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第二章發(fā)動機(jī)的換氣過程ProcessinEngineExchangingGas主要內(nèi)容第一節(jié)四沖程發(fā)動機(jī)的換氣過程第二節(jié)四沖程發(fā)動機(jī)的充量系數(shù)第三節(jié)提高發(fā)動機(jī)充量系數(shù)的措施下止點上止點第一節(jié)四沖程發(fā)動機(jī)的換氣過程一、換氣過程:四沖程發(fā)動機(jī)的換氣過程包括從排氣門開啟到進(jìn)氣門關(guān)閉的整個時期。約占410o~480o曲軸轉(zhuǎn)角。p25換氣過程可分作自由排氣、強(qiáng)制排氣、進(jìn)氣和燃燒室掃氣四個階段。1、自由排氣階段
從排氣門開啟到氣缸壓力接近于排氣管內(nèi)壓力的時期,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所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角稱為,一般為30o~80o曲軸轉(zhuǎn)角。2、強(qiáng)制排氣階段
自由排氣階段結(jié)束后,氣缸內(nèi)的廢氣將被上行活塞強(qiáng)制推出,這一過程就是強(qiáng)制排氣階段。
排氣遲閉角:從上止點到排氣門完全關(guān)閉終了所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角,一般為10o~35o曲軸轉(zhuǎn)角。3、進(jìn)氣過程從進(jìn)氣門開啟到關(guān)閉的全過程準(zhǔn)備進(jìn)氣:進(jìn)氣提前角一般為0o~40o(CA)。正常進(jìn)氣:新鮮氣體充入氣缸。慣性進(jìn)氣:進(jìn)氣遲閉角一般為40o~70o(CA)。4、氣門重疊和燃燒室掃氣過程
在排氣行程上止點附近出現(xiàn)進(jìn)、排氣門同時開啟的特殊現(xiàn)象,稱為氣門重疊,相應(yīng)的角度是氣門重疊角,它是排氣遲閉角與進(jìn)氣提前角之和。氣門重疊角的選擇以新鮮充量不流入排氣管為原則。增壓柴油機(jī)的氣門重疊角一般為80o~160o(CA);非增壓柴油機(jī)的氣門疊開角在20o~60o(CA)范圍內(nèi)。二、排氣損失定義:從排氣門提前開啟,直到進(jìn)氣行程開始、缸內(nèi)壓力到達(dá)大氣壓力之前,所損失的循環(huán)功。構(gòu)成:a.自由排氣損失W:由于排氣門提前打開而引起的膨脹功的減少。
b.強(qiáng)制排氣損失Y:活塞上行強(qiáng)制推出廢氣所消耗的功。排氣損失
圖2.4排氣門提前角和排氣損失
a—最合適b—過早c—過晚d—排氣門面積過小排氣提前角
W,Y
。綜合效果,要求(Y+W),故(W+Y)有一個最佳值(W+Y)min
。三、進(jìn)氣損失X進(jìn)氣損失主要是指進(jìn)氣過程中,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。合理調(diào)整配氣定時,加大進(jìn)氣門的流通截面、正確設(shè)計進(jìn)氣管及進(jìn)氣道的流動路徑以及降低活塞平均速度等,都會使進(jìn)氣損失減少。排氣損失與進(jìn)氣損失之和稱為換氣損失
(W十Y十X)。泵氣損失(X+Y-u):在實際循環(huán)示功圖中把面積(x+y-u)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)四沖程發(fā)動機(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。評價發(fā)動機(jī)的換氣質(zhì)量,可用充量系數(shù)(充量效率、容積效率)、殘余廢氣系數(shù)來衡量。一、充量系數(shù)φc定義:內(nèi)燃機(jī)每缸每循環(huán)實際進(jìn)入氣缸的新鮮空氣質(zhì)量與進(jìn)氣狀態(tài)下理論計算充滿氣缸工作容積的空氣質(zhì)量比值。進(jìn)氣狀態(tài):指空氣濾清器后進(jìn)氣管內(nèi)的氣體狀態(tài),即進(jìn)入氣缸前氣體的熱力學(xué)狀態(tài),如溫度與壓力等。非增壓:通常取為當(dāng)?shù)氐拇髿鉅顟B(tài)。
增壓:增壓器出口狀態(tài)。式中:ma實際進(jìn)入氣缸的新鮮空氣質(zhì)量V1實際進(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)下理論計算充滿氣缸工作容積的空氣質(zhì)量Vs氣缸工作容積<1充量系數(shù)一般非增壓發(fā)動機(jī)在全負(fù)荷時的φc汽油機(jī)頂置氣門:0.75~0.85側(cè)置氣門:0.70~0.80柴油機(jī)0.75~0.90充量系數(shù)表達(dá)式的推導(dǎo)進(jìn)氣門關(guān)閉時氣缸容積為
排氣門關(guān)閉時缸內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量
此時缸內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量
假定氣缸排氣門關(guān)閉時關(guān)閉點體積為
每循環(huán)充入氣缸的新鮮混合氣質(zhì)量
由空燃比的關(guān)系得
進(jìn)入氣缸的混合氣質(zhì)量
令則
混合氣的空氣量比例系數(shù)
考慮到進(jìn)、排氣門遲閉,令
則假定殘余廢氣與新鮮充量的氣體常數(shù)近似相等,應(yīng)用氣體狀態(tài)方程式,代入上式,得殘余廢氣數(shù)系數(shù);
二、影響充氣效率的因素:1.進(jìn)氣終了時缸內(nèi)壓力Pa
Pa對φc有重要影響,Pa愈高,φc值愈大
Pa=Ps-△Pa式中,△pa為氣體流動時,克服進(jìn)氣系統(tǒng)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、V高時,△pa增加,使pa下降。管道阻力系數(shù)、轉(zhuǎn)速和負(fù)荷對進(jìn)氣壓力的影響1)管道阻力系數(shù)管道阻力大,管道阻力系數(shù)大,△pa大,Pa’降低。2)管道內(nèi)氣體的流速負(fù)荷減小,發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高,氣體流速增加,△pa大,引起Pa’下降。
2.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,φc值愈低。引起Ta升高的原因是:1)新鮮工質(zhì)進(jìn)入發(fā)動機(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Ta的影響
1)轉(zhuǎn)速:當(dāng)負(fù)荷不變而轉(zhuǎn)速增加時,由于新鮮工質(zhì)與缸壁等接觸時間短,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)動機(jī)負(fù)荷時,缸壁等零件溫度升高,Ta有所上升。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,降低Ta’。3.殘余廢氣系數(shù)
1)增加,φc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,合適的配氣定時應(yīng)考慮ξPa’具有最大值。5.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φc有所增加。6.進(jìn)氣狀態(tài)
進(jìn)氣溫度升高,進(jìn)氣壓力下降均會使進(jìn)入氣缸充量的密度減小,絕對進(jìn)氣量減少,對充量系數(shù)影響不大。
提高充量系數(shù)措施降低進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力降低排氣系統(tǒng)流通阻力減少對進(jìn)氣充量的加熱結(jié)構(gòu)一定,即εc一定合理選擇進(jìn)、排氣相位角諧振進(jìn)氣與可變進(jìn)氣支管第三節(jié)提高發(fā)動機(jī)充量系數(shù)的措施一、降低進(jìn)氣系統(tǒng)的流動阻力
1.降低進(jìn)氣門處的流動損失進(jìn)氣馬赫數(shù):進(jìn)氣門處氣流平均速度與該處聲速之比進(jìn)氣馬赫數(shù)反映氣體流動對充量系數(shù)的影響。當(dāng)M超過一定數(shù)值時,大約在0.5左右,充量系數(shù)急劇下降。1.降低進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力
1)減少進(jìn)氣門處的流動損失
進(jìn)氣馬赫數(shù)是進(jìn)氣門處氣流平均速度與該處聲速之比進(jìn)氣門處氣流平均速度定義為實際進(jìn)入氣缸的新鮮空氣與進(jìn)氣門有效時間截面值F(t)之比有效時間截面值F(t)
式中:F—活塞面積;Cm—活塞平均速度;
D、d—活塞直徑和氣門頭部直徑。進(jìn)氣馬赫數(shù)M與氣門大小、形狀、升程規(guī)律、氣門開關(guān)時間等有關(guān)。增大氣門直徑可擴(kuò)大氣流通過斷面積,提高充量系數(shù)。根據(jù)一系列試驗可知,在正常的配氣定時條件下,當(dāng)M超過一定數(shù)值時,大約在0.5左右,充量系數(shù)急劇下降,如圖3-10所示。因此在可能條件下應(yīng)控制在最高轉(zhuǎn)速時不超過一定數(shù)值。以達(dá)到提高充量系數(shù)的目的。增大氣門相對通過面積,提高氣門處流量系數(shù)以及合理的配氣相位是限制M值,是提高充量系數(shù)的主要方法。增加氣門的數(shù)目改進(jìn)配氣凸輪型線增加氣門升程改善氣門處的流體動力性能,可以降低流動阻力減小氣門
流動損失的具體措施加大進(jìn)氣門直徑增加進(jìn)氣門數(shù)目改進(jìn)配氣凸輪型線改善氣門處流體動力性能減少進(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。進(jìn)氣道內(nèi)部過渡圓角半徑應(yīng)大一些,避免急劇轉(zhuǎn)彎等。
減少進(jìn)氣管的阻力:
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)氣管獨立,長度盡可能一致。進(jìn)氣管的整體走勢和內(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。減少空氣濾清器的阻力:
加大通過斷面,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堵塞,及時更換濾芯等。2.減少進(jìn)氣道、進(jìn)氣管和空氣濾清器的阻力二、減少對進(jìn)氣沖量的加熱新鮮充量在吸入過程中,受到進(jìn)氣管、進(jìn)氣道、氣門、氣缸壁和活塞等一系列受熱零件的加熱,引起溫升。進(jìn)排氣管兩側(cè)分開布置,可以避免或減少高溫排氣管對進(jìn)氣的加熱,有利提高充量系數(shù)。
三、降低排氣系統(tǒng)的流動阻力降低排氣系統(tǒng)流通阻力,使氣缸內(nèi)廢氣壓力下降,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。
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,有助于降低整個流通阻力。
在滿足必要的消聲效果要求下,降低消聲器的流通阻力。
四、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)氣門遲閉角度。
利用氣門可變正時技術(shù),在全部轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)提高充量系數(shù)。
具體措施:
1、無凸輪的電磁氣門驅(qū)動機(jī)構(gòu)
2、液壓氣門驅(qū)動機(jī)構(gòu)。
3、可變凸輪機(jī)構(gòu)(VCS,VariableCamshaft
System)
4、可變氣門定時(VVT,VariableValve
Timing)。五、諧振進(jìn)氣與可變進(jìn)氣歧管
諧振進(jìn)氣和可變進(jìn)氣歧管,都是利用進(jìn)氣管的動態(tài)效應(yīng)來提高充量系數(shù)。具體措施:
1、適當(dāng)調(diào)整進(jìn)氣管長度、直徑等進(jìn)氣系統(tǒng)
參數(shù)。
2、可變長度進(jìn)氣歧管。
3、雙通道可變進(jìn)氣歧管。
利用進(jìn)氣管的動態(tài)效應(yīng)來提高充量系數(shù)
發(fā)動機(jī)在換氣過程中,由于間斷進(jìn)氣而引起進(jìn)氣管內(nèi)發(fā)生壓力波動,這種現(xiàn)象稱為進(jìn)氣管的動態(tài)效應(yīng)。分析其原因,可歸納為慣性效應(yīng)和波動效應(yīng)兩類。影響進(jìn)氣管動態(tài)效應(yīng)的結(jié)構(gòu)因素是進(jìn)氣管長度、直徑和形狀。
利用進(jìn)氣管的動態(tài)效應(yīng),可以有效地提高高轉(zhuǎn)速時充量系數(shù)和改善扭矩特性。利用進(jìn)氣管的動態(tài)效應(yīng)來提高充量系數(shù)
壓力波動的固有頻率
進(jìn)氣頻率用q來表示波動次數(shù),則有
當(dāng)q=1,2,…時,進(jìn)氣頻率與壓力波動頻率合拍,下一次氣門開啟期間與負(fù)的壓力波重合,使充氣量減少。
當(dāng)q=,…時,下一次氣門開啟期間正好與正的壓力波相重合,使充量系數(shù)增加可變長度進(jìn)氣管雙通道可變長度進(jìn)氣管1—空氣濾清器2
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