第3章发动机的换气过程.ppt
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1、第三章第三章 发动机的换气过程发动机的换气过程第一节第一节 四行程发动机的换气过程四行程发动机的换气过程 第二节第二节 四行程发动机的充气系数四行程发动机的充气系数第三节第三节 提高充气系数的措施提高充气系数的措施第四节第四节 可变技术可变技术本章主要内容本章主要内容四行程发动机的换气过程四行程发动机的换气过程发动机换气过程评价指标充气效发动机换气过程评价指标充气效率率V V改进四行程发动机换气过程的措施改进四行程发动机换气过程的措施可变技术(可变技术(简简)第一节第一节 四冲程发动机的换气过程四冲程发动机的换气过程所谓所谓换气换气(即排旧充新),就是把前一循环(即排旧充新),就是把前一循环中
2、燃烧的废气从气缸中清除出去,并使新鲜中燃烧的废气从气缸中清除出去,并使新鲜充量(空气或可燃混合气)充入气缸。充量(空气或可燃混合气)充入气缸。目的:目的:希望排净废气,多进新气。希望排净废气,多进新气。换气过程的好坏:换气过程的好坏:直接影响发动机的动力性,直接影响发动机的动力性,经济性指标及气缸的热负荷。经济性指标及气缸的热负荷。一、换气过程一、换气过程 从排气门开启从排气门开启 进气门关闭。实际曲进气门关闭。实际曲轴转角轴转角4104100 0-480-4800 0。1.1.自由排气阶段自由排气阶段 靠缸内压力将气体挤出气缸,气体以超临靠缸内压力将气体挤出气缸,气体以超临界状态(超音速)流
3、出。界状态(超音速)流出。特点:特点:流出速度高,排量达(流出速度高,排量达(60-70)%,伴随,伴随有特殊刺耳的噪声有特殊刺耳的噪声排气门开启时刻与排气提前角相关排气门开启时刻与排气提前角相关排气提前角排气提前角,膨胀功损失,膨胀功损失W W ,但膨胀行程,但膨胀行程所消耗的功所消耗的功;否则,相反。;否则,相反。排气提前角要适当,不宜太大或太小。一般排气提前角要适当,不宜太大或太小。一般为为=30=300 0-80-800 0。2.强制排气阶段强制排气阶段活塞从下活塞从下 向上,活塞上行将废气挤向上,活塞上行将废气挤出气缸。出气缸。在此阶段,气缸压力高于排气管压力在此阶段,气缸压力高于排
4、气管压力9.8kPa左右。此差值主要为排气门节流所致,流速左右。此差值主要为排气门节流所致,流速越高,差值越大。越高,差值越大。在排气终了,因排气门将要关闭,气门开度在排气终了,因排气门将要关闭,气门开度很小,节流作用增强,为此,常使排气迟后很小,节流作用增强,为此,常使排气迟后关闭,一般迟闭角关闭,一般迟闭角=10=100 0-35-350 0。过大,会使废气倒流。过大,会使废气倒流。3.进气阶段 由于节流作用由于节流作用,缸内产生负压;使新鲜介质进缸内产生负压;使新鲜介质进入缸内。入缸内。进气门:进气门:提前开:进气初期增大气流通道提前开:进气初期增大气流通道=0-40=0-400 0 迟
5、后关:利用惯性进气迟后关:利用惯性进气=40-80=40-800 0。目的:目的:延长进气时间,增加新鲜充量。延长进气时间,增加新鲜充量。进气损失进气损失X X:克服因进气过程气缸内压力低于大气压克服因进气过程气缸内压力低于大气压力而形成的阻止活塞下行的一种阻力消耗的功。力而形成的阻止活塞下行的一种阻力消耗的功。4.气阀叠开和燃烧室扫气气阀叠开和燃烧室扫气在排气、进气两过程之间,存在两气门同时开在排气、进气两过程之间,存在两气门同时开启的现象。非增压发动机的气门启的现象。非增压发动机的气门叠开角叠开角一般为一般为20-6020-600 0。适当的适当的气门气门叠开角:可以减叠开角:可以减少残余
6、废气,增大进气量。少残余废气,增大进气量。增压发动机气门叠开角可以增压发动机气门叠开角可以增大很多,进行燃烧室扫气增大很多,进行燃烧室扫气。二、二、换气损失和泵气损失换气损失和泵气损失换气损失由排气损失和进气损失组成。换气损失由排气损失和进气损失组成。1.1.排气损失:排气损失:排气损失排气损失=自由排气损失自由排气损失W+强制排气损失强制排气损失Y自由排气损失自由排气损失W相当于膨胀功的减少相当于膨胀功的减少;强制排气损失强制排气损失Y是把废气推出气缸所消耗的功是把废气推出气缸所消耗的功。2.进气损失功进气损失功X 为进气系统内气体克服气缸进气吸为进气系统内气体克服气缸进气吸力所消耗的功。力
7、所消耗的功。换气损失形成的原因:换气损失形成的原因:排气门早开;排气门早开;活塞上行推出废气;活塞上行推出废气;气体流动损失;气体流动损失;克服进气过程的真空吸力。克服进气过程的真空吸力。3.3.泵气损失功泵气损失功其大小为:其大小为:X+Y-uX+Y-u。在实际示功图中,把(在实际示功图中,把(W+uW+u)归到指示归到指示功中考虑,而把泵气损失功功中考虑,而把泵气损失功 (X+Y-uX+Y-u)归到机械损失中考虑。归到机械损失中考虑。最有利的排气提前角最有利的排气提前角最有利的排气提前角最有利的排气提前角应使(应使(W WY Y)之和为之和为最小。最小。过早过早 过晚过晚 排气门面积过小排
8、气门面积过小 转速提高转速提高第二节第二节 四冲程发动机的充气效率四冲程发动机的充气效率一、一、充气效率(充气系数)充气效率(充气系数)1.1.定义定义 实际进入气缸的新鲜充量与进气状态下充满气缸实际进入气缸的新鲜充量与进气状态下充满气缸工作容积的比值。工作容积的比值。式式中中:为为实实际际充充量量的的重重量量、质质量量和和体积;体积;为理论充量的重量、质量和体积。为理论充量的重量、质量和体积。进气状态进气状态非增压:空气滤清器后进气管内的气体状态,通非增压:空气滤清器后进气管内的气体状态,通常取为当地的大气状态。常取为当地的大气状态。增增 压:增压器出口状态。压:增压器出口状态。的意义:的意
9、义:表明了每循环新鲜充量充满气缸的程度。表明了每循环新鲜充量充满气缸的程度。充气效率是衡量换气过程进行得完善程度的重要充气效率是衡量换气过程进行得完善程度的重要指标。指标。由于有进气阻力等因素的影响,实际进入气缸中由于有进气阻力等因素的影响,实际进入气缸中的新鲜充量必然小于理论上进气状态下充满工作的新鲜充量必然小于理论上进气状态下充满工作容积的新鲜充量。容积的新鲜充量。2.的实际测量的实际测量实际中,实际中,始终小于始终小于1 1,理想情况等于,理想情况等于1 1。柴油机:柴油机:0.750.750.900.90;汽油机:汽油机:0.700.700.850.85。二、二、充量效率的解析式充量效
10、率的解析式 充入气缸的新鲜充量充入气缸的新鲜充量=缸内气体的总质量缸内残余废气质量缸内气体的总质量缸内残余废气质量充气效率的解析式三、影响充气效率的因素分析三、影响充气效率的因素分析充气效率的数学表达式充气效率的数学表达式式中:式中:残余废气系数;残余废气系数;ppa a 配气定时配气定时;压缩比压缩比;p ps s 、T Ts s(p pa a、T Ta a)进气(进气终了)时的压力和温度。进气(进气终了)时的压力和温度。由上式可以看出,影响充气效率的因素有:由上式可以看出,影响充气效率的因素有:1 1、进气终了压力进气终了压力2 2、进气终了温度进气终了温度3、压缩比压缩比 4、残余废气系
11、数残余废气系数5、进气压力和温度进气压力和温度p ps s 、T Ts s 1 1、进气终了压力进气终了压力 决定于:发动机进气系统的结构决定于:发动机进气系统的结构;发动机的使用情况发动机的使用情况n n。对于进气系统:对于进气系统:当大气压力当大气压力P P0 0一定时,一定时,P P ,P Pa a ;P P气体流过进气系统引起的压力降气体流过进气系统引起的压力降;由流体力学知:由流体力学知:而而v v正比于正比于n n,即,即 则则 管道阻力系数;管道阻力系数;v v 气体在管道内的流速;气体在管道内的流速;r0 大气比重大气比重;P0=Pa-PP P、PaPa随随n n变化关系变化关
12、系:P P随随n n变化关系(变化关系(一定时一定时 )P 0 0 n Pa Pa随随n n变化关系(变化关系(一定时一定时 )Pa 0 0 n 1 1)随随n n的变化关系的变化关系(配气正时一定)(配气正时一定)n1 n当当nnnnnn1 1时,进气迟闭角显的过小,时,进气迟闭角显的过小,P P ,。提问:提问:既然在配气正时一定的条件下只有一种转速既然在配气正时一定的条件下只有一种转速 最佳,实际情况是需要多种转速下最佳,实际情况是需要多种转速下 最佳,如何解决最佳,如何解决这一矛盾?(采取可变气门正时技术)这一矛盾?(采取可变气门正时技术)2 2)随的随的PePe变化关系变化关系 柴油
13、机:柴油机:汽油机:汽油机:Pe Pe PePe柴油机、汽油机的柴油机、汽油机的 随随PePe变化不同原因变化不同原因柴油机负荷调节柴油机负荷调节质调节:质调节:改变供应量、进气量不变,使得改变供应量、进气量不变,使得改变;改变;汽油机负荷调节汽油机负荷调节量调节:量调节:进气量改变、进气量改变、基本不变。基本不变。当负荷当负荷,节气门开度,节气门开度,进气阻力,进气阻力,。2 2、进气终了温度、进气终了温度TaTa T T0 0,Ta,Ta=T T0 0+T.+T.TT的产生:的产生:新气与高温零件接触被加热;新气与高温零件接触被加热;新气与残余废气混合;新气与残余废气混合;气体流动损失功转
14、化为热量;气体流动损失功转化为热量;废气加热进气管(汽油机)废气加热进气管(汽油机)降低降低TaTa的主要途径:的主要途径:尽量排净废气;尽量排净废气;抑制进气过程中新气的温度升高值。抑制进气过程中新气的温度升高值。3 3、压缩比、压缩比 压缩比压缩比 ,压缩容积,压缩容积,残余废气量,残余废气量 ,。4、残余废气系数残余废气系数 排气终了压力排气终了压力Pr的高低直接影响残余废气量的多少,的高低直接影响残余废气量的多少,Pr ,缸内残余废气量,缸内残余废气量,使,使 ;TrTr,TT,。进排气门的叠开角大,压缩比高,进排气门的叠开角大,压缩比高,。5 5、进气压力和温度、进气压力和温度p p
15、s s 、T Ts s进气温度进气温度T Ts s升高,进气压力升高,进气压力p ps s下降均会使进入下降均会使进入气缸充量的密度减小,绝对进气量减少,但影气缸充量的密度减小,绝对进气量减少,但影响较小。响较小。第三节第三节 提高充气效率的措施提高充气效率的措施主要为两方面:主要为两方面:减小进气系统的流动阻力减小进气系统的流动阻力:沿程阻力,局部阻力(节流阻力)沿程阻力,局部阻力(节流阻力);合理选择配气正时。合理选择配气正时。一、减小进气系统的流动阻力一、减小进气系统的流动阻力1.1.进气门处进气门处 是整个进气系统中气流是整个进气系统中气流通道截面最小,也是气流阻通道截面最小,也是气流
16、阻力最大的地方。力最大的地方。1 1)保证尽可能大的保证尽可能大的气门通过能力气门通过能力时面值时面值 时面值表示了气门的时面值表示了气门的通过能力通过能力2 2)合理控制进气马赫数)合理控制进气马赫数M M值值小于小于0.50.5进气马赫数进气马赫数M Ma a是进气门处是进气门处气体的平均速度气体的平均速度v vm m与该处与该处声速声速c c的比值的比值。当当M Ma a 超过一定数值超过一定数值(0.5(0.5左左右右)时,时,v v 便急剧下降。便急剧下降。限制限制M Ma a值对于高速发动机值对于高速发动机尤为重要。尤为重要。3 3)气门直径和气门数)气门直径和气门数 加大进气门直
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