章 發(fā)動機(jī)的換氣過程2012

發(fā)動機(jī)原理第三章發(fā)動機(jī)的換氣過程本章目的：了解換氣過程的情況，分析影響充氣量的因素，尋找提高充氣量的途徑。

1§3.1四行程發(fā)動機(jī)的換氣過程

作用：盡可能排除缸內(nèi)廢氣并充入盡可能多的新鮮工質(zhì)。每循環(huán)進(jìn)入氣缸的新鮮工質(zhì)量對性能影響：影響到汽車的經(jīng)濟(jì)性、排放、噪聲及乘坐的舒適性等。要求：盡可能合理地延長換氣時間：發(fā)動機(jī)換氣過程包括排氣過程和進(jìn)氣過程。理論上進(jìn)排氣各占180°（合計360°

）曲軸轉(zhuǎn)角。實際上由于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高，一個行程的歷時只有

60/（6000*2）＝0.005s=5ms，∵時間短→充氣不足，排氣不凈→Pe↓。∴要盡量延長進(jìn)、排氣時間（換氣過程)，即擴(kuò)大進(jìn)、排氣的曲軸轉(zhuǎn)角。組成：從排氣門開啟--進(jìn)氣門關(guān)閉的整個時期，約占410o～480o曲軸轉(zhuǎn)角。一般分作自由排氣、強(qiáng)制排氣、進(jìn)氣和氣門疊開四個階段。2配氣定時（配氣相位）：進(jìn)、排氣門開、關(guān)的曲軸轉(zhuǎn)角時刻稱為配氣定時（相位），用相對上、下止點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)角的環(huán)形圖來表示則稱為配氣定時圖。主要階段及特點(diǎn)如下：3配氣定時（配氣相位）圖1、排氣提前角γ=30°～80°

：從排氣門打開到下止點(diǎn)這段曲軸轉(zhuǎn)角。作用：①在活塞上行時排氣門有足夠大的開啟面積，減小排氣阻力；②高溫廢氣迅速排出可減小發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷；2、排氣遲閉角δ=10°～35°：從上止點(diǎn)到排氣門完全關(guān)閉這段曲軸轉(zhuǎn)角。作用：利用壓力差和廢氣流慣性盡可能排凈出廢氣。3、進(jìn)氣提前角α=0°～40°：從進(jìn)氣門打開到上止點(diǎn)這段曲軸轉(zhuǎn)角。作用：在活塞下行時進(jìn)氣門有足夠大的開啟面積，新鮮工質(zhì)可以順利流入氣缸；冷卻燃燒室壁面以降低Ta提高充氣效率。44、進(jìn)氣門遲閉角β=40°

～70°

：從下止點(diǎn)到進(jìn)氣門關(guān)閉這段曲軸轉(zhuǎn)角。作用：利用高速氣流的慣性和壓力差在下止點(diǎn)后繼續(xù)充氣，增加進(jìn)氣量。5、氣門疊開δ+α

：由于排氣門的遲閉和進(jìn)氣門早開，存在進(jìn)、排氣門同時打開的狀態(tài)，稱為氣門疊開。作用：掃氣，清除殘余廢氣，減小殘余廢氣系數(shù)；降低高溫零件的溫度（降低Ta提高ηv）但要保證不應(yīng)產(chǎn)生廢氣倒流現(xiàn)象。δ+α范圍：增壓發(fā)動機(jī)可達(dá)80°～160°；非增壓發(fā)動機(jī)一般為20°～80°。5換氣過程詳解一、排氣過程

【180°+γ(30°～80°)+δ

（10°～35°）】≈（220°～295°）

1、自由排氣階段：從排氣門打開到氣缸壓力接近排氣管壓力的這個時期。Ⅰ初期：排氣為超臨界狀態(tài)，此時缸內(nèi)廢氣壓力約為0.2～0.5MPa，Pb/Pr>1.9（臨界值），廢氣以當(dāng)?shù)芈曀賑（m／s）流過排氣門開啟截面。

6式中K——絕熱指數(shù)；

R——?dú)怏w常數(shù)［N.m/（kg.K）］；

T——?dú)怏w的絕對溫度（K）。當(dāng)Tr=700～1100K時，可達(dá)500～700m/s。排氣形式分類（按速度）：超臨界排氣：廢氣流量與排氣管內(nèi)壓力無關(guān)，只決定于氣缸內(nèi)氣體的狀態(tài)和氣門有效開啟面積。亞臨界排氣：隨著廢氣排出、缸內(nèi)壓力的下降排氣流動轉(zhuǎn)入亞臨界排氣，此時廢氣流量決定于氣缸內(nèi)和排氣管內(nèi)的壓力差，和氣門有效開啟面積排氣形式分類（按做功）：自由排氣：某一時刻，氣缸內(nèi)壓力=排氣管內(nèi)的壓力時，則自由排氣階段結(jié)束。特點(diǎn)：自由排氣階段排出廢氣量與轉(zhuǎn)速無關(guān)，時間雖短但占60%以上。自由排氣結(jié)束的標(biāo)志為:Pb=Pr；在Pr＝C，Tr＝C，Vr＝C強(qiáng)制排氣階段：克服排氣系統(tǒng)阻力活塞強(qiáng)制推出廢氣。7二、

進(jìn)氣過程：進(jìn)氣門開啟~關(guān)閉(180°+α+β≈220°

～390°)

作用：活塞下行、缸內(nèi)容積增加、缸內(nèi)壓力下降。環(huán)境壓力－缸內(nèi)壓力>進(jìn)氣系統(tǒng)阻力，吸入新鮮工質(zhì)。提前角：0~40°CA足夠開啟面積，阻力；遲關(guān)角：40~70°CA利用氣流慣性，多進(jìn)氣

隨發(fā)動機(jī)工況變化，設(shè)計或控制最佳進(jìn)氣遲關(guān)角，對改善發(fā)動機(jī)性能至關(guān)重要8

進(jìn)氣損失→X三、換氣損失自由排氣損失→W；（W+X+Y）排氣損失強(qiáng)制排氣損失→Y。（X+Y-d）的面積稱作泵氣損失9W:自由排氣損失：由實際循環(huán)線外側(cè)、理論循環(huán)線內(nèi)側(cè)、Va的平行線所組成的面積，在計算指示功時不記錄此部分面積。是實際循環(huán)相對于理論循環(huán)損失的部分，僅作為換氣損失而不是泵氣損失的組成部分。Y：強(qiáng)制排氣損失，由排氣線、P0線、Va的平行線組成的面積。是理論循環(huán)與實際循環(huán)損失的一部分，也在實際循環(huán)中作為負(fù)功。X：進(jìn)氣損失：進(jìn)氣線、壓縮線、P0線組成的面積。是換氣、泵氣損失的組成部分。在所有損失中排氣損失為絕大部分，因此適當(dāng)匹配排氣提前角，使得W+Y的面積最小可以降低換氣損失，從而提高發(fā)動機(jī)的性能。

10§3.2四行程發(fā)動機(jī)的充氣效率一、充氣效率定義：充氣效率：實際進(jìn)入氣缸的新鮮工質(zhì)量（m1）與進(jìn)氣狀態(tài)下充滿氣缸工作容積的新鮮工質(zhì)量（ms）的比值。測量方法：充氣效率可直接測定，用空氣流量計測出發(fā)動機(jī)每小時實際充氣量m1（kg/h）理論充氣量ms（kg/h）由下面的公式算出：式中：Vs——?dú)飧坠ぷ魅莘e（m3）；

i——?dú)飧讛?shù)；

n——發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速（r／min）。

ρs——進(jìn)氣狀態(tài)下氣體密度式中：m1、V1——實際進(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。進(jìn)氣狀態(tài)s：非增壓發(fā)動機(jī)指當(dāng)時、當(dāng)?shù)氐拇髿鉅顟B(tài)；增壓發(fā)動機(jī)，指增壓器壓氣機(jī)出口的狀態(tài)。意義：ηv↑→m1

↑→Q1

↑→pme

↑→PL

↑→Pe↑，即動力性可以提高11二、影響充氣效率的因素：公式推導(dǎo)1、設(shè)進(jìn)氣完成后缸內(nèi)殘余廢氣質(zhì)量為mr，進(jìn)入新鮮工質(zhì)質(zhì)量為m1

，則進(jìn)氣終了缸內(nèi)總工質(zhì)質(zhì)量ma=m1+mr

，令殘余廢氣系數(shù)r=mr/m1

，則有

m1=ma/（1+r）2、令進(jìn)氣終了時氣缸內(nèi)的總?cè)莘e

V?a（有效進(jìn)氣容積）與氣缸總?cè)莘eVa的比值為ξ<1（有效進(jìn)氣體積系數(shù)，因為進(jìn)氣遲閉角，ξ<1）3、有4、因為PV＝mRT，有P/RT=m/V＝ρ；Va/Vc=ε，Vs/Vc=(Va-Vc)/Vc=ε-15、將3式分子分母同除以Vc，且對于理想氣體有Ra為常數(shù)，可以推出

12二、影響充氣效率的因素：可見，影響充氣效率的因素有：環(huán)境溫度和壓力Ts,Ps、進(jìn)氣終了的氣缸溫度和壓力Ta,Pa、殘余廢氣系數(shù)r、壓縮比ε及氣門正時引起的有效進(jìn)氣體積系數(shù)ξ等。進(jìn)氣終了的壓力pa式中，為氣體流動時，克服進(jìn)氣系統(tǒng)阻力而引起的壓降（kPa）。

其中：λ——管道阻力系數(shù)；

ρ——進(jìn)氣狀態(tài)下氣體的密度（kg／ms）；

v——管道內(nèi)氣體的流速（m/s）?？梢姡鱬a主要取決于管道阻力系數(shù)與氣體的流速。13二、影響充氣效率的因素1、轉(zhuǎn)速的影響若n↑→

（λ+v）↑→△pa

↑→pa↓→ηv

↓（對比汽、柴充氣效率圖、Pa圖）兩端低（自然中間就高了），出現(xiàn)的峰值轉(zhuǎn)速決定于進(jìn)氣遲關(guān)角。低速時，由于進(jìn)氣流速低、慣性小，活塞上行時進(jìn)氣反流。高速時，時間短，進(jìn)氣慣性沒完全利用，同時進(jìn)氣阻力降增加，下降更劇烈柴油機(jī)無節(jié)氣門λ小，所以充氣效率高且下降平坦。柴油機(jī)汽油機(jī)142、負(fù)荷的影響（n一定）汽油機(jī)（量調(diào)節(jié)），負(fù)荷↓→（節(jié)氣門?。鱬a↑→pa↓→ηv↓。負(fù)荷↑→Pa增加（系數(shù)、速度），Ta略微增加，充氣效率增加。柴油機(jī)（質(zhì)調(diào)節(jié)）負(fù)荷↑→pa不變，Ta↑→ηv基本不變或略微下降153、進(jìn)氣終了的溫度aT：

aT=T0+aDT

aT>T0的原因是：

①高溫零件加熱；

②殘余廢氣加熱；

③進(jìn)氣預(yù)熱。

ˉˉ?-?DTvaahr

\在條件允許的情況下，應(yīng)力求降低aT值。例如，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aT

影響因素：

負(fù)荷--DT?a

ˉDT-?an（接觸時間短）

165、壓縮比ε

ε↑→Vc↓→殘余廢氣量↓→ηv↑4、176、配氣定時由于進(jìn)氣門遲閉，有效容積系數(shù)ξ<1

，新鮮充量的容積減小，但pa值卻可能因有氣流慣性而使pa↑，合適的配氣定時應(yīng)考慮ξ*pa具有最大值。下圖隨進(jìn)氣遲關(guān)角的增加峰值的外包絡(luò)線逐漸下降（ξ↓）隨進(jìn)氣遲關(guān)角的增加峰值越靠近高速區(qū)域。合理匹配β可以改變發(fā)動機(jī)的扭矩特性，功率特性。進(jìn)氣遲關(guān)角β↑nηv187、進(jìn)氣或大氣狀態(tài)Ts、Ps環(huán)境溫度Ts隨環(huán)境溫度的增加，環(huán)境溫度與缸壁等熱部件的溫差減小，Ts/Ta↑，充氣效率有所增加。一般情況下，充氣效率與（Ts/Ta）m

成正比，m≈0.25-0.3.轉(zhuǎn)速增加，作用時間短Ts/Ta增加；負(fù)荷增加缸壁溫度增加，Ts/Ta減小。環(huán)境壓力Ps對充氣效率沒有影響。Pa=ps-1/2λ*v2*ρs，兩端同除以Ps，可見，Pa/Ps在溫度相同的情況下為常數(shù)，充氣效率不變。則，冬天與夏天相比，冬天的充氣效率低，但功率大（與溫度成0.3次方，而進(jìn)氣量m1與溫度成－1次方關(guān)系（從密度公式考慮），即溫度低m1增加，動力性提高，但充氣效率下降）。高原時（溫度不變），充氣效率不變，動力性下降（Pa下降）。19§3.3提高充氣效率的措施從影響因素出發(fā)，提高充氣效率的措施主要有：減小進(jìn)氣系統(tǒng)阻力：提高pa合理匹配配氣相位：綜合優(yōu)化有效容積比和慣性進(jìn)氣。減小排氣系統(tǒng)阻力：降低殘余廢氣系數(shù)減小進(jìn)氣加熱：降低Ta20一、減小進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力（Pa）一）減小進(jìn)氣門處的阻力在整個進(jìn)氣系統(tǒng)中，進(jìn)氣門處的流通截面最小且截面變化最大，因此增大此處的流通能力并減小流動損失一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)。1、時面值、角面值（氣門開啟豐度）定義：整個氣門開啟過程中開啟面積對時間、角度的積分稱為時面值、角面值。代表了氣門總的開啟面積，也可以反應(yīng)氣門開啟的豐滿程度（流通能力）。

與凸輪升程規(guī)律（氣門升程規(guī)律）、氣門密封錐角有關(guān)。一般的角面值不變化（凸輪一定、氣門升程規(guī)律一定），而時間變短，時面值下降，換氣過程就相對困難（阻力系數(shù)λ增加）。在具體的發(fā)動機(jī)中，角面值一般不隨轉(zhuǎn)速而變化，則高轉(zhuǎn)速時，時面值減小。

=

212、進(jìn)氣馬赫數(shù)Ma：進(jìn)氣馬赫數(shù)Ma是進(jìn)氣門處氣體的平均速度與該處聲速c的比值。平均流速vm：實際進(jìn)入氣缸的新鮮充量與進(jìn)氣門有效時面值F（t）之比，式中μm——進(jìn)氣門開啟期間的平均流量系數(shù)；

Fm——進(jìn)氣門平均開啟面積；

t0、tc——進(jìn)氣門開、關(guān)時間；

φ0

、φc——進(jìn)氣門開、關(guān)角度。式中：F——活塞面積；

Cm——活塞平均速度；

D、d——活塞與進(jìn)氣閥盤的直徑。222、進(jìn)氣馬赫數(shù)Ma：根據(jù)試驗可知，在正常的配氣條件下，當(dāng)Ma超過一定數(shù)值（0.5左右）時，會形成氣阻，無法進(jìn)入更多氣體，便急劇下降。即使提高轉(zhuǎn)速，因單位時間充氣量無法增加，功率也不能增加。因此，必須注意控制Ma值。它反映流動對充氣效率的影響，成為分析充氣效率的一個特征數(shù)。由式知，增大氣門的相對通過面積；改善氣門處的氣體流動；合理的配氣相位，是限制Ma值、提高ηv的有效方法，對于高速發(fā)動機(jī)尤為重要。233、氣門直徑和氣門數(shù)進(jìn)氣門直徑↑→氣流通路截面積↑→ηv↑。在雙氣門（一進(jìn)一排）d/D可達(dá)45%～50%；

f1/A=0.2～0.25。多氣門結(jié)構(gòu)缸徑大于80mm時，采用二進(jìn)二排結(jié)構(gòu)；缸徑小于80mm時，采用三進(jìn)二排結(jié)構(gòu)，可獲得最大開啟面積。四氣門機(jī)與兩氣門機(jī)相比，功率可提高70%，扭矩可提高30%。

4、氣門升程規(guī)律適當(dāng)增加氣門升程，改進(jìn)凸輪型線，減小運(yùn)動件質(zhì)量，增加零件剛度，在慣性力允許條件下使氣門開閉得盡可能快，從而增大時面值，提高通過能力。最大氣門升程與閥盤直徑之比L/D＝0.26～0.28。5、減少氣門處的流動損失氣門頭部與桿部的過渡要盡量保證流線型，防止產(chǎn)生流動渦流（阻力）；薄壁化（喇叭口）；氣門封面錐角走向（小角度時面值會大，大角度承壓面積減?。?4二）、進(jìn)氣道和進(jìn)氣管為減少進(jìn)氣道內(nèi)的阻力應(yīng)避免急劇拐彎；（廣、直、勻、光）過渡回角應(yīng)選擇大一些；截管道各面變化要平緩；表面光潔度要高。進(jìn)氣管截面一般有三種：圓形、矩形及D字形。截面相同時，圓形阻力最小?？勺冞M(jìn)氣管長，諧波進(jìn)氣（根據(jù)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速不同，自動調(diào)整進(jìn)氣管長度，從而能夠充分利用進(jìn)氣過程中較高的進(jìn)氣諧波，提高充氣系數(shù)）。一般原則為低速、大扭矩時細(xì)長（在阻力變化不大情況下提高慣性）、高速時短粗（慣性不變的情況下減小阻力系數(shù)）。三）、空氣波清器空氣濾清器阻力隨結(jié)構(gòu)而不同。它必須在保證濾清效果的前提下，盡可能減小阻力，如加大通過斷面，改過濾清器性能。在使用中，應(yīng)經(jīng)常清洗濾清器，及時更換濾芯。25進(jìn)氣管長度及氣流的動態(tài)效應(yīng)進(jìn)氣管對v的影響：進(jìn)氣管長度進(jìn)氣系統(tǒng)阻力；波動效應(yīng)管道內(nèi)壓力波動

可變進(jìn)氣管長度：從進(jìn)氣阻力角度，越短越好，但氣管長度低速充氣效率，且峰值。

低速區(qū)：氣流速度低，流動損失不明顯；動態(tài)波動效應(yīng)

v高速區(qū)：氣流速度高，流動損失明顯，v26二、合理選擇配氣定時（ξ、γ、Ta）利用進(jìn)氣遲關(guān)角來優(yōu)化匹配最大值對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，從而優(yōu)化最大功率點(diǎn)、最大扭矩點(diǎn)；利用氣門疊開角掃氣減小殘余廢氣系數(shù)并降低熱負(fù)荷、減小NOx排放，且保證不倒流。合理選擇配氣定時，保證最好的充氣效果，改善發(fā)動機(jī)性能，是非常重要的問題。

1)ηv曲線相當(dāng)于在一定的配氣定時下，隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系。當(dāng)n↑→①氣流慣性↑若進(jìn)氣門遲閉角不變→使一部分可以利用氣流慣性進(jìn)入氣缸的氣體被關(guān)在氣缸之外；ηv

↓當(dāng)n↓→氣流慣性又可能使一部分氣體被推回進(jìn)氣管→

ηv

↓（進(jìn)氣倒流）

ηv是在某一轉(zhuǎn)速下達(dá)到最高值，說明在這個轉(zhuǎn)速下工作，能最好地利用氣流的慣性充氣。

n1n227二、合理選擇配氣定時（ξ、γ、Ta）2)不同ηv曲線相當(dāng)于在不同的配氣定時下，隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系。不同的進(jìn)氣遲閉角，ηv最大值相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速不同，一般遲閉角增大ηv最大值相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速也增加。因為轉(zhuǎn)速增加，氣流速度加大，大的遲閉角可充分利用高速的慣性充氣。改變進(jìn)氣遲閉角，可以改變ηv隨轉(zhuǎn)速變化的趨向，可用以調(diào)整發(fā)動機(jī)扭矩曲線，滿足不同的使用要求。加大進(jìn)氣門遲閉角，高轉(zhuǎn)速時ηv增加，有利于最大功率的提高，但對低速和中速性能則不利。減小過氣遲閉角，能防止低速倒流，有利于提高最大扭矩，但降低了最大功率。因此，對于配氣定時不能改變的發(fā)動機(jī)，應(yīng)根據(jù)常用工況確定進(jìn)氣遲閉角。

n1n228VVT-I(VariableValveTiming-intelligent)系統(tǒng)：特點(diǎn)：隨n可連續(xù)改變進(jìn)氣凸輪軸相對曲軸的位置

改變配氣相位。1-油壓控制閥2-VVT-i皮帶輪

3-螺旋齒輪4-曲軸位置傳感器5-機(jī)油泵

6-凸輪轉(zhuǎn)角傳感器系統(tǒng)組成：29合理選擇配氣定時（ξ、γ、Ta

）

合理的排氣提前角應(yīng)當(dāng)在保證排氣損失最小的前提下，盡量晚開排氣門，以加大膨脹比，提高熱效率。當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時，相應(yīng)的自由排氣時間減小，為降低排氣損失，應(yīng)增加排氣提前角。在氣門疊開期間，可以利用排氣管的壓力波減小殘余廢氣系數(shù)，

ηv增加，新鮮工質(zhì)流過高溫零件，降低熱負(fù)荷，減少NOX，故應(yīng)安排適當(dāng)?shù)臍忾T疊開角。在高速發(fā)動機(jī)，特別是二氣門機(jī)中，為保證足夠的進(jìn)、排氣門時面值，也會有較大的疊開角。車用發(fā)動機(jī)的使用轉(zhuǎn)速范圍寬廣，當(dāng)發(fā)動機(jī)在低速、小負(fù)荷時，進(jìn)氣管真空度大，且同樣的疊開角相當(dāng)?shù)臅r間長，會產(chǎn)生廢氣倒流，故