第三章--發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程.ppt

1、胡水福,1,第三章 發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程,主講：胡水福胡水福,2,下止點(diǎn),上止點(diǎn),胡水福,3,燃料在氣缸內(nèi)完全燃燒需要一定量的空氣，完全燃燒時(shí)汽油與空氣的體積比約為1：10000，而柴油與空氣的體積比還要更大一些。由此可見，可燃混合氣中燃料所占容積比例很小，所以充入氣缸的混合氣燃燒放熱量的大小，主要取決于充入缸內(nèi)的空氣量多少。每循環(huán)進(jìn)入氣缸的空氣量多，既可多供給一些燃料，又可以提高燃料的完全燃燒程度。提高發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和功率。此外，換氣過程有功率損失使熱效率降低。換氣過程的好壞對發(fā)動(dòng)機(jī)零件的熱復(fù)合、排氣冒煙、大氣污染等也有一定影響。,胡水福,4,發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣過程和進(jìn)氣過程統(tǒng)

2、稱為換氣過程。換氣過程的任務(wù)是將氣缸內(nèi)廢氣排除干凈，并充入盡可能多的新鮮氣量-在柴油機(jī)中是空氣；在汽油機(jī)中是燃油與空氣的混合氣（可燃混合氣），這是保證發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的重要條件。 為了不斷提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，必須深入研究換氣過程的進(jìn)行情況，分析影響充氣量的各種因素，找出提高充氣量和減少換氣損失的方向與措施。,胡水福,5,第一節(jié) 四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程,一、換氣過程 四行程發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)均采用氣門換氣方案，其換氣過程是排氣門開啟到進(jìn)氣門關(guān)閉的整個(gè)時(shí)期，約占曲軸轉(zhuǎn)角380490。根據(jù)氣體流動(dòng)特點(diǎn)和進(jìn)排氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律，換氣過程可分為自由排 氣、強(qiáng)制排氣、慣性排氣、準(zhǔn) 備進(jìn)氣、正常進(jìn)氣和慣性進(jìn)氣 六個(gè)階段，如圖

3、所示。,胡水福,6,進(jìn)排氣門流通截面積的變化 (a)氣缸壓力、排氣管壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線(b)進(jìn)排氣門相對流通截面積隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線(c)四行程發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣門開閉時(shí)間,胡水福,7,1、自由排氣階段 從排氣門打開到氣缸內(nèi)壓力接近排氣壓力，利用燃?xì)鈮毫ε艢狻?在排氣門剛開啟時(shí)，一般在排氣下止點(diǎn)前30-80曲軸轉(zhuǎn)角，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，此時(shí)通過氣門的氣體速度等于燃?xì)獾囊羲佟?當(dāng) T=600900時(shí)，音速可達(dá)500600 m/s。,胡水福,8,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

4、內(nèi)與排氣管內(nèi)壓力相等，自由排氣階段結(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。,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。,胡水福,9,2、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，直到排氣門關(guān)閉這一過程就是強(qiáng)制排氣階段。,活塞上行強(qiáng)制推出廢氣。,慣性排氣 10-35,胡水福,10,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040(CA)。 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

5、(CA)。,二、進(jìn)氣過程：,胡水福,11,4、準(zhǔn)備進(jìn)氣階段為了增加進(jìn)氣量 ，進(jìn)氣門必須在上止點(diǎn)前，排氣尚未結(jié)束時(shí)就開始開啟，以保證活塞下行進(jìn)氣開始時(shí)，就有較大的進(jìn)氣通道截面，為進(jìn)氣作好準(zhǔn)備，從進(jìn)氣 門開始開啟到活塞行至上止點(diǎn)這個(gè)時(shí)期稱為準(zhǔn)備進(jìn)氣階段。該階段曲軸轉(zhuǎn)過的角度稱為進(jìn)氣提前角，一般為 1030轉(zhuǎn)角。由于進(jìn) 氣提前角較小，進(jìn)氣門通 道截面也小，再加氣缸內(nèi) 殘余廢氣壓力高于大氣壓 力，所以在此階段中新鮮 氣體一般不能進(jìn)入氣缸。,胡水福,12,5、正常進(jìn)氣階段準(zhǔn)備進(jìn)氣階段后，活塞由上止點(diǎn)開始下行，初期由于氣缸內(nèi)殘余廢氣壓力 pr 仍高于大氣壓力 p0 ，新鮮氣體不能沖入氣缸，只有將殘余廢氣由

6、r點(diǎn)膨脹到r點(diǎn)，使壓力由 pr 下降到 pr后，新鮮氣體才能沖入氣缸。由于進(jìn)氣門早開，此時(shí)進(jìn)氣門通道截面已開啟較大，所以保證了大量新氣進(jìn)入氣缸內(nèi)，但因進(jìn)氣系統(tǒng)有阻力，所以在活 塞移到下止點(diǎn)時(shí)，氣缸內(nèi) 壓力 p 仍低于大氣壓力。,胡水福,13,6、慣性進(jìn)氣階段從活塞由下止點(diǎn)向上行至進(jìn)氣門關(guān)閉這個(gè)時(shí)期稱為慣性進(jìn)氣階段。該階段中曲軸轉(zhuǎn)過的角度稱為進(jìn)氣遲閉角，一般為4080曲軸轉(zhuǎn)角。在進(jìn)氣過程活塞到下止點(diǎn)的瞬間，進(jìn)氣門口仍有一定的流速，進(jìn)氣門遲閉就可以利用新鮮氣體流動(dòng)慣性和氣缸內(nèi)外壓力差，繼續(xù)進(jìn)氣，所以進(jìn)氣門都在下止點(diǎn)之后才關(guān)閉，使沖氣量增加。,胡水福,14,由于排氣門遲閉和進(jìn)氣門早開，因此在上止點(diǎn)附

7、近將出現(xiàn)進(jìn)、排氣門同時(shí)開啟的狀態(tài)，稱為氣門重疊或氣門疊開，氣門疊開時(shí)曲軸轉(zhuǎn)過的角度稱為氣門疊開角或重疊角，一般為2080曲軸轉(zhuǎn)角。由于氣門重疊角小，進(jìn)氣門升起高度不大，且廢氣又具有一定慣性，所以廢氣不會倒流入氣管中，為此在氣門疊開期間因進(jìn)氣管、氣缸、排氣管連通在一起，可以利用氣流的壓差和慣性清除殘余廢氣，增加進(jìn)氣量。 在換氣過程中，由于活塞移動(dòng)速度不均勻，氣門通道截面也時(shí)時(shí)變化，使氣流速度的變化很復(fù)雜。同時(shí)氣缸內(nèi)壓力變化是波動(dòng)的，進(jìn)而引起進(jìn)、排氣管內(nèi)壓力變化也是波動(dòng)的。因此，利用進(jìn)氣管的動(dòng)態(tài)效應(yīng)可以提高進(jìn)氣量。,2020/8/2,三、氣門重疊和燃燒室掃氣過程,一方面，有利于掃除缸內(nèi)殘余廢氣，增

8、加進(jìn)氣量，特別是增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，掃氣更明顯； 另一方面，又可以降低燃燒室內(nèi)氣缸蓋、排氣門、活塞頂、缸套的溫度。,作用：,在排氣行程上止點(diǎn)附近出現(xiàn)進(jìn)、排氣門同時(shí)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。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。,胡水福,16,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)都采用比非增壓柴油機(jī)大的氣門重疊角，一般為80160； 氣門重疊角過大，會使氣門與活塞發(fā)生相撞，一般非增壓柴油機(jī)的氣門疊開角在2060范圍內(nèi)。,胡水福,17,1、排氣損失,定義：從排氣門提前開啟，直到進(jìn)氣行程

9、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。,胡水福,18,2、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(shí)，加大進(jìn)氣門的流通截面、正確設(shè)計(jì)進(jìn)氣管及進(jìn)氣道的流動(dòng) 路徑以及降低活塞平均速度 等，都會使進(jìn)氣損失減少。,胡水福,19,與排氣過程不同的是，進(jìn)氣損失不僅體觀在進(jìn)氣過程所消耗的功上，更重要的是體現(xiàn)在進(jìn)氣過程中所吸人新鮮充量的多少上，因?yàn)榍罢邔τ趦?nèi)燃機(jī)的熱效率乃至功率影響不大，而后

10、者對內(nèi)燃機(jī)性能有顯著的影響。,胡水福,20,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(shí)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。,胡水福,21,一般而言，所有減少換氣損失的措施以及以后將要討論到的提高充量系數(shù)的途徑，對降低泵氣損失都是有利的。另外，由于二沖程內(nèi)燃機(jī)沒有單獨(dú)的進(jìn)、排氣活塞行程，所以泵氣功為零。,胡水福,22,第二節(jié) 四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的充量效率,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(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣質(zhì)量，可用充量系數(shù)(充氣效率、充量效率、容積效率) 、殘余廢氣系數(shù)

11、來衡量。,胡水福,23,一、充量效率hc,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)人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)。,定義：內(nèi)燃機(jī)每缸每循環(huán)實(shí)際進(jìn)入氣缸的新鮮空氣沖量與進(jìn)氣狀態(tài)下理論計(jì)算充滿氣缸工作容積的空氣沖量比值。,胡水福,24,1,式中： m 為實(shí)際進(jìn)入氣缸的新鮮空氣質(zhì)量 V1 為實(shí)際進(jìn)入氣缸的新鮮空氣在進(jìn)氣狀態(tài)下的體積 ms 為進(jìn)氣狀態(tài)下理論計(jì)算充滿氣缸工作容積的空氣質(zhì)量 Vs 為氣缸工作容積,胡水福,25,一般非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在全負(fù)荷時(shí)的hc,胡水福,26,二、影響充量系數(shù)的因素,1）進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)，缸內(nèi)工質(zhì)的總質(zhì)

12、量ma： 設(shè)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：,胡水福,27,2）排氣門關(guān)閉時(shí)缸內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量mr，排氣門關(guān)閉時(shí)缸內(nèi)體積為Vr，則,3）每循環(huán)充入氣缸新鮮充量的質(zhì)量為,胡水福,28,4）進(jìn)入氣缸的新鮮沖量的質(zhì)量為：,則,胡水福,29,影響充量系數(shù)的因素,1、進(jìn)氣終了時(shí)的壓力Pa Pa對hv有重要影響，Pa愈高，hv值愈大 Pa=PsPa 式中，pa為氣體流動(dòng)時(shí)，克服進(jìn)氣系統(tǒng)阻力而引起的壓降(kPa)。,可見，pa主要取決于各段管道的阻力系數(shù)和氣體流速。若 l大、 V高時(shí)，pa增加，使pa下降。,胡水福,30,2、進(jìn)氣終了的

13、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，hv值愈低。,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。,胡水福,31,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(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。,措施：將高溫排氣管與進(jìn)氣管分置于氣

14、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Ta。,胡水福,32,3、殘余廢氣系數(shù)g 1）g增加， hv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。,胡水福,33,第三節(jié) 提高發(fā)動(dòng)機(jī)充量系數(shù)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。,胡水福,34,提高充量系數(shù)措施,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,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)r,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,重要,合理選擇相位角,諧振進(jìn)氣與可變進(jìn)氣支管,胡水福,35,(一)降低進(jìn)氣系統(tǒng)