內(nèi)燃機(jī)原理 第4章

內(nèi)燃機(jī)原理沈陽航空工業(yè)學(xué)院動(dòng)力與能源工程學(xué)院徐讓書第4章內(nèi)燃機(jī)的換氣過程第1節(jié)四沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣過程第2節(jié)四沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣損失第3節(jié)提高內(nèi)燃機(jī)充量系數(shù)的措施第4節(jié)二沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣第1節(jié)四沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣過程上止點(diǎn)下止點(diǎn)下止點(diǎn)排開進(jìn)開排關(guān)進(jìn)關(guān)自由排氣強(qiáng)制排氣超臨界流動(dòng)P/MPa流通截面比f/fmaxφφ1.00.10.20.30.4氣門疊開排氣管內(nèi)壓力一、自由排氣階段由于受配氣機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)限制，氣門在開啟過程中只能逐漸加大其流通截面。如果排氣門剛好在膨脹行程下止點(diǎn)時(shí)開啟，則排氣門流通截面增加過緩，氣缸壓力下降遲緩，活塞在向上止點(diǎn)回行時(shí)將造成較大的反壓力，增加排氣行程消耗的功。內(nèi)燃機(jī)的排氣門在活塞到達(dá)下止點(diǎn)前提前開啟，稱為排氣提前。排氣提前角為30o~80o(CA)。把從排氣門開啟到氣缸壓力達(dá)到排氣背壓（排氣管內(nèi)壓力）的時(shí)期，稱為自由排氣階段。在自由排氣階段初期排氣管壓力與氣缸壓力之比小于臨界值，流動(dòng)呈現(xiàn)超臨界狀態(tài)，缸內(nèi)氣體以當(dāng)?shù)芈曀倭鬟^排氣門。此時(shí)，排氣質(zhì)量流量只取決于缸內(nèi)氣體狀態(tài)和排氣門有效開啟截面的大小，與排氣管內(nèi)的氣體狀態(tài)無關(guān)。在自由排氣階段后期排氣管壓力與氣缸壓力之比超過臨界值，氣體流動(dòng)逐漸進(jìn)入亞臨界狀態(tài)；直到氣缸壓力與排氣管內(nèi)的氣體壓力接近相等，自由排氣階段結(jié)束。在該階段中流出的氣體質(zhì)量，不僅與排氣門的有效流通截面有關(guān)，還與缸內(nèi)和排氣管內(nèi)的壓力差有關(guān)。第1節(jié)四沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣過程第1節(jié)四沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣過程自由排氣階段中排出的廢氣量與內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān)，在高速時(shí)，同樣的排氣時(shí)間對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角將大為增加。為使氣缸壓力及時(shí)下降，必須加大排氣提前角，否則將使氣消耗功增加。二、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，直到排氣門關(guān)閉，這一過程就是強(qiáng)制排氣階段。缸內(nèi)的氣體壓力略高于排氣管內(nèi)的平均壓力，而且氣體流速越高，壓力差也就越大。由于氣體在排氣管內(nèi)的壓力波動(dòng)，有可能形成壓力逆差，即氣缸壓力低于排氣管內(nèi)的壓力。排氣門流通截面開始逐漸減小，氣體流經(jīng)氣門的節(jié)流作用加強(qiáng)，因而在上止點(diǎn)附近，氣缸壓力再次升高。排氣門應(yīng)當(dāng)在上止點(diǎn)后一定角度時(shí)關(guān)閉，這就是排氣遲閉。排氣遲閉期間，可以利用缸內(nèi)氣體流動(dòng)慣性從氣缸內(nèi)抽吸部分廢氣，實(shí)現(xiàn)過后排氣，但由于到達(dá)上止點(diǎn)后活塞已開始下行，氣缸容積不斷增加，過大的排氣遲閉會(huì)導(dǎo)致廢氣倒流。當(dāng)廢氣從氣缸流出的流動(dòng)過程剛剛停止時(shí)，就是理想的排氣門關(guān)閉時(shí)刻，排氣門遲閉角為10o~70o(CA)。第1節(jié)四沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣過程三、進(jìn)氣過程進(jìn)氣門一般也在上止點(diǎn)前提前開啟，稱為進(jìn)氣提前，進(jìn)氣提前角為10o~40o(CA)。為了利用在吸氣過程中形成的進(jìn)氣管內(nèi)氣流的流動(dòng)慣性，實(shí)現(xiàn)氣缸的過后充氣，進(jìn)氣門不在下止點(diǎn)關(guān)閉，而是在下止點(diǎn)過后的一定角度時(shí)延遲關(guān)閉，即進(jìn)氣遲閉。進(jìn)氣遲閉角一般為20o~60o(CA)。高速時(shí)氣流流動(dòng)的慣性大，進(jìn)氣遲閉角應(yīng)相應(yīng)大一些。過大的進(jìn)氣遲閉角，會(huì)使得低速時(shí)發(fā)生缸內(nèi)氣流倒流進(jìn)入進(jìn)氣管的現(xiàn)象，也會(huì)影響有效壓縮比，從而影響壓縮終了溫度，使發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)困難。合理的進(jìn)氣定時(shí)是十分重要的。四、氣門疊開和燃燒室掃氣在排氣行程上止點(diǎn)附近進(jìn)、排氣門同時(shí)開啟，通常稱為氣門疊開。在氣門疊開期間，如果進(jìn)氣管壓力大于排氣管壓力，新鮮充量壓力差的作用下流入氣缸，與缸內(nèi)殘余廢氣進(jìn)行混合后，部分可以直接排入排氣管中。有利于掃除缸內(nèi)的殘余廢氣，增加氣缸充量，達(dá)到掃氣目的；可以降低燃燒室內(nèi)氣缸蓋、排氣門、活塞頂、缸套的溫度，對于受熱嚴(yán)重且冷卻困難的關(guān)鍵零件，效果是顯著的。汽油機(jī)氣門疊開角比較小。非增壓柴油機(jī)中采用較大的氣門疊開角，一般在20o~50o(CA)范圍內(nèi)。增壓柴油機(jī)采用比較大的氣門疊開角，一般為80o~140o(CA)。第1節(jié)四沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣過程第4章內(nèi)燃機(jī)的換氣過程第1節(jié)四沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣過程第2節(jié)四沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣損失第3節(jié)提高內(nèi)燃機(jī)充量系數(shù)的措施第4節(jié)二沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣第2節(jié)四沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣損失換氣損失定義為理論循環(huán)換氣功與實(shí)際循環(huán)換氣功之差。一、排氣損失膨脹損失——隨著排氣提前角的增大而增加，隨轉(zhuǎn)速增高而增加。推出損失——隨著排氣提前角的增大而減小，隨轉(zhuǎn)速增高而較為明顯增加。最有利的排氣提前角應(yīng)當(dāng)使兩者之和為最小。減小排氣損失的方法：合理的排氣正時(shí)、增大排氣門流通面積。二、進(jìn)氣損失進(jìn)氣過程對內(nèi)燃機(jī)性能的影響不僅體現(xiàn)在進(jìn)氣損失功上，更重要的是體現(xiàn)在所吸入新鮮充量的多少上。三、泵氣功與泵氣損失非增壓內(nèi)燃機(jī)的泵氣損失是由p－V圖中換氣過程封閉曲線面積所代表的負(fù)功來表示的，以Wp表示泵氣損失，有 Wp＝(x+y－u)Lp Lp為示功圖的比例系數(shù)。增壓內(nèi)燃機(jī)的泵氣損失是由增壓壓力和渦輪排氣壓力所圍成的矩形面積與實(shí)際換氣過程所圍成的封閉曲線面積之差： Wp＝

[(pb－pT)Vs

－(x+y－u)]Lp

活塞行程上止點(diǎn)下止點(diǎn)P/MPa90

7560

40

P/MPa排氣提前角n=3400rpm3200280024002000排氣提前角90

80

70

60

50

40

平均排氣損失壓力平均進(jìn)氣損失壓力n膨脹損失功推出損失功排氣損失功第4章內(nèi)燃機(jī)的換氣過程第1節(jié)四沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣過程第2節(jié)四沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣損失第3節(jié)提高內(nèi)燃機(jī)充量系數(shù)的措施第4節(jié)二沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣第3節(jié)提高充量系數(shù)的措施一、充量系數(shù)進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)（以下標(biāo)a表示）缸內(nèi)氣體的總質(zhì)量為ma＝

m1+mr＝(1+φr)m1 Φr為殘余廢氣系數(shù)根據(jù)充量系數(shù)的定義，可得

下標(biāo)s表示進(jìn)氣管內(nèi)的狀態(tài)。二、提高充量系數(shù)的措施在發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)確定的前提下，提高充量系數(shù)的措施為以下幾點(diǎn)：1)降低進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力損失，提高氣缸內(nèi)進(jìn)氣終了時(shí)的壓力pa，這是提高充量系數(shù)最有效的措施。2)降低排氣系統(tǒng)的阻力損失，以減小缸內(nèi)的殘余廢氣系數(shù)φr。3)減少高溫零件在進(jìn)氣系統(tǒng)中對新鮮充量的加熱，以降低進(jìn)氣終了時(shí)的充量溫度Ta。(一)降低進(jìn)氣系統(tǒng)的流動(dòng)阻力(二)降低排氣系統(tǒng)的流動(dòng)阻力(三)減少對進(jìn)氣充量的加熱第3節(jié)提高充量系數(shù)的措施(一)降低進(jìn)氣系統(tǒng)的流動(dòng)阻力進(jìn)氣系統(tǒng)的流動(dòng)阻力可分為沿程阻力，即是管道摩擦阻力，與管長和管內(nèi)流動(dòng)面上的表面質(zhì)量有關(guān)；進(jìn)氣流動(dòng)中，由于管道較短，壁面比較光滑，沿程阻力并不大；局部阻力，它是由于流通截面大小、形狀以及流動(dòng)方向變化，在局部產(chǎn)生渦流損失所引起的。局部阻力是流道中的主要損失，它由一系列的局部阻力疊加而成，尤其在進(jìn)氣門座處、空氣濾清器和流道轉(zhuǎn)彎處，流動(dòng)損失更為明顯。降低這些地方的局部阻力損失，對降低進(jìn)氣系統(tǒng)的流動(dòng)阻力，提高充量系數(shù)有顯著的意義。措施：1.降低進(jìn)氣門處的流動(dòng)損失2.采用可變進(jìn)氣系統(tǒng)技術(shù)3.減少進(jìn)氣管和空氣濾清器的阻力4.進(jìn)氣管內(nèi)動(dòng)力效應(yīng)1.降低進(jìn)氣門處的流動(dòng)損失進(jìn)氣門座處的流通截面，是進(jìn)氣流道中截面最小、流速最高的地方，該處的局部阻力最大，與阻力系數(shù)ξ有關(guān)和該處的流動(dòng)速度vs的平方成正比，即減小進(jìn)氣門流通截面處流動(dòng)損失的具體措施：(1)加大進(jìn)氣門直徑(2)增加進(jìn)氣門數(shù)目增加進(jìn)氣門數(shù)，可以取得與加大進(jìn)氣門直徑同樣的效果，即增大了進(jìn)氣門的有效流通截面積。(3)改進(jìn)凸輪廓線設(shè)計(jì)(4)采用較小的S/D值(5)合理設(shè)計(jì)進(jìn)氣道及氣門的結(jié)構(gòu)改善進(jìn)氣門座、進(jìn)氣道以及氣門頭部的結(jié)構(gòu)降低進(jìn)氣門處的流動(dòng)損失，可以從降低氣門座處的流速和改善氣門座處的流動(dòng)情況以提高流量系數(shù)入手解決。過高的氣體流速，會(huì)發(fā)生氣體阻塞現(xiàn)象。第3節(jié)提高充量系數(shù)的措施第3節(jié)提高充量系數(shù)的措施定義平均進(jìn)氣馬赫數(shù)Ma

為進(jìn)氣門座處氣流的平均速度；cs為進(jìn)氣門流通截面處的氣體聲速；μsm為進(jìn)氣門開啟期間的平均流量系數(shù)。進(jìn)氣平均馬赫數(shù)Ma綜合了進(jìn)氣門大小、形狀、升程規(guī)律以及活塞速度等因素，其大小與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。小型四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)Ma超過0.5后，充量系數(shù)急劇下降。這一結(jié)論，對于設(shè)計(jì)和評價(jià)氣門機(jī)構(gòu)是很有用的。不同氣門傾斜角度的比較不同氣門數(shù)目的比較第3節(jié)提高充量系數(shù)的措施不同進(jìn)氣門數(shù)目和傾斜角度的進(jìn)氣門流通截面積進(jìn)氣門數(shù)目直徑(mm)傾斜角(o)流通截面積(mm2)占?xì)飧捉孛娣e的比值(%)128061312.21322080416.013635101820.2224090518.022820122624.4320094218.832420135727.0第3節(jié)提高充量系數(shù)的措施DOHC四氣門發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)比較a)進(jìn)、排氣面積大，充量系數(shù)提高，同時(shí)泵氣損失小，有利于提高動(dòng)力性能b)利于將火花塞或噴油器布置在中央，有利于提高壓縮比（對點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)）和改善燃油霧化質(zhì)量（對壓燃式內(nèi)燃機(jī)），降低油耗，提高經(jīng)濟(jì)性c)可減輕氣門系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)零部件的質(zhì)量，適應(yīng)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的要求a)氣門機(jī)構(gòu)的零部件數(shù)目增加，使制造及維修成本增加b)頂置凸輪軸使缸蓋高度增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的高度尺寸加大第3節(jié)提高充量系數(shù)的措施2.采用可變進(jìn)氣系統(tǒng)技術(shù)從獲得最大充量系數(shù)的角度出發(fā)，理想的配氣系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)要滿足以下要求：1)低速時(shí)采用較小的氣門疊開角及較小的氣門升程，防止出現(xiàn)缸內(nèi)新鮮無量向進(jìn)氣系統(tǒng)的倒流，以便增加轉(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，以減小流動(dòng)阻力，充分利用過后充氣，提高充量系數(shù)，以滿足動(dòng)力性要求。3)配合以上變化，對進(jìn)氣門從開啟到關(guān)閉的持續(xù)期（又稱作用角）也應(yīng)進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)最佳的進(jìn)氣定時(shí)。(1)可變凸輪機(jī)構(gòu)VCS(2)可變氣門定時(shí)VVT第3節(jié)提高充量系數(shù)的措施3.減少進(jìn)氣管和空氣濾清器的阻力4.進(jìn)氣管內(nèi)動(dòng)力效應(yīng)諧振或稱調(diào)諧可變進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣管長度進(jìn)氣管截面積（二）降低排氣系統(tǒng)的流動(dòng)阻力減小排氣門處的流動(dòng)阻力排氣道應(yīng)是漸擴(kuò)型的，以保證排氣充分膨脹排氣管排氣管諧振排氣歧管流型與結(jié)構(gòu)消音器減少對進(jìn)氣充量的加熱進(jìn)排氣管的布置進(jìn)氣加熱進(jìn)氣冷卻第3節(jié)提高充量系數(shù)的措施諧振長進(jìn)氣歧管排氣消聲器第3節(jié)提高充量系數(shù)的措施可變進(jìn)氣系統(tǒng)第3節(jié)提高充量系數(shù)的措施第3節(jié)提高充量系數(shù)的措施第3節(jié)提高充量系數(shù)的措施第4章內(nèi)燃機(jī)的換氣過程第1節(jié)四沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣過程第2節(jié)四沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣損失第3節(jié)提高內(nèi)燃機(jī)充量系數(shù)的措施第4節(jié)二沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣第4節(jié)二沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣二沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣過程自由排氣階段掃氣與強(qiáng)制排氣階段過后排氣或過后充氣階段二沖程內(nèi)燃機(jī)換氣過程的問題換氣過程時(shí)間段，氣門疊開角大，換氣質(zhì)量差，空氣消耗量大進(jìn)、排氣過程同時(shí)進(jìn)行，空氣與殘余廢氣易摻混，殘余廢氣量多掃氣消耗功大二沖程汽油機(jī)的HC排放高變工況性能差換氣質(zhì)量的評價(jià)有關(guān)換氣過程的評