波增壓系統(tǒng)；4）諧波進氣增壓系統(tǒng)諧波進氣增壓系統(tǒng)；5）

14、復合增壓系統(tǒng)復合增壓系統(tǒng)。32機械增壓系統(tǒng)機械增壓系統(tǒng)u結構特征結構特征：壓氣機的動力直接來源于：壓氣機的動力直接來源于發(fā)動機曲軸。發(fā)動機曲軸。u特點特點：對排氣系統(tǒng)沒有干擾，可用于：對排氣系統(tǒng)沒有干擾，可用于高排氣背壓的特殊場合（如水下）；驅高排氣背壓的特殊場合（如水下）；驅動壓氣機會消耗發(fā)動機功率，使機械效動壓氣機會消耗發(fā)動機功率，使機械效率下降和油耗增加；轉速變化直接導致率下降和油耗增加；轉速變化直接導致壓氣機流量變化，加速響應性較好。壓氣機流量變化，加速響應性較好。33廢氣渦輪增壓廢氣渦輪增壓u結構特征：渦輪和壓氣機葉輪結構特征：渦輪和壓氣機葉輪同軸，構成渦輪增壓器，增壓器同軸，構成渦

15、輪增壓器，增壓器和發(fā)動機之間沒有任何機械聯(lián)系。和發(fā)動機之間沒有任何機械聯(lián)系。廢氣驅動渦輪，帶動葉輪，實現(xiàn)廢氣驅動渦輪，帶動葉輪，實現(xiàn)進氣增壓。進氣增壓。u特點：利用排氣能量，不消耗特點：利用排氣能量，不消耗發(fā)動機功率；高速性能優(yōu)越，低發(fā)動機功率；高速性能優(yōu)越，低速性能不佳；結構緊湊，工作可速性能不佳；結構緊湊，工作可靠；廢氣在渦輪中可以充分膨脹，靠；廢氣在渦輪中可以充分膨脹，排氣噪聲低；由于氣體流動回路排氣噪聲低；由于氣體流動回路長，加速響應性能差。長，加速響應性能差。34汽車發(fā)動機上一般裝用的是汽車發(fā)動機上一般裝用的是徑流式廢氣渦輪增壓器。徑徑流式廢氣渦輪增壓器。徑流式廢氣渦輪增壓器的結構流

16、式廢氣渦輪增壓器的結構如圖如圖2-24所示，其組成可分所示，其組成可分為五部分：渦輪機、壓氣機、為五部分：渦輪機、壓氣機、支承裝置、密封裝置、潤滑支承裝置、密封裝置、潤滑與冷卻裝置。與冷卻裝置。廢氣渦輪增壓廢氣渦輪增壓35廢氣渦輪增壓器的廢氣渦輪增壓器的渦輪機主要由進氣渦輪機主要由進氣渦殼、噴嘴環(huán)、渦渦殼、噴嘴環(huán)、渦輪等組成，其工作輪等組成，其工作原理如圖原理如圖2-25所示。所示。 廢氣渦輪增壓廢氣渦輪增壓36廢氣渦輪增壓器廢氣渦輪增壓器的壓氣機主要由的壓氣機主要由進氣道、葉輪、進氣道、葉輪、擴壓器和出氣渦擴壓器和出氣渦殼組成，如圖殼組成，如圖2-26所示。所示。 廢氣渦輪增壓廢氣渦輪增壓3

17、7廢氣渦輪增壓器的支廢氣渦輪增壓器的支承裝置包括軸承、護承裝置包括軸承、護板、止推盤等，其作板、止推盤等，其作用是使轉子軸可靠地用是使轉子軸可靠地定位在中間殼上，并定位在中間殼上，并限制轉子軸工作時的限制轉子軸工作時的軸向和徑向活動范圍。軸向和徑向活動范圍。增壓器中采用的支承增壓器中采用的支承軸承一般為浮動軸承，軸承一般為浮動軸承，如圖如圖2-27所示。所示。 廢氣渦輪增壓廢氣渦輪增壓38廢氣渦輪增壓主要特點如下：廢氣渦輪增壓主要特點如下：（1）利用廢氣能量進行增壓，有利于改善整機的動力性和）利用廢氣能量進行增壓，有利于改善整機的動力性和經(jīng)濟性。經(jīng)濟性。（2）廢氣渦輪增壓器的出口壓力一般為）廢

18、氣渦輪增壓器的出口壓力一般為180200kPa，最高，最高可達可達300kPa。（3）廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的結構簡單，工作可靠，增壓效果）廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的結構簡單，工作可靠，增壓效果好，增壓度可達好，增壓度可達0.30.5，所以廢氣渦輪增壓應用較廣泛。，所以廢氣渦輪增壓應用較廣泛。（4）在非增壓發(fā)動機上采用廢氣渦輪增壓不需作很大的改）在非增壓發(fā)動機上采用廢氣渦輪增壓不需作很大的改裝，廢氣渦輪增壓器也適合專業(yè)廠家大批量生產(chǎn)，有利于裝，廢氣渦輪增壓器也適合專業(yè)廠家大批量生產(chǎn)，有利于保證較高的質量和較低的成本，對廢氣渦輪增壓的廣泛應保證較高的質量和較低的成本，對廢氣渦輪增壓的廣泛應用也提供了有利條件。

19、用也提供了有利條件。（5）采用廢氣渦輪增壓后，會使發(fā)動機的起動性和加速性）采用廢氣渦輪增壓后，會使發(fā)動機的起動性和加速性變差，機械負荷和熱負荷增加。變差，機械負荷和熱負荷增加。廢氣渦輪增壓廢氣渦輪增壓391-汽缸；2-中冷器；3-進氣管；4-曲軸；5-液力偶合器；6-傳動齒輪；7-低壓動力渦輪；8-廢氣渦輪；9-壓氣機；10-排氣管廢氣渦輪增壓廢氣渦輪增壓40氣波增壓系統(tǒng)氣波增壓系統(tǒng)u結構特征：曲軸通過傳動帶結構特征：曲軸通過傳動帶驅動轉子旋轉，利用高壓廢氣驅動轉子旋轉，利用高壓廢氣的脈沖氣波，使低壓空氣被壓的脈沖氣波，使低壓空氣被壓縮、加速，變成高壓空氣后被縮、加速，變成高壓空氣后被壓入汽缸

20、。壓入汽缸。 u特點特點：驅動轉子消耗的功率驅動轉子消耗的功率小（?。?%）；結構簡單，加工）；結構簡單，加工方便；起到方便；起到EGR作用，降低排作用，降低排放；但質量、尺寸大。放；但質量、尺寸大。41諧波進氣增壓系統(tǒng)諧波進氣增壓系統(tǒng)諧波增壓是利用進氣管內(nèi)氣流慣性產(chǎn)生的壓力波諧波增壓是利用進氣管內(nèi)氣流慣性產(chǎn)生的壓力波動來實現(xiàn)進氣增壓。由于增壓強度較小，所以應動來實現(xiàn)進氣增壓。由于增壓強度較小，所以應用在汽油機上。用在汽油機上。42組合式增壓系統(tǒng)組合式增壓系統(tǒng)u一種機械增壓和廢氣渦輪增壓一種機械增壓和廢氣渦輪增壓組合使用。綜合了兩者的優(yōu)點，組合使用。綜合了兩者的優(yōu)點，高速時利用渦輪增壓，起動時

21、高速時利用渦輪增壓，起動時采用機械增壓，部分負荷時機采用機械增壓，部分負荷時機械增壓貢獻大。械增壓貢獻大。u另一種在廢氣渦輪增壓基礎上，另一種在廢氣渦輪增壓基礎上，加裝一套低壓動力渦輪系統(tǒng)。加裝一套低壓動力渦輪系統(tǒng)。43三、進氣增壓對發(fā)動機的影響三、進氣增壓對發(fā)動機的影響1 1進氣增壓對柴油機的影響進氣增壓對柴油機的影響2 2進氣增壓對汽油機的影響進氣增壓對汽油機的影響441進氣增壓對柴油機的影進氣增壓對柴油機的影響響u對柴油機的不利影響表現(xiàn)在：對柴油機的不利影響表現(xiàn)在：1 1）機械負荷和熱負荷加大：）機械負荷和熱負荷加大：燃燒最高壓力和溫度提高燃燒最高壓力和溫度提高2 2）低速和加速時排氣管

22、冒煙：）低速和加速時排氣管冒煙： 低速時，由于增壓效果較差，供氣量不足；加速時，低速時，由于增壓效果較差，供氣量不足；加速時，氣流慣性作用，壓氣機供氣滯后，都使混合氣過濃，氣流慣性作用，壓氣機供氣滯后，都使混合氣過濃，排氣管冒煙。排氣管冒煙。 451進氣增壓對柴油機的影響進氣增壓對柴油機的影響u結構上必須采取以下措施：結構上必須采取以下措施：1 1）適當調(diào)整和改進燃料供給系統(tǒng)）適當調(diào)整和改進燃料供給系統(tǒng) ：保證噴油持續(xù)時間不保證噴油持續(xù)時間不變（如加大噴油泵柱塞直徑、加大噴油器噴孔直徑、提變（如加大噴油泵柱塞直徑、加大噴油器噴孔直徑、提高噴油壓力等）；同時適當減小噴油提前角（抑制燃燒高噴油壓力

23、等）；同時適當減小噴油提前角（抑制燃燒最高壓力和溫度，降低機械負荷和熱負荷）。最高壓力和溫度，降低機械負荷和熱負荷）。2 2）適當調(diào)整配氣相位：）適當調(diào)整配氣相位：適當增加氣門疊開角，降低發(fā)動適當增加氣門疊開角，降低發(fā)動機熱負荷。試驗表明：氣門疊開角每增加機熱負荷。試驗表明：氣門疊開角每增加1010，活塞的平，活塞的平均溫度下降均溫度下降44。 3 3）適當減小壓縮比）適當減小壓縮比：壓縮比減小，降低燃燒最高壓力和溫度。壓縮比減小過壓縮比減小，降低燃燒最高壓力和溫度。壓縮比減小過多，冷起動困難，經(jīng)濟性變差。一般減小多，冷起動困難，經(jīng)濟性變差。一般減小1 12 2個單位。個單位。464 4）對增

24、壓空氣冷卻：）對增壓空氣冷卻：采用中冷器對增壓后的空氣進行冷采用中冷器對增壓后的空氣進行冷卻。一方面提高進氣密度，使發(fā)動機功率提高；另一方卻。一方面提高進氣密度，使發(fā)動機功率提高；另一方面降低進氣終了的溫度和循環(huán)的平均溫度，從而降低排面降低進氣終了的溫度和循環(huán)的平均溫度，從而降低排氣終了溫度、熱負荷及氣終了溫度、熱負荷及NOX排量。排量。5）強化冷卻系統(tǒng)：）強化冷卻系統(tǒng)：增大機油散熱器面積；調(diào)整水泵容量、增大機油散熱器面積；調(diào)整水泵容量、提高水泵轉速；增大散熱水箱面積，降低機械負荷和熱提高水泵轉速；增大散熱水箱面積，降低機械負荷和熱負荷。負荷。472進氣增壓對汽油機的影響進氣增壓對汽油機的影響u對汽油機的不利影響表現(xiàn)在：對汽油機的不利影響表現(xiàn)在：（1 1）爆燃傾向加大：）爆燃傾向加大：汽油機增壓后，由于壓縮始點壓力汽油機增壓后，