第二章 发动机的换气过程.ppt

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1、第二章第二章 发动机的换气过程发动机的换气过程本章要求：本章要求：了解：充气系数及其影响因素。了解：充气系数及其影响因素。理解：四冲程发动机的配气相位及换气损失。理解：四冲程发动机的配气相位及换气损失。掌握：四冲程发动机的换气过程和提高充量的措掌握：四冲程发动机的换气过程和提高充量的措施。施。第第1 1节节 四行程发动机的换气过程四行程发动机的换气过程一、换气过程一、换气过程分分4 4个阶段：个阶段：自由排气自由排气、强制排气强制排气、进气、进气和燃烧室扫气阶段和燃烧室扫气阶段。换气过程是排气过程和进气过程的通称；包括从换气过程是排气过程和进气过程的通称；包括从排气门开启直到进气门关闭的整个时

2、期；约占排气门开启直到进气门关闭的整个时期；约占410410480480曲轴转角。曲轴转角。尽可能多地排出废气、吸入尽量多的尽可能多地排出废气、吸入尽量多的新鲜工质新鲜工质,同时功耗要小。同时功耗要小。换气过程进行的完善程度是提换气过程进行的完善程度是提高发动机动力性的重要因素。高发动机动力性的重要因素。定义：定义：换气过程的任务：换气过程的任务：换换气气过过程程中中气气缸缸内内压压力力P P和和排排气气管管内内压压力力P Pr r的的变变化化关关系系1 1、自由排气阶段、自由排气阶段 从排气门打开到气缸压力接近于排从排气门打开到气缸压力接近于排气管压力的过程气管压力的过程称为自由排气阶段。称

3、为自由排气阶段。1 1）排气门提前开启：）排气门提前开启：迅速降低迅速降低气缸压力，同时保证活塞到达下止气缸压力，同时保证活塞到达下止点之前具有较大开度，减少排气推点之前具有较大开度，减少排气推动功。动功。（一般提前角为（一般提前角为3030 80CA80CA）。）。2 2）超临界：）超临界：当当 时，废气将以当地声时，废气将以当地声速排出，气缸压力迅速下降；速排出，气缸压力迅速下降；此时，其排气速度仅与气缸气体此时，其排气速度仅与气缸气体状态和气门开度有关，而与排气管内压力无关。状态和气门开度有关，而与排气管内压力无关。特点：特点：排气门提前与迟闭排气门提前与迟闭迟闭角迟闭角提前角提前角排气

4、门开排气门开 转速升高，自由排气在下止点后拖转速升高，自由排气在下止点后拖延时间就越长，使活塞上行时推动功增大。因此，转速越延时间就越长，使活塞上行时推动功增大。因此，转速越高，排气提前角也应越大。高，排气提前角也应越大。排除的废气量占排除的废气量占60%60%70%70%。2 2、强制排气阶段、强制排气阶段 自由排气结束后，废气在活塞上行过程中被强制推出，自由排气结束后，废气在活塞上行过程中被强制推出，称为强制排气阶段。称为强制排气阶段。1 1）气缸平均压力略高于排气管压力：）气缸平均压力略高于排气管压力：压差大小取决于压差大小取决于排气系统阻力，阻力越大，压差越大，耗功也就越多。排气系统阻

5、力，阻力越大，压差越大，耗功也就越多。特点：特点：3 3）提前角的选择：）提前角的选择：4 4）排气量：）排气量：一是避免产生大一是避免产生大的节流作用，降低排气耗功和残余废气的节流作用，降低排气耗功和残余废气量；二是利用气流惯性继续排气。量；二是利用气流惯性继续排气。2 2）排气门迟闭：）排气门迟闭：3 3）迟闭角的选择：）迟闭角的选择：（1 1）转速升高，气流惯性大，迟）转速升高，气流惯性大，迟闭角也应增大；闭角也应增大；思考：什么时候是最佳气门关闭时刻？思考：什么时候是最佳气门关闭时刻？（2 2）迟闭角不宜过大，否则低速）迟闭角不宜过大，否则低速时废气会倒流入气缸。时废气会倒流入气缸。（

6、排气气流停止流动）（排气气流停止流动）一般排气门迟闭角为一般排气门迟闭角为1010 3535（增压发动机常利用（增压发动机常利用进气气流扫除废气，迟闭角通常较大，约进气气流扫除废气，迟闭角通常较大，约5555 6565）。）。迟闭角迟闭角提前角提前角排气门开排气门开排气门提前与迟闭排气门提前与迟闭3 3、进气过程、进气过程 从进气门打开到进气门关闭的全过程从进气门打开到进气门关闭的全过程称为进气过程。称为进气过程。1 1）进气门提前开启：）进气门提前开启：保证活保证活塞下行时气门具有较大的流通截塞下行时气门具有较大的流通截面积面积（一般提前角为（一般提前角为1010 40CA40CA）。）。特

7、点：特点：提前角提前角迟闭角迟闭角进气门开进气门开进气门提前与迟闭进气门提前与迟闭 2 2）进气门迟闭：）进气门迟闭：充分利用气充分利用气流惯性继续充气流惯性继续充气（一般迟闭角为（一般迟闭角为4040 70CA70CA）。）。3 3）迟闭角的选择：）迟闭角的选择：（1 1）转速升高，气流惯性大，）转速升高，气流惯性大，迟闭角也应增大；迟闭角也应增大；（2 2）迟闭角不宜过大，否则）迟闭角不宜过大，否则低速时部分新鲜工质会被压出气低速时部分新鲜工质会被压出气缸，不仅影响发动机动力性，柴缸，不仅影响发动机动力性，柴油机还会因此起动困难。油机还会因此起动困难。4 4、气门重叠与燃烧室扫气、气门重叠

8、与燃烧室扫气 由于进气门提前打开和排气门由于进气门提前打开和排气门推迟关闭，因而存在着进、排气门推迟关闭，因而存在着进、排气门同时开始，同时开始，称为气门重叠。称为气门重叠。进气提前进气提前进气迟闭进气迟闭四冲程发动机配气相位四冲程发动机配气相位排气迟闭排气迟闭排气提前排气提前 由于进、排由于进、排气管路、气缸相通，可以利用进气管路、气缸相通，可以利用进气气流扫除气缸内残余废气，从气气流扫除气缸内残余废气，从而增加进气量。而增加进气量。1 1）燃烧室扫气：）燃烧室扫气：进气提前进气提前排气迟闭排气迟闭四冲程发动机配气相位四冲程发动机配气相位排气迟闭排气迟闭排气提前排气提前 重叠角大，扫气效果好

9、，零重叠角大，扫气效果好，零件（如排气门）热负荷低。件（如排气门）热负荷低。2 2）重叠角对柴油机的影响：）重叠角对柴油机的影响：重叠角过大，气门易碰活塞，重叠角过大，气门易碰活塞，使得活塞上气门凹坑过深，破坏使得活塞上气门凹坑过深，破坏了进气涡流和燃烧，同时加重增了进气涡流和燃烧，同时加重增压器的负担。压器的负担。一般柴油机为一般柴油机为202050 CA50 CA，增压柴油机为，增压柴油机为80 80 50 CA 50 CA。大多数汽油机吸入的新鲜工质是可燃混合气，过大重叠大多数汽油机吸入的新鲜工质是可燃混合气，过大重叠角，会加重燃料损失。角，会加重燃料损失。因此，汽油机重叠角的选择以新鲜

10、工因此，汽油机重叠角的选择以新鲜工质不流出排气门为原则。质不流出排气门为原则。3 3）重叠角对汽油机的影响：）重叠角对汽油机的影响：思考：转速变化时，气门重叠角应如何调整？思考：转速变化时，气门重叠角应如何调整？二、排气损失：二、排气损失：四行程发动机的换气损失四行程发动机的换气损失 从排气门打开到进气行程开从排气门打开到进气行程开始，缸内压力达到大气压为止的始，缸内压力达到大气压为止的循环损失功循环损失功称为排气损失。称为排气损失。W-W-提前排气损失；提前排气损失；Y-Y-强制排气损失。强制排气损失。排气损失特点：排气损失特点：P PV VP P0 0c cb ba ad d 排气提前与排

11、气损失排气提前与排气损失 1 1）排气提前角增大，自）排气提前角增大，自由排气损失由排气损失W W增大，而强制排增大，而强制排气损失气损失Y Y减少，减少，最佳提前角应最佳提前角应使使W+YW+Y最小。最小。2 2）排气门截面积小、转）排气门截面积小、转速高，自由排气对应的曲轴速高，自由排气对应的曲轴转角变大，排气损失增大，转角变大，排气损失增大，故应加大提前角。故应加大提前角。思考：怎么减少排气损失？思考：怎么减少排气损失？（降低排气系统阻力和排气门处流动损失）（降低排气系统阻力和排气门处流动损失）三、进气损失：三、进气损失：进气过程中，由于进气系统阻力，使气缸压力低于进气进气过程中，由于进

12、气系统阻力，使气缸压力低于进气管压力所造成的损失管压力所造成的损失称为进气损失。称为进气损失。四行程发动机的换气损失四行程发动机的换气损失 X X-进气损失；进气损失；Y+X+WY+X+W-换气损失；换气损失；进气损失主要取决于进进气损失主要取决于进气系统的阻力，气系统的阻力，合理安排配合理安排配气正时，增大气门流通截面气正时，增大气门流通截面积，合理设计气道，降低活积，合理设计气道，降低活塞平均运动速度可减少进气塞平均运动速度可减少进气损失。损失。第第2 2节节 四行程发动机的充量系数四行程发动机的充量系数 对非增压发动机，进气状态指空气滤清器后进气管内的气体状态。对非增压发动机，进气状态指

13、空气滤清器后进气管内的气体状态。对增压发动机，指压气机后进气管内的气体状态。对增压发动机，指压气机后进气管内的气体状态。一、充量系数一、充量系数C C：定义：定义：实际吸入气缸的新鲜空气质量与进气状态下理论实际吸入气缸的新鲜空气质量与进气状态下理论充满气缸工作容积的空气质量之比，充满气缸工作容积的空气质量之比，也称充量效率或容积也称充量效率或容积效率。效率。式中：式中：为实际吸入的新鲜空气质量；为实际吸入的新鲜空气质量；为实际吸入的新鲜空气在进气状态下的体积；为实际吸入的新鲜空气在进气状态下的体积；为进气状态下理论充满气缸的工作容积的空气质量；为进气状态下理论充满气缸的工作容积的空气质量；为气

14、缸工作容积。为气缸工作容积。定义：定义：进气过程结束时气缸内残余废气质量与进入气缸进气过程结束时气缸内残余废气质量与进入气缸的新鲜空气质量之比的新鲜空气质量之比。二、废气残余系数二、废气残余系数：式中：式中：为实际吸入的新鲜空气质量；为实际吸入的新鲜空气质量；为残余废气质量。为残余废气质量。三、影响充量系数的因素：三、影响充量系数的因素：1 1、进气终了气缸内压力、进气终了气缸内压力 ：越大，充量系数也越大。越大，充量系数也越大。式中：式中：为管道阻力系数；为管道阻力系数；为气体密度，为气体密度，为气流速度。为气流速度。因此，减少进气系统阻力，降低气流速度可增大进气因此，减少进气系统阻力，降低

15、气流速度可增大进气终了压力，从而提高充量系数。终了压力，从而提高充量系数。1 1）转速）转速 :转速提高，气流速度增大，流动阻力增转速提高，气流速度增大，流动阻力增大，进气终了压力降低，充量下降。大，进气终了压力降低，充量下降。气门直径增大，相对流通截面积增大，气门直径增大，相对流通截面积增大，节流作用减少，充量增大。节流作用减少，充量增大。2 2）进气门直径：）进气门直径：在结构和负荷允许前提下，增大气在结构和负荷允许前提下，增大气门升程，实现快速开与闭。门升程，实现快速开与闭。3 3）配气凸轮形线：）配气凸轮形线：光滑壁面、圆弧过度、并使气门光滑壁面、圆弧过度、并使气门升起后远离壁面。升起

16、后远离壁面。4 4）改善气道动力性：）改善气道动力性：5 5）高速柴油机采用较小的）高速柴油机采用较小的S/DS/D。越大，气体密度越小，越大，气体密度越小，充量系数也越小充量系数也越小（增压发动机进气中冷）。（增压发动机进气中冷）。2 2、进气终了气体温度、进气终了气体温度 ：3 3、残余废气系数、残余废气系数：残余废气越多，充量系数也就越小残余废气越多，充量系数也就越小；同时，废气越多，还会使燃烧恶化，降低发动机的经济性和同时，废气越多，还会使燃烧恶化，降低发动机的经济性和排放性。排放性。排气系统阻力越大、排气终了压力也越大，残余废气量排气系统阻力越大、排气终了压力也越大，残余废气量也就越

17、多。也就越多。但是，适当量的残余废气可以改善发动机的排放但是，适当量的残余废气可以改善发动机的排放性能。性能。4 4、压缩比、压缩比 ：压缩比大，余隙相对容积减少，废气残余压缩比大，余隙相对容积减少，废气残余量就减少，充量增大。量就减少，充量增大。5 5、合适的配气相位、合适的配气相位第第3 3节节 提高发动机充量的措施提高发动机充量的措施一、降低进气系统的阻力二、减少对进气充量的加热三、降低排气系统流通阻力四、合理选择进、排气相位角五、谐振进气与可变进气支管减少进气门处的流动损失减少进气道、进气管和空气滤清器的阻力一、可变气门正时和升程一、可变气门正时和升程 1 1、Passat-B5Pas

18、sat-B5可变气门正时：可变气门正时：转速下降时，调节器下移，链条下部张紧，带动进气凸轮顺时针转速下降时，调节器下移，链条下部张紧，带动进气凸轮顺时针旋转旋转角，即进气门迟闭角减少了角，即进气门迟闭角减少了角；反之，调节器上移，进气门迟角；反之，调节器上移，进气门迟闭角增大。闭角增大。2 2、保时捷可变气门升程和正时：、保时捷可变气门升程和正时：高速凸轮高速凸轮低速凸轮低速凸轮凸轮轴凸轮轴转子转子活塞活塞止动销止动销 3 3、丰田、丰田VVTL-iVVTL-i：4 4、本田、本田VTECVTEC：本田本田VTECVTEC结构结构经济凸轮经济凸轮高负荷凸轮高负荷凸轮同步同步活塞组活塞组二、谐振

19、进气与可变进气支管：二、谐振进气与可变进气支管：1 1、进气波动效应：、进气波动效应：式中：式中：为进气管内声速；为进气管内声速；为进气管长度。为进气管长度。压力波的固有频率：压力波的固有频率：式中：式中：为发动机转速。为发动机转速。发动机的进气频率：发动机的进气频率：合理的波动次数应满足：合理的波动次数应满足：一般地，转速高时采用较短的进气管；而转速低时采用一般地，转速高时采用较短的进气管；而转速低时采用较长的进气管。较长的进气管。2 2、可变进气歧管：、可变进气歧管：复习思考题：复习思考题：2 2、为什么发动机进气门迟闭、排气门提前开启？提前、为什么发动机进气门迟闭、排气门提前开启？提前角与迟闭角与什么有关？角与迟闭角与什么有关？1 1、四冲程发动机换气过程包括哪几个阶段？如何界定？、四冲程发动机换气过程包括哪几个阶段？如何界定？3 3、影响充量的主要因素有哪些？如何提高进气充量？、影响充量的主要因素有哪些？如何提高进气充量？4 4、简述目前主要的可变气门正时和升程技术及其工作、简述目前主要的可变气门正时和升程技术及其工作原理。原理。