发动机的换气过程.ppt

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1、发动机的换气过程现在学习的是第1页，共40页发动机的换气过程换气过程进行的好坏对发动机哪些性能有影响？排气过程进气过程思考思考自由排气阶段强制排气阶段惯性排气阶段准备进气阶段正常进气阶段惯性进气阶段现在学习的是第2页，共40页本章重点介绍：1）四冲程发动机的换气过程2）四冲程内燃机的充气效率及影响充气效率的 因素。3）提高充气效率的措施。现在学习的是第3页，共40页可燃混合气成分与汽油机性能的关系现在学习的是第4页，共40页第一节 四冲程发动机的换气过程n换气过程 四冲程发动机配气机构均采用气门换气方式，其换气过程包括从上一循环排气门开启到下一循环进气门关闭的整个时期。运转时，要在短时间内使排

2、气干净、进气充足是比较困难的。为了增加气门开启时间，充分利用气流的流动惯性，减少换气过程的损失，从而改善换气过程，进排气门一般都是提前开启、延迟关闭。整个换气过程超过两个行程，占410490曲轴转角（简称CA）。现在学习的是第5页，共40页 换气过程可分为排气和进气两大部分。其中排气阶段排气阶段排气阶段排气阶段又包含：自由排气阶段、强制排气阶段、惯性排气阶段；进气阶段进气阶段进气阶段进气阶段可分为准备进气、正常进气和惯性进气三个阶段。现在学习的是第6页，共40页自由排气阶段 从排气门开启到气缸压力接近于排气管内压从排气门开启到气缸压力接近于排气管内压力的时期，称为力的时期，称为自由排气阶段自由

3、排气阶段自由排气阶段自由排气阶段。排气门开启是在活塞运行到下止点前3080，此时气缸内废气压力较高，约为0.20.5MPa，气缸压力p与排气管压力pr之比大于临界值1.9。排气流动处于超临界状态，流速为当地声速c（m/s）式中 k等熵指数；R气体摩尔常数；T气体的绝对温度 此阶段，废气流量与排气管内压力无关，只取决于气缸内的气体状态和气门最小开启截面。现在学习的是第7页，共40页自由排气阶段亚临界状态流动 随着废气大量流出，缸内压力迅速下降，气体流速小于声速，转入亚音速流动状态。此时废气流量决定于气缸内和排气管内的压力差。到某一时刻缸内压力与排气管内压力相近时，自由排气阶段结束。自由排气约在下

4、止点后1030（CA）结束。自由排气阶段虽然时间不长，因速度高，此阶段排出的废气量达60%以上。现在学习的是第8页，共40页强制排气阶段 此阶段废气被上行活塞推出。因为要克服排气系统阻力，缸内压力略高于排气管内压力约10kPa左右。流速取决于压差，流速越高，压差越大，消耗功亦越多。排气过程一直进行到上止点之后1035（CA），排气门才完全关闭。现在学习的是第9页，共40页惯性排气阶段 强制排气阶段接近终了时，在上止点附近，废气尚有一定的流动能量，可利用气流的惯性进一步排除废气。同时，如果排气门在上止点时关闭，在上止点之前它就要开始关小，产生较大节流作用，此时活塞还在向上运动，致使气缸内压力上升

5、，结果排气消耗功和残余废气量都会增加。因此，排气门是在活塞过了上止点后才关闭，从上止点到排气门完全关闭这段曲轴转角称为排气迟闭角。一般排气迟闭角为1035曲轴转角。现在学习的是第10页，共40页进气阶段n准备进气阶段 从进气门开启到活塞行至上止点这个时期，称为准备进气阶段，相应曲轴转过的角度称为进气提前角。由于进气提前角较小，相应开启的通道截面也小，加之缸内残余废气压力高于大气压力，在此阶段新鲜气体一般不会进入气缸。现在学习的是第11页，共40页n正常进气阶段 准备进气阶段结束后，活塞由上止点开始下行。由于气门提前开启，此时进气通道截面已开启较大，保证大量新鲜气体进入气缸。由于进气系统阻力，活

6、塞移到下止点时，气缸内压力仍然低于大气压力。现在学习的是第12页，共40页n惯性进气阶段 为了利用高速进气流的惯性进气流的惯性，增加充气量，减少功耗，气缸在活塞运行到下止点后才完全关闭进气门。从活塞由下止点上行至气门完全关闭这个时期，称为惯性进气阶段。该阶段曲轴转过的角度，称为进气迟闭角。现在学习的是第13页，共40页下止点上止点现在学习的是第14页，共40页配气相位 进、排气门的实际开、闭时刻和持续时间，称为配气相位，通常用曲轴转角（CA）表示。四冲程内燃机配气相位如下图所示。现在学习的是第15页，共40页气门重叠和燃烧室扫气过程n在排气行程上止点附近出现进、排气门同时开启的特殊现象，称为气

7、门重叠，相应的角度是气门重叠角，它是排气迟闭角与进气提前角之和。在气门重叠开启期内，可利用气流压差和惯性清除残余废气，增加新鲜充量。特别是增压发动机，由于进气压力高和较长的气门重叠时间，可以更好地利用新鲜充量来帮助清除废气和降低燃烧室热区零件的温度，称为燃烧室扫气。非增压机气门叠开角一般为2080（CA），增压机的一般为80140（CA）现在学习的是第16页，共40页换气损失 换气损失，是由排气损失和进气损失两部分组成。1.排气损失 从排气门提前打开到进气过程开始，缸内压力达到大气压力前，循环功的损失称为排气损失，它包括以下两部分。1）自由排气损失w，因排气门早开，排气压力线从Pb点开始离开理

8、想循环的膨胀线，引起膨胀功的损失。2）强制排气损失y，它是活塞活塞将废气推出所消耗的功消耗的功。为了减少排气损失可以选择适当的排气提前角，使（w+y）最小。减小排气系统阻力及排气门处流动损失，是降低排气损失的主要方法。现在学习的是第17页，共40页2.进气损失 进气损失是由于进气系统阻力的存在，使进气过程气缸压力低于进气管压力造成的损失。进气损失比排气损失要小。进气损失不仅体现在进气过程所消耗的功上，还体现在进气过程中所吸入的新鲜充量的多少上。因为前者对发动机的热效率、功率影响不大，后者对发动机的性能有显著的影响。合理调整配气定时，加大进气门的流通截面、正确设计进气管及进气道的流通路径以及降低

9、活塞平均速度等，都会使进气损失减少。现在学习的是第18页，共40页第二节 四冲程发动机的充气效率n充气效率c 充气效率是衡量不同发动机动力性能和进气过程完善程度的重要指标，又称充量系数或容积效率。充气效率的定义：是实际进入气缸的新鲜充量m与进气状态下充满气缸工作容积的理论新鲜充量ms之比。式中 V1，m实际进入气缸新鲜充量的体积和质量 V2，ms进气状态下理论计算充满气缸工作容积的新鲜充量的 体积和质量。进气状态：是指进入气缸前气体的热力学状态，如温度与压力等。现在学习的是第19页，共40页高，代表每循环进入气缸的新鲜充量多，则发动机的功率Pe、转矩Ttq可增加。可用实验方法测得。由流量计测出

10、发动机每小时新鲜充量的流量V1（m/h）。而理论充量V（m/h）由下式计算：V=0.03inVs式中 Vs气缸工作容积；i气缸数目；n转速（r/min）发动机的充气效率一般在如下范围：柴油机0.750.9；汽油机0.700.85现在学习的是第20页，共40页影响充气效率的因素及其分析 充气效率 的表达式 式中 pa，Ta进气终了时气体压力、温度；ps，Ts进气状态时气体压力和温度；残余废气系数，即进气过程结束时，缸内 残余废气量与缸内新鲜充量的比值；压缩比。现在学习的是第21页，共40页影响充气效率的因素 由上式可知，影响充气效率的因素有进气状态和进气终了状态的气缸压力、温度、残余废气系数、压

11、缩比及配气相位。1进气终了状态压力Pa的影响 Pa对 有重要影响，Pa值愈高，值愈大 Pa=PsPa 式中，pa为大气流动时，克服进气系统阻力而引起的压降。这种流动阻力的一般公式为：式中，为管道阻力系数；为进气状态下气体的密度；v为管道内气体流速。pa主要取决于各段管道阻力系数和气体流速v。现在学习的是第22页，共40页 汽油机是靠改变节气门开度调节进入气缸的混合气量来调节汽油机负荷。1）当节气门位置一定时，n增加，气体流速增加，Pa显著加大（呈平方关系），使Pa迅速下降。2）节气门开度减小时，Pa降低。节气门开度越小，Pa随n提高而下降的越快（如下图）。负荷变化时，汽油机和柴油机的Pa变化不

12、同，柴油机Pa几乎不随负荷变化，而汽油机变化显著，这也就决定了v的变化趋势。现在学习的是第23页，共40页2进气终了温度Ta的影响 Ta越高，充入气缸的工质密度越小，v值越低。引起Ta升高的原因原因是:1）新鲜工质进入发动机与高温零件高温零件接触而被加热；新鲜工质与高温残余废气高温残余废气混合而被加热。2）对汽油机来说，为了便于液体燃料蒸发、混合，常利用排气歧管或冷却水的热量加热新鲜充量，故进气终了温度升高。为了降低进气终了温度，柴油机的进、排气道和进、排气歧管置于气缸盖两侧，控制进气预热；适当加大气门重叠角，也有利于Ta的降低。3）转速n和负荷都对Ta有影响，在负荷不变时，转速n越高，工质被

13、加热的时间缩短，Ta降低。在转速n不变时，负荷加大，缸壁温度升高，Ta提高。现在学习的是第24页，共40页3.残余废气系数 气缸中残余废气增加残余废气增加，使v降低，燃烧恶化，燃油消耗率高，排放差。排气排气系统阻力系统阻力大，废气流动困难，使得排气压力提高，残余废气增加，充气效率降低。进排气门的重叠角大、压缩比高，值下降，故一般柴油机值较低。汽油机在低负荷运转时，节气门开度节气门开度小，新鲜充量减少，大大增加，稀释可燃混合气，使燃烧过程缓慢，易造成汽油机低负荷工作不稳定和经济性变差。现在学习的是第25页，共40页4.配气相位的影响 进气迟闭角对进气终了压力影响最大。Pa会因为新鲜充气量的惯性进

14、气而增加。当发动机转速变化时，气流的惯性发生变化，但进气迟闭角不变时，会使转速高时气流的惯性没有被利用；而转速低时，进气迟闭角也不相应减少的话，会使气体造成倒流，从而影响进气压力与发动机的正常工作。选择适当的配气相位，可获得较高的充气系数。以 Pa具有最大值为宜。5.压缩比的影响 提高压缩比，使气缸余隙减小，残余废气量减少，从而提高v。现在学习的是第26页，共40页第三节 提高发动机充气效率的措施 可以按照上述对影响充气效率的多种因素的分析，从多方面采取措施来提高充气效率v。现在学习的是第27页，共40页减少进气系统的流动损失 发动机进气系统包括空气滤清器、化油器（汽油机）、进气管、进气道、气

15、门与气门座。其中气门座处的流通截面最小，截面变化大，气流损失也最大。减小此处的流动阻力，一直是人们关注的重点。（一）减少进气门座处的流动损失 为减少进气门座处的流动损失，可采取如下措施：1.增大进气门直径，选择合适的排气门直径 现代高速发动机单进、排气门结构中，进气门直径d与缸径D之比为45%50%，面积比为0.20.5。排气门的直径也必须足够大，以减少排气损失。通常牺牲排气门直径来加大进气门直径，一般进气门直径比排气门直径大15%20%。排气门直径也不能过分缩小，否则会导致不合理地增加排气损失和残余废气量。现在学习的是第28页，共40页 由于流速的大小是决定流动阻力大小的主要因素。空气动力学

16、理论中指出，在高速可压缩的流动系统中，决定气流流动性质最重要的参数是马赫数Ma，Ma是进气门处气流平均速度vm与该处音速c之比，即 Ma=vm/c 发动机的充气效率大小，与通过进气门座处的气流的马赫数马赫数Ma密切相关。现在学习的是第29页，共40页 给定的发动机（缸径、气门大小、配气相位一定）其Ma与发动机转速成正比。根据一系列的实验可知，在正常的配气相位条件下，当Ma0.5左右，v便急剧下降，如下图所示。综上所述，可得出如下主要结论：Ma是一个反映v由于流动损失而受到影响的特性参数，即v的高低决定于Ma的大小。因此，在设计发动机时应尽可能使Ma在最高转速时不超过0.5。汽油机的Ma值已接近

17、0.5，柴油机的Ma值一般在0.30.4之间。现在学习的是第30页，共40页2.增加气门的数目 采用小气门小气门，增加气门数增加气门数的结构（两个排气门，两个进气门，甚至更多）是增大进气门流通面积、降低排气损失的有效措施。例如：上海柴油机厂生产的6135Q-1柴油机采用双气门（即进、排气门各一个）的结构时，15min功率为162KW/2200r/min；改用四个小气门（进、排气门各两个）后，15min功率增至194kW/2200r/min功率提高20%。由于v提高使得燃烧完全，因而循环i和e均提高，排气温度降低，热负荷减小，延长了使用寿命。赛车用高比功率的发动机采用多个小气门结构后，功率可提高

18、70%，扭矩可提高30%。但由于多气门的机构复杂，造价较高，使其发展受到一定的限制，其另一个缺点是低速时扭矩不大。现在学习的是第31页，共40页3.改善进气门处流体动力性能，减少气门处流动损失 适当增大气门的升程，改进配气凸轮型线凸轮型线，在惯性力容许的情况下，使气门开闭尽可能的快。适当加大气门杆身与头部的过度圆弧，减少气门座密封性面的宽度，修圆气门座密封锥面的尖角等措施，均可改善进气门处流体动力性能，减小流动损失。4.采取较小的S/D值（短行程）在转速不变的情况下，S/D变小可使活塞平均速度Cm减小，使Ma降低。另外，由于缸径D的增大还可采用大的气门直径，使v提高。现在学习的是第32页，共4

19、0页 （二）减小整个进气管道的流动阻力 气缸盖内的进气道形状比较复杂进气道形状比较复杂，截面形状急剧改变，进气阻力增大。为减少进气道阻力，气道通路断面应有足够的面积，各断面要避免突变。进气道内部过渡圆角半径应大一些，避免急剧转弯等。同样，进气管进气管必须保证足够的流通截面积，管道表面光洁，避免急转弯及流通截面突变，以减少阻力。为保证各气缸进气均匀进气均匀，各气缸进气管独立，长度尽可能一致。现在学习的是第33页，共40页减小对新鲜充量的加热 新鲜充量在吸入过程中，受到进气管、进气道、气门、气缸壁和活塞等一系列受热零件的加热，引起温升温升。凡能降低活塞、气门等热区零件热区零件的温度和减小接触减小接

20、触面积面积的措施都有利于减小对新鲜充量的加热。增压发动机的燃烧室扫气、油冷活塞以及柴油机进、排气管分别置于缸盖两侧，都是有利措施。为了避免进气受热，汽油机一般进气歧管采用工程塑料制成。现在学习的是第34页，共40页减小排气系统的阻力 减小排气系统排气系统中排气门座、排气道、排气管、消音器的阻力，对降低排气压力pr、减小残余废气系数均有利。减小排气系统的阻力虽然效果不如减小进气系统阻力那么有效，但设计中仍需给予注意。现在学习的是第35页，共40页合理地选择配气相位（一）进气门迟闭角 合理选择进气相位角进气相位角。当发动机转速较低（Ma较小）时，进气门迟闭角不能过大不能过大，否则新鲜充量被向上止点

21、运动的活塞推回到进气管。当发动机转速高（Ma大）时，活塞到下止点时缸内压力远低于进气管压力，因此允许有较大的较大的进气迟闭角，可以获得较多的过后充量。改变进气门的迟闭角可以改变v随转速变化的趋势，用来调整发动机扭矩特性，以满足不同的使用要求。如进气门迟闭角加大，高转速时 v增加，有利于最大功率的发挥，但对中、低速性能不利。减小进气门的迟闭角虽可加大发动机低、中速时的转矩，但对高速时最大功率发挥不利。现在学习的是第36页，共40页（二）进、排气门重叠角（三）排气提前角现在学习的是第37页，共40页 一般发动机在使用过程中，配气定时是不能改变的，充气效率v在某一转速下达到最大值。发动机只有在这个转

22、速下工作，才能充分利用气流惯性充气。现在学习的是第38页，共40页可变长度进气管可变长度进气管 双通道可变长度进气管双通道可变长度进气管 1短进气通道 2旋转阀 3长进气道 4喷油器 5进气道 6进气门 可变进气管使所有转速的转矩均增加，平均可增加 8%，最大转矩可增大 12%14%。现在学习的是第39页，共40页思考题n1、已知某发动机在2000转/分时，发动机的有效功率Pe为154kW，be=217g/(kW.h),发动机在工况下的输出扭矩为：N.m，每小时耗油量为 kg，发动机的有效热效率为：%。（燃料的低热值Hu为42500kJ/kg）。n2、写出四行程发动机充气效率v的表达式，并分析影响充气效率v的因素。现在学习的是第40页，共40页