第三章发动机的换气过程.ppt

第三章第三章 发动机的换气过程发动机的换气过程第三章 发动机换气过程4.1 发动机换气过程换气过程排气过程进气过程 换气过程的任务 排除废气充入尽可能多的新鲜工质 研究的内容换气过程的进行情况 分析影响充气效率的各种因素 提高充气效率减少换气损失方向与措施。找出第三章 发动机换气过程4.1 发动机换气过程第一节第一节 四行程发动机四行程发动机的换气过程的换气过程第三章 发动机换气过程4.1 发动机换气过程 一、换气过程 四行程发动机的换气过程包括从排气门开 启 到 进 气 门 关 闭 的 整 个 时 期 ， 约 占410480曲轴转角。换气过程自由排气强制排气进气气门叠开第三章 发动机换气过程4.1 发动机换气过程 1自由排气阶段 排气门开启到气缸压力接近了排气管压力的这一时期，称为自由排气阶段。 排气提前角：从排气门开启到活塞行至下止点所对应的曲轴转角称为，一般为30 80曲轴转角。第三章 发动机换气过程4.1 发动机换气过程自由排气阶段超临界状态亚临界状态 （1）超临界状态 排气门开启时，气缸内废气压力较高（0.20.5Mpa），缸内压力与排气管压力之比1.9，排气流动处于超临界状态，可利用废气自身的压力自行排出。 第三章 发动机换气过程4.1 发动机换气过程通过排气门口废气的流速等于该状态下的音速（m/s）KRTc 在超临界排气时期，废气流量与排气管内压力pr无关，只与气缸内的气体状态及气门开启截面积有关。并且因排气流速甚高，在排气过程中伴有刺耳的噪声，所以排气系统必须装有消声器。式中 K绝热指数； T气体的绝对温度； R气体常数Nm/（kgK）。第三章 发动机换气过程4.1 发动机换气过程 排出的废气量决定于气缸内及排气管内的压力差。压力差越大排出废气越多。当到某一时刻气缸内与排气管内压力相等，自由排气阶段结束（一般下止点后1030曲轴转角）。此阶段虽然历程很短，但因排气流速甚高，排出废气量达60%以上。（2）亚临界状态 缸内压力与排气管内压力之比下降到1.9以下时，排气流动转入亚临界状态，废气流速降低，产生的噪音较小。 第三章 发动机换气过程4.1 发动机换气过程 高速发动机其排气提前角要大一些：在自由排气阶段中，排出的废气量与发动机转速无关。发动机转速高时，在同样的排气时间（以秒计）所相当的曲轴转角增大，因此，高速发动机排气提前角要大。但不宜过大，否则会使排气损失加大。第三章 发动机换气过程4.1 发动机换气过程 2强制排气阶段：活塞上行强制推出废气。 缸内平均压力高于排气管平均压力：克服排气门、排气道处的阻力，一般高出10kpa左右。气体的流速越高，此压差越大，消耗的功越多。惯性排气。排气迟闭角，一般为10 35曲轴转角。第三章 发动机换气过程4.1 发动机换气过程正常进气 ：活塞下行残余废气膨胀，新鲜气体充入气缸。惯性进气。进气迟闭角：一般为4070曲轴转角。 准备进气。进气提前角：一般为0 30曲轴转角 第三章 发动机换气过程4.1 发动机换气过程 4.气门叠开 ：进、排气门同时开启。 作用：由于进气管、气缸、排气管互相连通，可以利用气流的压差、惯性或进、排气管压力波的帮助，清除残余废气，增加进气量，降低高温零件的温度，但注意不应产生废气倒流现象。 叠开角：进、排气门同时开启时对应的曲轴转角，一般为2080曲轴转角。在增压发动机可达80160的曲轴转角。因其进气压力高。 第三章 发动机换气过程4.1 发动机换气过程 二、换气损失换气损失由排气损失和进气损失两部分组成。第三章 发动机换气过程4.1 发动机换气过程 1. 排气损失 排气损失是从排气门提前打开，直到进气行程开始，气缸内压力到达大气压力之前，循环功的损失。 （1）自由排气损失（图中面积W），是由于排气门提前打开而引起的膨胀功的减少。 （2）强制排气损失（图中面积Y），是活塞上行强制推出废气所消耗的功。 第三章 发动机换气过程4.1 发动机换气过程 减少排气损失的主要措施是：减小排气系统阻力和排气门处的流动损失。 随着排气提前角增大，自由排气损失面积增加，强制排气损失面积减小，如图中b曲线，如排气提前角减少则强制排气损失面积增加，如图中c曲线。所以最有利的排气提前角应使面积（W+Y）之和最小。第三章 发动机换气过程4.1 发动机换气过程 2进气损失 进气损失：因进气系统的阻力而引起的功的损失。 排气损失与进气损失之和称换气损失，即图中面积(W+X+Y)。在实际循环示功图中把面积(x+y-d)相当的负功称为泵气损失。这部分损失放在机械损失中加以考虑。第二节 四行程发动机的充气效率第三章第三章 发动机的换气过程发动机的换气过程式中 m1 、V1实际进入气缸的新鲜工质的质量、体积（进气 状态）； ms 、Vs 进气状态下充满工作容积的新鲜工质的质量、气缸工作容积。 ssvvvmm11一、充气效率 充气效率是实际进入气缸的新鲜工质的质量与进气状态下充满气缸工作容积的新鲜工质的质量的比值。第三章 发动机换气过程4.2 发动机的充气效率 二、影响充气效率的因素 （一）充气效率v的表达式 1）进气门关闭时缸内气体的总质量ma 假定进气门关闭时气缸容积为（Vs +Vc），此时缸内气体压力、温度、密度为Pa、Ta、a，则缸内气体的总质量为ascavvm 2）排气门关闭时缸内残余废气的质量 假定排气门关闭时缸内体积为Vr，残余废气的压力、温度、密度为Pr、Tr、 r ，则残余废气的质量为rrrvm第三章 发动机换气过程4.2 发动机的充气效率3）充入气缸新鲜充量的质量为rrascssvvvvvssrrascvvvvv第三章 发动机换气过程4.2 发动机的充气效率经变换推导得111aassvTppT式中 Pa、 Ta进气状态的温度和压力； Ts 、Ps进气终了时的气体温度和压力； 残余废气系数， 即进气过程结束时气缸内残余废气量与气缸内新鲜充量的比值； 压缩比。scscvvvvssvrvm第三章 发动机换气过程4.2 发动机的充气效率 （二）影响充气效率的因素（二）影响充气效率的因素 1进气终了时的压力Pa Pa对 有重要影响，Pa愈高， 值愈大 Pa=Ps-Pa 式中，pa为气体流动时，克服进气系统阻力而引起的压降(kPa)。一般可写成 式中 管道阻力系数； 进气状态下气体的密度； V管道内气体的流速（m/s）。 可见，pa主要取决于各段管道的阻力系数和气体流速。若大、高时，pa增加，使pca下降。vv22vpa第三章 发动机换气过程4.2 发动机的充气效率转速和负荷对进气压力的影响转速和负荷对进气压力的影响1）转速当节气门位置一定时，n增加，Pa降低。 2）负荷 汽油机：当节气门关小时，节流损失增加，引起Pa下降。 且Pa 随转速的增加而下降的愈快，即曲线变化愈陡。 柴油机：负荷调节为“质调节”，负荷减小时Pa变化很小。第三章 发动机换气过程4.2 发动机的充气效率 2进气终了的温度Ta 进气终了的温度Ta高于进气状态温度。引起Ta升高的原因是: 1）新鲜工质进入发动机与高温零件接触而被加热。 2）新鲜工质与高温残余废气混合而被加热。 3）在化油器式汽油机上，为了使液体燃料在进气管中蒸发，以便均匀地与空气混合而进入气缸，一般都采用废气或冷却水热量对进气管加热，故空气经过进气管时受热而温度升高。措施：将高温排气管与进气管分置于气缸两侧，控制进气预热，适当加大气门叠开角等，均有利于降低Tca。第三章 发动机换气过程4.2 发动机的充气效率 转速和负荷对Ta的影响 1）转速： 当负荷不变而转速增加时，由于新鲜工质与缸壁等接触时间短，传热量少，所以Ta稍有下降。 2）负荷：当转速不变而增加发动机负荷时，缸壁等零件温度升高，Ta有所上升。 3.残余废气系数 1） 增加， 降低，燃烧恶化，油耗、排放增加， 2）压缩比提高，残余废气系数减小。 3）排气压力高，废气多，充气效率降低。 4）排气系统阻力大，排气压力高，废气多。v第三章 发动机换气过程4.2 发动机的充气效率4.配气定时配气定时 由 的计算公式可见，由于进气门迟闭而 1 ,新鲜充量的容积减小,但Pa值却可能因有气流惯性而使进气有所增加,合适的配气定时应考虑Pa具有最大值。5.压缩比压缩比 压缩比增加,压缩容积减小,残余废气量随之减小,因而有所增加。v第三章 发动机换气过程4.2 发动机的充气效率第三节第三节 提高充气效提高充气效率的措施率的措施 进气系统：空气滤清器或加进气消声器、化油器或喷油器、节气门、进气管、进气道和进气门等组成。 减少各段通道的阻力，增大其流通能力，是提高充气效率，改善发动机性能的主要途径。 一、进气门一、进气门 1.时面值 气门开启断面与对应开启时间的乘积称为气门开启的时面值。它表示气体流过气门的通过能力。气门开启时间长，开启断面大，则气门开启时面值大，气流通过能力越强，阻力越小。 增大进气门头部直径，减小气门头部锥角，增大气门升程，延长气门开启时间，均可扩大气门开启时面值。第三章 发动机换气过程4.3 提高充气效率的措施 2.进气马赫数进气马赫数M 进气马赫数M是进气门气流平均速度Vm与该处音速C之比，即M=Vm/C。 M是决定气流流动性质的重要参数。 M值反映气体流动和气门结构尺寸的关系，对充气效率有重要的影响。 第三章 发动机换气过程4.3 提高充气效率的措施 根据一系列试验可知，在正常的配气定时条件下，当超过一定数值时，大约在0.5左右，充气效率急剧下降。因此在可能条件下应控制在最高转速时不超过一定数值，以达到提高充气效率的目的。第三章 发动机换气过程4.3 提高充气效率的措施 3.气门直径和气门数气门直径和气门数 进气门直径增大，扩大气流通路截面积增加，v提高。 双气门（一进一排）：进气门直径可达活塞直径的45%50%，气门与活塞面积之比 为 0 . 2 0 . 2 5 ， 进 气 门 比 排 气 门 大15%20%。 受结构限制，进一步增大比例已很困难。第三章 发动机换气过程4.2 提高充气效率的措施多气门结构多气门结构：缸径大于缸径大于80mm时，采用二进二排结构；时，采用二进二排结构； 缸径小于缸径小于80mm时，采用三进二排结构。时，采用三进二排结构。第三章 发动机换气过程4.3 提高充气效率的措施 四气门机与二四气门机与二气门机相比，功气门机相比，功率可提高率可提高70%，扭矩可提高扭矩可提高30%，且响应性比增压且响应性比增压机好，故是汽车机好，故是汽车发动机高功率化发动机高功率化的有力措施。的有力措施。第三章 发动机换气过程4.3 提高充气效率的措施 4.4.气门升程气门升程 气门升程增加、改进凸轮型线、气门升程增加、改进凸轮型线、减小运动件质量、增加零件刚度，减小运动件质量、增加零件刚度，在惯性力允许条件下使气门开闭尽在惯性力允许条件下使气门开闭尽可能快，以增大时面值，提高充气可能快，以增大时面值，提高充气效率。效率。最大气门升程与阀盘直径之比最大气门升程与阀盘直径之比L/d取取0.260.28。 第三章 发动机换气过程4.3 提高充气效率的措施5.5.减少气门处的流动损失减少气门处的流动损失第三章 发动机换气过程4.3 提高充气效率的措施 二、进气道和进气管二、进气道和进气管 保证足够的流通面积，避免转弯及截面突保证足够的流通面积，避免转弯及截面突变，改善表面的光洁程度。变，改善表面的光洁程度。汽油机：燃料的雾化、蒸发、分配、压汽油机：燃料的雾化、蒸发、分配、压力波的利用力波的利用柴油机：形成进气涡流柴油机：形成进气涡流高转速、大功率时，进气管宜短粗；高转速、大功率时，进气管宜短粗；中、低速，进气管宜细长。中、低速，进气管宜细长。 三、空气滤清器第三章 发动机换气过程4.3 提高充气效率的措施第四节 合理选择配气定时在配气定时各参数中，进气门迟闭角的改变，对充在配气定时各参数中，进气门迟闭角的改变，对充气效率气效率v v影响最大。影响最大。 v在某一转速下达到最在某一转速下达到最高值，此转速下能最好地利高值，此转速下能最好地利用气流的惯性充气。用气流的惯性充气。 进气迟闭角增大，进气迟闭角增大，v最大值对应的转速增加最大值对应的转速增加第三章 发动机换气过程4.4 合理选择配气定时排气提前角：保证排气损失最小的前提下，尽量排气提前角：保证排气损失最小的前提下，尽量晚开晚开排气门。排气门。转速增加，排气提前角增大。转速增加，排气提前角增大。气门叠开角：可以增加循环充量，提高充气效率，气门叠开角：可以增加循环充量，提高充气效率， 降低高温零件的热负荷，减少降低高温零件的热负荷，减少NOxNOx。第三章 发动机换气过程4.4 合理选择配气定时动态效应 由于间歇进、排气，进、排气管存在压力波，在用特定的进气管条件下，可以利用此压力波来提高进气门关闭前的进气压力，增大充气效率。 压力波增压系统具有结构简单、惯性小、响应快等优点，适于频繁变工况的车用。 分为惯性效应与波动效应两类 。第三章 发动机换气过程4.5 进气管的动态效应及进气管长度（1）进气管的惯性效应 在进气行程前半期，由于活塞下行的吸入作用，气缸内产生负压，新鲜工质从进气管流入，同时传出负压波，经气门、气道沿进气管向外传播，传播速度为声速。当负压波传到稳压室等空腔的开口端时又从开口端向气缸方向反射回正压波，如果进气管的长度适当，从负压波发出到正压波返回进气门所经历的时间，正好与进气门从开启到关闭所需时间配合，即正压波返回进气门时，正值进气门关闭前夕，从而提高了进气门处的进气压力，达到增压效果 。1. 进气管的动态效应第三章 发动机换气过程4.5 进气管的动态效应及进气管长度（2）进气管波动效应 当进气门关闭后，进气管的气柱还在继续波动，对各气缸的进气量有影响，这称为波动效应。 进气门关闭时，进气管内流动的空气因急速停止而受到压缩，在进气门处产生正压波 ，该波在进气管内来回传播。如果使正压波与下一循环的进气过程重合，就能使进气终了时压力升高，因而提高充气效率。第三章 发动机换气过程4.5 进气管的动态效应及进气管长度转速与管长（一） 压力波的固有频率f1（1/s）为 : 当发动机转速为n（rmin）时，进气频率f2（1s）为 :*14Lcf 1202602nnf第三章 发动机换气过程4.5 进气管的动态效应及进气管长度转速与管长（二） 对惯性效应，发动机进气周期应与压力波半周期相配，即: 对波动效应 : 当 时，正好与正的压力波相重合，使v 增加。当q2=1，2时，开启期间正好与负的压力波重合，使v 减小。*211602nLcffq*21230nLcffq.212,2112q第三章 发动机换气过程4.5 进气管的动态效应及进气管长度排气管动态效应 排气管内也存在压力波。 且排气能量大，废气温度高，故与进气相比，排气压力波的振幅大，传播速度快 。 若能在排气过程后期，特别是气门叠开期，使排气管的气门端形成稳定的负压，便可减少缸内残余废气和泵气损失，并有利于新气进入气缸。 需要配以长的管路应考虑排气管与消声器、排放装置的组合及车体的安装空间。 第三章 发动机换气过程4.5 进气管的动态效应及进气管长度排气管动态效应二冲程排动效应管第三章 发动机换气过程4.5 进气管的动态效应及进气管长度可变技术可变技术 随使用工况（转速、负荷）变化，使发动机某系统结构参数可变的技术 。 为了解决车用发动机既要满足高功率化的要求，又要保证中、低转速，中、小负荷的经济性和稳定性。 主要有可变进气管、可变气门定时、可变气门升程、可变进气涡流等技术。第三章 发动机换气过程4.5 进气管的动态效应及进气管长度第三章 发动机换气过程4.5 进气管的动态效应及进气管长度可变进气管 对进气管的要求是： 在高转速、大功率时，应配装粗、短的进气管。 而在中、低速，最大扭矩时，应配装细、长的进气管。第三章 发动机换气过程4.6 可变技术第三章 发动机换气过程4.5 进气管的动态效应及进气管长度可变排气管长本田HERP系统第三章 发动机换气过程4.5 进气管的动态效应及进气管长度第三章 发动机换气过程4.5 进气管的动态效应及进气管长度Switch-over intake manifold Audi 2.0 FSI第三章 发动机换气过程4.5 进气管的动态效应及进气管长度Full load performance of an Audi V6 engine第三章 发动机换气过程4.5 进气管的动态效应及进气管长度第三章 发动机换气过程4.5 进气管的动态效应及进气管长度第三章 发动机换气过程4.5 进气管的动态效应及进气管长度 2. 谐振充气系统：是将一组点火间隔相等的气缸，通过较短的进气管和谐振箱连接在一起，在进气波动的频率和进气系统的固有频率相等时，能取得较好的充气效果的系统，要求各缸点火间隔240CA。可变进气系统谐振充气，只有在很窄转速范围内才有较好的充气效果。涡轮增压内燃机，将谐振转速设计在低转速区，以弥补低速时增压效果较差的缺陷。 利用可变进气系统，谐振充气可在较大的转速范围内有较好的充气效。第三章 发动机换气过程4.5 进气管的动态效应及进气管长度可变进气管 转换阀谐振腔方案n里卡多公司旋转阀方案n可变进气管使所有转速的扭矩均增加，平均可增加 8%，最大扭矩可增大 12%-14% 。第三章 发动机换气过程4.5 进气管的动态效应及进气管长度可变气门定时 四行程发动机对气门定时的要求是： 进气迟闭角与排气提前角应随转速的提高而加大。 怠速时，气门叠开角要小，随着转速上升，气门叠开角应加大 。第三章 发动机换气过程4.5 进气管的动态效应及进气管长度第三章 发动机换气过程4.5 进气管的动态效应及进气管长度第三章 发动机换气过程4.5 进气管的动态效应及进气管长度 3.可变配气定时控制机构：VTEC机构：该机构使用了高速和低速二种凸轮，高速凸轮的气门开启时间长，升程大，能改变配气相位也能改变气门升程。低速工作时，低速凸轮单独驱动气门，高速凸轮虽然也驱动中间摇臂，中间摇臂并不驱动气门。高速工作时，液压油的压力驱动液压活塞A和B，使三个摇臂结合成一体，这时三个摇臂都被高速凸轮所驱动，通过可变气门定时，汽油机在高低转速时均能获得大的v ，从而能获得高的功率。第三章 发动机换气过程4.5 进气管的动态效应及进气管长度3.可变配气定时控制机构：第三章 发动机换气过程4.5 进气管的动态效应及进气管长度3.可变配气定时控制机构：第三章 发动机换气过程4.5 进气管的动态效应及进气管长度3.可变配气定时控制机构：第三章 发动机换气过程4.5 进气管的动态效应及进气管长度3.可变配气定时控制机构：第三章 发动机换气过程4.5 进气管的动态效应及进气管长度3.可变配气定时控制机构：第三章 发动机换气过程4.5 进气管的动态效应及进气管长度二行程发动机的换气过程 二行程发动机是曲轴回转一圈，活塞上下两个行程，就完成一个工作循环 。 它与四行程发动机的不同之处主要在于换气过程。 二行程发动机的换气过程，大约占130150曲轴转角（四行程发动机约占410480曲轴转角）。 第三章 发动机换气过程4.6 二冲程发动机的换气过程一、二行程发动机的换气过程 曲轴箱扫气二行程发动机的结构。 二行程发动机的压缩和燃烧、膨胀过程(曲轴箱)。 二行程发动机的先期排气(避免废气倒流)。 二行程发动机的扫气(新气扫除废气)。 二行程发动机的额外排气阶段(尽量避免)。第三章 发动机换气过程4.6 二冲程发动机的换气过程一、二行程发动机的换气过程 二行程发动机的配气相位图和示功图第三章 发动机换气过程4.6 二冲程发动机的换气过程二、二冲程发动机与四冲程发动机换气过程的比较 四行程的进、排气过程是分开的。总共经历410480曲轴转角；而二行程的换气过程仅相当130150曲轴转角，为四行程的13左右。 二行程的换气过程是进、排气过程同时进行，利用新鲜工质来扫除废气。 新鲜工质容易与废气相混而损失，废气也不易清除干净。 二行程发动机与四行程发动机改进换气过程的主要方向不同(?)。第三章 发动机换气过程4.6 二冲程发动机的换气过程三、扫气泵形式 曲轴箱扫气形式n 采用单独的扫气泵n 废气涡轮增压 结构简单、紧凑 扫气压力仅为1.08kPa左右 仅用于小型汽油机及单缸柴油机 扫气压力140-200kPa 第三章 发动机换气过程4.6 二冲程发动机的换气过程三、扫气泵 带动扫气泵要消耗发动机的有效功。 应在尽量低的扫气压力和尽量少的扫气泵供气量的前提下，将废气清除干净和充入更多的新鲜充量。 第三章 发动机换气过程4.6 二冲程发动机的换气过程四、扫气系统的基本形式 1、横流扫气 扫气口与排气口布置在气缸圆周的两对面。 扫气口有倾斜角，以控制气流方向。 扫、排气定时对称，产生额外排气。 换气效果较差。 第三章 发动机换气过程4.6 二冲程发动机的换气过程四、扫气系统的基本形式 2、回流扫气 扫气口不是正对着排气口设置，两者常位于气缸同侧 。 扫气口有倾斜角，以控制气流方向。 扫、排气定时对称，产生额外排气。 克服横流换气中新鲜充量短路的现象，扫气效果比横流好。 第三章 发动机换气过程4.6 二冲程发动机的换气过程四、扫气系统的基本形式 3、直流换气方案 扫气口沿切线方向排列，形成气垫，沿气缸轴线运动，将废气推出气缸 。 可以实现不对称换气，使排气门关闭较早，以实现过后充气。 扫气效果最好。 结构复杂。 第三章 发动机换气过程4.6 二冲程发动机的换气过程五、换气质量的估计 最理想的换气过程应是废气和新鲜充量毫不相混，扫气气流将废气全部挤出。 事实上，一部分废气留在气缸里，一部分新鲜空气田排气口跑掉。 二行程换气过程研究方向是提高换气质量。四行程换气过程研究方向是提高充气效率。第三章 发动机换气过程4.6 二冲程发动机的换气过程五、换气质量的估计换气质量的评价指标换气质量的评价指标 ：1、 扫气效率s ：2、过量扫气系数（又称给气比） ：3、给气效率t t ：rsmmm000stmm0ttmm0第三章 发动机换气过程4.6 二冲程发动机的换气过程五、换气质量的估计汽车二行程发动机参数的大致范围是： 扫气效率如右图 扫气压力 Pk=125-196kPa 过量扫气系数 =1.2-1.5（曲轴箱换气为0.5-0.9） 扫气效率s：直流0.8-0.95，回流0.8-0.9，曲轴箱换气0.72-0.8 0第三章 发动机换气过程4.6 二冲程发动机的换气过程六、二行程发动机的特点及应用二行程发动机的特点及应用 优点： 二行程发动机做功频率快，升功率比四行程大50%70%。 回流扫气二行程发动机的结构简单、保修方便，特别是曲轴箱扫气，无须另带扫气泵。缺点： 换气效果差，残余废气系数大，致使经济性，HC排放量、排烟、噪声等性能较低。 二行程发动机热负荷高、冷却困难。可靠、耐磨、指标稳定性不如四行程发动机。 第三章 发动机换气过程4.6 二冲程发动机的换气过程