第三章(發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過(guò)程).ppt

1、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理,第三章 發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過(guò)程,發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過(guò)程,換氣過(guò)程進(jìn)行的好壞對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)哪些性能有影響？,排氣過(guò)程,進(jìn)氣過(guò)程,思考,自由排氣階段,強(qiáng)制排氣階段,慣性排氣階段,準(zhǔn)備進(jìn)氣階段,正常進(jìn)氣階段,慣性進(jìn)氣階段,本章重點(diǎn)介紹： 1）四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過(guò)程 2）四沖程內(nèi)燃機(jī)的充氣效率及影響充氣效率的 因素。 3）提高充氣效率的措施。,可燃混合氣成分與汽油機(jī)性能的關(guān)系,第一節(jié) 四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過(guò)程,換氣過(guò)程 四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)均采用氣門換氣方式，其換氣過(guò)程包括從上一循環(huán)排氣門開啟到下一循環(huán)進(jìn)氣門關(guān)閉的整個(gè)時(shí)期。 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，要在短時(shí)間內(nèi)使排氣干凈、進(jìn)氣充足是比較困難的。為了增加氣門開啟時(shí)間，充分

2、利用氣流的流動(dòng)慣性，減少換氣過(guò)程的損失，從而改善換氣過(guò)程，進(jìn)排氣門一般都是提前開啟、延遲關(guān)閉。 整個(gè)換氣過(guò)程超過(guò)兩個(gè)行程，占410490曲軸轉(zhuǎn)角（簡(jiǎn)稱CA）。,換氣過(guò)程可分為排氣和進(jìn)氣兩大部分。 其中排氣階段又包含：自由排氣階段、強(qiáng)制排氣階段、慣性排氣階段； 進(jìn)氣階段可分為準(zhǔn)備進(jìn)氣、正常進(jìn)氣和慣性進(jìn)氣三個(gè)階段。,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(shí)期，稱為自由排氣階段。,排氣門開啟是在活塞運(yùn)行到下止點(diǎn)前3080，此時(shí)氣缸內(nèi)廢氣壓力較高，約為0.20.5MPa，氣缸壓力p與排氣管壓力pr之比大于臨界值1.9。排氣流動(dòng)處于超臨界狀態(tài)，流速為當(dāng)?shù)芈曀賑（m/s）,式中 k等熵指

3、數(shù)； R氣體摩爾常數(shù)； T氣體的絕對(duì)溫度 此階段，廢氣流量與排氣管內(nèi)壓力無(wú)關(guān)，只取決于氣缸內(nèi)的氣體狀態(tài)和氣門最小開啟截面。,自由排氣階段,亞臨界狀態(tài)流動(dòng) 隨著廢氣大量流出，缸內(nèi)壓力迅速下降，氣體流速小于聲速，轉(zhuǎn)入亞音速流動(dòng)狀態(tài)。此時(shí)廢氣流量決定于氣缸內(nèi)和排氣管內(nèi)的壓力差。到某一時(shí)刻缸內(nèi)壓力與排氣管內(nèi)壓力相近時(shí)，自由排氣階段結(jié)束。自由排氣約在下止點(diǎn)后1030（CA）結(jié)束。 自由排氣階段雖然時(shí)間不長(zhǎng)，因速度高，此階段排出的廢氣量達(dá)60%以上。,強(qiáng)制排氣階段,此階段廢氣被上行活塞推出。因?yàn)橐朔艢庀到y(tǒng)阻力，缸內(nèi)壓力略高于排氣管內(nèi)壓力約10kPa左右。流速取決于壓差，流速越高，壓差越大，消耗功亦越多

4、。排氣過(guò)程一直進(jìn)行到上止點(diǎn)之后1035（CA），排氣門才完全關(guān)閉。,慣性排氣階段,強(qiáng)制排氣階段接近終了時(shí)，在上止點(diǎn)附近，廢氣尚有一定的流動(dòng)能量，可利用氣流的慣性進(jìn)一步排除廢氣。同時(shí)，如果排氣門在上止點(diǎn)時(shí)關(guān)閉，在上止點(diǎn)之前它就要開始關(guān)小，產(chǎn)生較大節(jié)流作用，此時(shí)活塞還在向上運(yùn)動(dòng)，致使氣缸內(nèi)壓力上升，結(jié)果排氣消耗功和殘余廢氣量都會(huì)增加。,因此，排氣門是在活塞過(guò)了上止點(diǎn)后才關(guān)閉，從上止點(diǎn)到排氣門完全關(guān)閉這段曲軸轉(zhuǎn)角稱為排氣遲閉角。一般排氣遲閉角為1035曲軸轉(zhuǎn)角。,進(jìn)氣階段,準(zhǔn)備進(jìn)氣階段 從進(jìn)氣門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，相應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為進(jìn)氣提前角。 由于進(jìn)氣提前角較小，相

5、應(yīng)開啟的通道截面也小，加之缸內(nèi)殘余廢氣壓力高于大氣壓力，在此階段新鮮氣體一般不會(huì)進(jìn)入氣缸。,正常進(jìn)氣階段 準(zhǔn)備進(jìn)氣階段結(jié)束后，活塞由上止點(diǎn)開始下行。由于氣門提前開啟，此時(shí)進(jìn)氣通道截面已開啟較大，保證大量新鮮氣體進(jìn)入氣缸。 由于進(jìn)氣系統(tǒng)阻力，活塞移到下止點(diǎn)時(shí)，氣缸內(nèi)壓力仍然低于大氣壓力。,慣性進(jìn)氣階段 為了利用高速進(jìn)氣流的慣性，增加充氣量，減少功耗，氣缸在活塞運(yùn)行到下止點(diǎn)后才完全關(guān)閉進(jìn)氣門。從活塞由下止點(diǎn)上行至氣門完全關(guān)閉這個(gè)時(shí)期，稱為慣性進(jìn)氣階段。 該階段曲軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度，稱為進(jìn)氣遲閉角。,下止點(diǎn),上止點(diǎn),配氣相位,進(jìn)、排氣門的實(shí)際開、閉時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間，稱為配氣相位，通常用曲軸轉(zhuǎn)角（CA）表示。

6、四沖程內(nèi)燃機(jī)配氣相位如下圖所示。,氣門重疊和燃燒室掃氣過(guò)程,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。,在氣門重疊開啟期內(nèi)，可利用氣流壓差和慣性清除殘余廢氣，增加新鮮充量。特別是增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，由于進(jìn)氣壓力高和較長(zhǎng)的氣門重疊時(shí)間，可以更好地利用新鮮充量來(lái)幫助清除廢氣和降低燃燒室熱區(qū)零件的溫度，稱為燃燒室掃氣。 非增壓機(jī)氣門疊開角一般為2080（CA），增壓機(jī)的一般為80140（CA）,換氣損失,換氣損失，是由排氣損失和進(jìn)氣損失兩部分組成。 1.排氣損失 從排氣門提前打開到進(jìn)氣過(guò)程開始，缸內(nèi)壓力達(dá)到大氣壓力前，循環(huán)功的

7、損失稱為排氣損失，它包括以下兩部分。 1）自由排氣損失w，因排氣門早開，排氣壓力線從Pb點(diǎn)開始離開理想循環(huán)的膨脹線，引起膨脹功的損失。 2）強(qiáng)制排氣損失y，它是活塞將廢氣推出所消耗的功。,為了減少排氣損失可以選擇適當(dāng)?shù)呐艢馓崆敖牵梗╳+y）最小。減小排氣系統(tǒng)阻力及排氣門處流動(dòng)損失，是降低排氣損失的主要方法。,2.進(jìn)氣損失 進(jìn)氣損失是由于進(jìn)氣系統(tǒng)阻力的存在，使進(jìn)氣過(guò)程氣缸壓力低于進(jìn)氣管壓力造成的損失。進(jìn)氣損失比排氣損失要小。 進(jìn)氣損失不僅體現(xiàn)在進(jìn)氣過(guò)程所消耗的功上，還體現(xiàn)在進(jìn)氣過(guò)程中所吸入的新鮮充量的多少上。因?yàn)榍罢邔?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率、功率影響不大，后者對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有顯著的影響。,合理調(diào)整配氣

8、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)氣道的流通路徑以及降低活塞平均速度等，都會(huì)使進(jìn)氣損失減少。,第二節(jié) 四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率,充氣效率c 充氣效率是衡量不同發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能和進(jìn)氣過(guò)程完善程度的重要指標(biāo)，又稱充量系數(shù)或容積效率。 充氣效率的定義：是實(shí)際進(jìn)入氣缸的新鮮充量m與進(jìn)氣狀態(tài)下充滿氣缸工作容積的理論新鮮充量ms之比。 式中 V1，m實(shí)際進(jìn)入氣缸新鮮充量的體積和質(zhì)量 V2，ms進(jìn)氣狀態(tài)下理論計(jì)算充滿氣缸工作容積的新鮮充量的 體積和質(zhì)量。 進(jìn)氣狀態(tài)：是指進(jìn)入氣缸前氣體的熱力學(xué)狀態(tài)，如溫度與壓力等。,高，代表每循環(huán)進(jìn)入氣缸的新鮮充量多，則發(fā)動(dòng)機(jī)的功率Pe、轉(zhuǎn)矩Ttq可增加。 可用實(shí)驗(yàn)方

9、法測(cè)得。由流量計(jì)測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)每小時(shí)新鮮充量的流量V1（m/h）。而理論充量V（m/h）由下式計(jì)算： V=0.03inVs 式中 Vs氣缸工作容積； i氣缸數(shù)目； n轉(zhuǎn)速（r/min） 發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率一般在如下范圍： 柴油機(jī)0.750.9 ；汽油機(jī)0.700.85,影響充氣效率的因素及其分析,充氣效率 的表達(dá)式 式中 pa，Ta進(jìn)氣終了時(shí)氣體壓力、溫度； ps，Ts進(jìn)氣狀態(tài)時(shí)氣體壓力和溫度； 殘余廢氣系數(shù)，即進(jìn)氣過(guò)程結(jié)束時(shí)，缸內(nèi) 殘余廢氣量與缸內(nèi)新鮮充量的比值； 壓縮比。,影響充氣效率的因素,由上式可知，影響充氣效率的因素有進(jìn)氣狀態(tài)和進(jìn)氣終了狀態(tài)的氣缸壓力、溫度、殘余廢氣系數(shù)、壓縮比及配氣相位。

10、 1進(jìn)氣終了狀態(tài)壓力Pa的影響 Pa對(duì) 有重要影響，Pa值愈高， 值愈大 Pa=PsPa 式中，pa為大氣流動(dòng)時(shí)，克服進(jìn)氣系統(tǒng)阻力而引起的壓降。,這種流動(dòng)阻力的一般公式為：,式中，為管道阻力系數(shù)；為進(jìn)氣狀態(tài)下氣體的密度；v為管道內(nèi)氣體流速。,pa主要取決于各段管道阻力系數(shù)和氣體流速v 。,汽油機(jī)是靠改變節(jié)氣門開度調(diào)節(jié)進(jìn)入氣缸的混合氣量來(lái)調(diào)節(jié)汽油機(jī)負(fù)荷。 1）當(dāng)節(jié)氣門位置一定時(shí)，n增加，氣體流速增加， Pa顯著加大（呈平方關(guān)系），使Pa迅速下降。 2）節(jié)氣門開度減小時(shí)， Pa降低。節(jié)氣門開度越小， Pa隨n提高而下降的越快（如下圖）。 負(fù)荷變化時(shí)，汽油機(jī)和柴油機(jī)的Pa變化不同，柴油機(jī)Pa幾乎不隨

11、負(fù)荷變化，而汽油機(jī)變化顯著，這也就決定了v的變化趨勢(shì)。,2進(jìn)氣終了溫度Ta的影響 Ta越高，充入氣缸的工質(zhì)密度越小，v值越低。 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；新鮮工質(zhì)與高溫殘余廢氣混合而被加熱。 2）對(duì)汽油機(jī)來(lái)說(shuō)，為了便于液體燃料蒸發(fā)、混合，常利用排氣歧管或冷卻水的熱量加熱新鮮充量，故進(jìn)氣終了溫度升高。為了降低進(jìn)氣終了溫度，柴油機(jī)的進(jìn)、排氣道和進(jìn)、排氣歧管置于氣缸蓋兩側(cè)，控制進(jìn)氣預(yù)熱；適當(dāng)加大氣門重疊角，也有利于Ta的降低。 3）轉(zhuǎn)速n和負(fù)荷都對(duì)Ta有影響，在負(fù)荷不變時(shí)，轉(zhuǎn)速n越高，工質(zhì)被加熱的時(shí)間縮短，Ta降低。在轉(zhuǎn)速n不變時(shí)，負(fù)荷加大，缸壁溫度升高，

12、Ta提高。,3.殘余廢氣系數(shù) 氣缸中殘余廢氣增加，使v降低，燃燒惡化，燃油消耗率高，排放差。排氣系統(tǒng)阻力大，廢氣流動(dòng)困難，使得排氣壓力提高，殘余廢氣增加，充氣效率降低。 進(jìn)排氣門的重疊角大、壓縮比高， 值下降，故一般柴油機(jī)值較低。 汽油機(jī)在低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，節(jié)氣門開度小，新鮮充量減少，大大增加，稀釋可燃混合氣，使燃燒過(guò)程緩慢，易造成汽油機(jī)低負(fù)荷工作不穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)性變差。,4.配氣相位的影響 進(jìn)氣遲閉角對(duì)進(jìn)氣終了壓力影響最大。Pa會(huì)因?yàn)樾迈r充氣量的慣性進(jìn)氣而增加。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，氣流的慣性發(fā)生變化，但進(jìn)氣遲閉角不變時(shí)，會(huì)使轉(zhuǎn)速高時(shí)氣流的慣性沒(méi)有被利用；而轉(zhuǎn)速低時(shí)，進(jìn)氣遲閉角也不相應(yīng)減少的話，會(huì)使氣

13、體造成倒流，從而影響進(jìn)氣壓力與發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。 選擇適當(dāng)?shù)呐錃庀辔?，可獲得較高的充氣系數(shù)。以 Pa具有最大值為宜。 5.壓縮比的影響 提高壓縮比，使氣缸余隙減小，殘余廢氣量減少，從而提高v。,第三節(jié) 提高發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率的措施,可以按照上述對(duì)影響充氣效率的多種因素的分析，從多方面采取措施來(lái)提高充氣效率v 。,減少進(jìn)氣系統(tǒng)的流動(dòng)損失,發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)包括空氣濾清器、化油器（汽油機(jī)）、進(jìn)氣管、進(jìn)氣道、氣門與氣門座。其中氣門座處的流通截面最小，截面變化大，氣流損失也最大。減小此處的流動(dòng)阻力，一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)。,（一）減少進(jìn)氣門座處的流動(dòng)損失 為減少進(jìn)氣門座處的流動(dòng)損失，可采取如下措施： 1.增大進(jìn)

14、氣門直徑，選擇合適的排氣門直徑 現(xiàn)代高速發(fā)動(dòng)機(jī)單進(jìn)、排氣門結(jié)構(gòu)中，進(jìn)氣門直徑d與缸徑D之比為45%50%，面積比為0.20.5。排氣門的直徑也必須足夠大，以減少排氣損失。通常犧牲排氣門直徑來(lái)加大進(jìn)氣門直徑，一般進(jìn)氣門直徑比排氣門直徑大15%20%。排氣門直徑也不能過(guò)分縮小，否則會(huì)導(dǎo)致不合理地增加排氣損失和殘余廢氣量。,由于流速的大小是決定流動(dòng)阻力大小的主要因素?？諝鈩?dòng)力學(xué)理論中指出，在高速可壓縮的流動(dòng)系統(tǒng)中，決定氣流流動(dòng)性質(zhì)最重要的參數(shù)是馬赫數(shù)Ma，Ma是進(jìn)氣門處氣流平均速度vm與該處音速c之比，即 Ma= vm /c 發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率大小，與通過(guò)進(jìn)氣門座處的氣流的馬赫數(shù)Ma密切相關(guān)。,給定的

15、發(fā)動(dòng)機(jī)（缸徑、氣門大小、配氣相位一定）其Ma與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。根據(jù)一系列的實(shí)驗(yàn)可知，在正常的配氣相位條件下，當(dāng)Ma0.5左右，v便急劇下降，如下圖所示。 綜上所述，可得出如下主要結(jié)論：Ma是一個(gè)反映v由于流動(dòng)損失而受到影響的特性參數(shù)，即v的高低決定于Ma的大小。因此，在設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)應(yīng)盡可能使Ma在最高轉(zhuǎn)速時(shí)不超過(guò)0.5。汽油機(jī)的Ma值已接近0.5，柴油機(jī)的Ma值一般在0.30.4之間。,2.增加氣門的數(shù)目 采用小氣門，增加氣門數(shù)的結(jié)構(gòu)（兩個(gè)排氣門，兩個(gè)進(jìn)氣門，甚至更多）是增大進(jìn)氣門流通面積、降低排氣損失的有效措施。 例如：上海柴油機(jī)廠生產(chǎn)的6135Q-1柴油機(jī)采用雙氣門（即進(jìn)、排氣門各一個(gè)）

16、的結(jié)構(gòu)時(shí)，15min功率為162KW/2200r/min；改用四個(gè)小氣門（進(jìn)、排氣門各兩個(gè)）后，15min功率增至194kW/2200r/min功率提高20%。由于v提高使得燃燒完全，因而循環(huán)i和e均提高，排氣溫度降低，熱負(fù)荷減小，延長(zhǎng)了使用壽命。 賽車用高比功率的發(fā)動(dòng)機(jī)采用多個(gè)小氣門結(jié)構(gòu)后，功率可提高70%，扭矩可提高30%。 但由于多氣門的機(jī)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)較高，使其發(fā)展受到一定的限制，其另一個(gè)缺點(diǎn)是低速時(shí)扭矩不大。,3.改善進(jìn)氣門處流體動(dòng)力性能，減少氣門處流動(dòng)損失 適當(dāng)增大氣門的升程，改進(jìn)配氣凸輪型線，在慣性力容許的情況下，使氣門開閉盡可能的快。適當(dāng)加大氣門桿身與頭部的過(guò)度圓弧，減少氣門座密

17、封性面的寬度，修圓氣門座密封錐面的尖角等措施，均可改善進(jìn)氣門處流體動(dòng)力性能，減小流動(dòng)損失。 4.采取較小的S/D值（短行程） 在轉(zhuǎn)速不變的情況下，S/D變小可使活塞平均速度Cm減小，使Ma降低。另外，由于缸徑D的增大還可采用大的氣門直徑，使v提高。,（二）減小整個(gè)進(jìn)氣管道的流動(dòng)阻力 氣缸蓋內(nèi)的進(jìn)氣道形狀比較復(fù)雜，截面形狀急劇改變，進(jìn)氣阻力增大。為減少進(jìn)氣道阻力，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(guò)渡圓角半徑應(yīng)大一些，避免急劇轉(zhuǎn)彎等。 同樣，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，各氣缸進(jìn)氣管獨(dú)立，長(zhǎng)度盡可能

18、一致。,減小對(duì)新鮮充量的加熱,新鮮充量在吸入過(guò)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。凡能降低活塞、氣門等熱區(qū)零件的溫度和減小接觸面積的措施都有利于減小對(duì)新鮮充量的加熱。增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室掃氣、油冷活塞以及柴油機(jī)進(jìn)、排氣管分別置于缸蓋兩側(cè)，都是有利措施。為了避免進(jìn)氣受熱，汽油機(jī)一般進(jìn)氣歧管采用工程塑料制成。,減小排氣系統(tǒng)的阻力,減小排氣系統(tǒng)中排氣門座、排氣道、排氣管、消音器的阻力，對(duì)降低排氣壓力pr、減小殘余廢氣系數(shù)均有利。減小排氣系統(tǒng)的阻力雖然效果不如減小進(jìn)氣系統(tǒng)阻力那么有效，但設(shè)計(jì)中仍需給予注意。,合理地選擇配氣相位,（一）進(jìn)氣門遲閉角 合理選擇進(jìn)氣相位角。 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低（Ma較?。r(shí)，進(jìn)氣門遲閉角不能過(guò)大，否則新鮮充量被向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的活塞推回到進(jìn)氣管。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高（Ma大）時(shí)，活塞到下止點(diǎn)時(shí)缸內(nèi)壓力遠(yuǎn)低于進(jìn)氣管壓力，因此允許有較大的進(jìn)氣遲閉角，可以獲得較多的過(guò)后充量。 改變進(jìn)氣門的遲閉角可以改變v隨轉(zhuǎn)速變化的趨勢(shì)，用來(lái)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩特性，以滿足不同的使用要求。如進(jìn)氣門遲閉角加大，高轉(zhuǎn)速時(shí) v增加，有利于最大功率的發(fā)揮，但對(duì)中、低速性能不利。減小進(jìn)氣門的遲閉角雖可加大發(fā)動(dòng)機(jī)低、中速時(shí)的轉(zhuǎn)矩，但對(duì)高速時(shí)最大功率發(fā)揮不利。,（二）進(jìn)、排氣門重疊角 （三）排氣提前角,一般發(fā)動(dòng)機(jī)在使用過(guò)程中，配氣定時(shí)是不能