发动机原理与汽车理论 第2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n n第一节第一节第一节第一节 四冲程发动机的换气过程四冲程发动机的换气过程四冲程发动机的换气过程四冲程发动机的换气过程n n第二节第二节第二节第二节 影响换气过程的因素影响换气过程的因素影响换气过程的因素影响换气过程的因素n n第三节第三节第三节第三节 换气过程对发动机性能换气过程对发动机性能换气过程对发动机性能换气过程对发动机性能 的影响的影响的影响的影响n n第四节第四节第四节第四节 改善换气过程的措施改善换气过程的措施改善换气过程的措施改善换气过程的措施n n第五节第五节第五节第五节 发动机的进气发动机的进气发动机的进气发动机的进气控制控制

2、控制控制n n第六节第六节第六节第六节 发动机的进气增压发动机的进气增压发动机的进气增压发动机的进气增压第一节第一节 四冲程发动机的换气过程四冲程发动机的换气过程n n一、一、一、一、换气过程换气过程换气过程换气过程n n二、二、二、二、换气损失换气损失换气损失换气损失n n三、三、三、三、换气过程的评定指标换气过程的评定指标换气过程的评定指标换气过程的评定指标一、换气过程一、换气过程n n四冲程发动机的换气过程是指上一循环排气四冲程发动机的换气过程是指上一循环排气四冲程发动机的换气过程是指上一循环排气四冲程发动机的换气过程是指上一循环排气门开启到下一循环进气门完全关闭的整个过门开启到下一循环

3、进气门完全关闭的整个过门开启到下一循环进气门完全关闭的整个过门开启到下一循环进气门完全关闭的整个过程。程。程。程。n n换气过程分为自由排气、强制排气和进气过换气过程分为自由排气、强制排气和进气过换气过程分为自由排气、强制排气和进气过换气过程分为自由排气、强制排气和进气过程程程程三个阶段三个阶段三个阶段三个阶段 。换气过程换气过程n n自由排气自由排气自由排气自由排气n n强制排气强制排气强制排气强制排气n n进气、扫气进气、扫气进气、扫气进气、扫气自由排气自由排气n自由排气阶段：从排气门开启，到汽缸内压力接近排气管自由排气阶段：从排气门开启，到汽缸内压力接近排气管内压力这段时间内压力这段时间

4、 。1.1.超临界状态超临界状态 排气量只取决于排气门的开度、气体状态等，与排气门排气量只取决于排气门的开度、气体状态等，与排气门前后的压力差无关。前后的压力差无关。2.2.亚临界状态亚临界状态 排气量只取决于排气门的开度和排气门前后的压力差。排气量只取决于排气门的开度和排气门前后的压力差。n排出的废气量可达排气总量的排出的废气量可达排气总量的60%60%以上。以上。n n排气门应该在活塞到达下止点前提前开启（排气门应该在活塞到达下止点前提前开启（排气门应该在活塞到达下止点前提前开启（排气门应该在活塞到达下止点前提前开启（减小排气阻力减小排气阻力减小排气阻力减小排气阻力）。）。）。）。强制排气

5、强制排气n n强制强制强制强制排气阶段：排气阶段：自由排气阶段结束后，汽缸内的自由排气阶段结束后，汽缸内的自由排气阶段结束后，汽缸内的自由排气阶段结束后，汽缸内的废气被上行的活塞强制推出，直到排气门关闭。废气被上行的活塞强制推出，直到排气门关闭。废气被上行的活塞强制推出，直到排气门关闭。废气被上行的活塞强制推出，直到排气门关闭。n n废气的流动状态仍处于废气的流动状态仍处于废气的流动状态仍处于废气的流动状态仍处于亚临界状态。亚临界状态。n n排气门应该在活塞到达上止点后不久才关闭（减排气门应该在活塞到达上止点后不久才关闭（减排气门应该在活塞到达上止点后不久才关闭（减排气门应该在活塞到达上止点后

6、不久才关闭（减少残余废气量和减小排气阻力）。少残余废气量和减小排气阻力）。少残余废气量和减小排气阻力）。少残余废气量和减小排气阻力）。进气、扫气进气、扫气n进气过程：指活塞到达上止点前，进气过程：指活塞到达上止点前，进气门开始开启到进气门进气门开始开启到进气门进气门开始开启到进气门进气门开始开启到进气门完全关闭的这段时间。完全关闭的这段时间。完全关闭的这段时间。完全关闭的这段时间。n n进气提前角进气提前角进气提前角进气提前角(减小进气阻力）、进气迟后角减小进气阻力）、进气迟后角减小进气阻力）、进气迟后角减小进气阻力）、进气迟后角 （增加进气量和（增加进气量和（增加进气量和（增加进气量和减小进

7、气阻力）减小进气阻力）减小进气阻力）减小进气阻力）n n进气门关闭时，汽缸内的压力接近或略高于大气压。进气门关闭时，汽缸内的压力接近或略高于大气压。进气门关闭时，汽缸内的压力接近或略高于大气压。进气门关闭时，汽缸内的压力接近或略高于大气压。n n气门叠开：在排气行程上止点附近存在着进、排气门同时开气门叠开：在排气行程上止点附近存在着进、排气门同时开气门叠开：在排气行程上止点附近存在着进、排气门同时开气门叠开：在排气行程上止点附近存在着进、排气门同时开启的现象。启的现象。启的现象。启的现象。n扫气过程：扫气过程：利用新鲜空气或利用新鲜空气或利用新鲜空气或利用新鲜空气或 混合气进一步扫除缸内废气。

8、混合气进一步扫除缸内废气。混合气进一步扫除缸内废气。混合气进一步扫除缸内废气。同时降低了燃烧室内热区零件同时降低了燃烧室内热区零件同时降低了燃烧室内热区零件同时降低了燃烧室内热区零件 的温度。的温度。的温度。的温度。n n叠开角过大、过小都不好。叠开角过大、过小都不好。叠开角过大、过小都不好。叠开角过大、过小都不好。二、换气损失二、换气损失1.1.1.1.排气损失：从排气门提前打开到进气过程开始后，汽缸压力排气损失：从排气门提前打开到进气过程开始后，汽缸压力排气损失：从排气门提前打开到进气过程开始后，汽缸压力排气损失：从排气门提前打开到进气过程开始后，汽缸压力接近或达到大气压力之前所产生的损失

9、功。它包括提前排气损接近或达到大气压力之前所产生的损失功。它包括提前排气损接近或达到大气压力之前所产生的损失功。它包括提前排气损接近或达到大气压力之前所产生的损失功。它包括提前排气损失和强制排气损失失和强制排气损失失和强制排气损失失和强制排气损失(两者受排气提前角影响，两者受排气提前角影响，两者受排气提前角影响，两者受排气提前角影响，最佳的排气提前最佳的排气提前最佳的排气提前最佳的排气提前角是排气损失最小角是排气损失最小角是排气损失最小角是排气损失最小）。）。）。）。n n最佳排气提前角随转速提高而增大。最佳排气提前角随转速提高而增大。最佳排气提前角随转速提高而增大。最佳排气提前角随转速提高而

10、增大。2.2.2.2.进气损失：进气损失：进气损失：进气损失：进气损失一方面使进气过程进气损失一方面使进气过程进气损失一方面使进气过程进气损失一方面使进气过程消耗了功；另一方面影响到消耗了功；另一方面影响到消耗了功；另一方面影响到消耗了功；另一方面影响到进气过程中吸入新鲜充量的进气过程中吸入新鲜充量的进气过程中吸入新鲜充量的进气过程中吸入新鲜充量的多少，这对发动机的性能影多少，这对发动机的性能影多少，这对发动机的性能影多少，这对发动机的性能影响很大。响很大。响很大。响很大。3.3.3.3.泵气损失泵气损失泵气损失泵气损失:三、换气过程的评定指标三、换气过程的评定指标n n一般用残余废气系数和充

11、气效率来评定。一般用残余废气系数和充气效率来评定。一般用残余废气系数和充气效率来评定。一般用残余废气系数和充气效率来评定。n n残余废气系数（残余废气系数（残余废气系数（残余废气系数（r r)：发动机每循环进气终了时，汽缸：发动机每循环进气终了时，汽缸：发动机每循环进气终了时，汽缸：发动机每循环进气终了时，汽缸内的残余废气量与实际充气量的比值内的残余废气量与实际充气量的比值内的残余废气量与实际充气量的比值内的残余废气量与实际充气量的比值 。n n残余废气系数主要用来比较排量不同的发动残余废气系数主要用来比较排量不同的发动残余废气系数主要用来比较排量不同的发动残余废气系数主要用来比较排量不同的发

12、动机残余废气量的多少，评定发动机换气过程机残余废气量的多少，评定发动机换气过程机残余废气量的多少，评定发动机换气过程机残余废气量的多少，评定发动机换气过程进行的好坏。进行的好坏。进行的好坏。进行的好坏。充气效率充气效率 n n充气效率（充气效率（充气效率（充气效率（）:指发动机每一工作循环的实际充指发动机每一工作循环的实际充指发动机每一工作循环的实际充指发动机每一工作循环的实际充气量气量气量气量m m m m与理论充气量与理论充气量与理论充气量与理论充气量m m m m0 0 0 0（进气状态下充满汽缸工作容（进气状态下充满汽缸工作容（进气状态下充满汽缸工作容（进气状态下充满汽缸工作容积的新鲜

13、气体数量积的新鲜气体数量积的新鲜气体数量积的新鲜气体数量)的比值的比值的比值的比值 。n n充气效率不受汽缸工作容积的影响。当汽缸工作充气效率不受汽缸工作容积的影响。当汽缸工作充气效率不受汽缸工作容积的影响。当汽缸工作充气效率不受汽缸工作容积的影响。当汽缸工作容积一定时，充气效率越高，说明进气越充分，容积一定时，充气效率越高，说明进气越充分，容积一定时，充气效率越高，说明进气越充分，容积一定时，充气效率越高，说明进气越充分，每循环的实际充量越多，发动机的动力性好。每循环的实际充量越多，发动机的动力性好。每循环的实际充量越多，发动机的动力性好。每循环的实际充量越多，发动机的动力性好。第二节第二节

14、 影响换气过程的因素影响换气过程的因素n n一、一、一、一、影响充气效率的因素影响充气效率的因素影响充气效率的因素影响充气效率的因素n n二、二、二、二、影响残余废气系数的因素影响残余废气系数的因素影响残余废气系数的因素影响残余废气系数的因素一、影响充气效率的因素一、影响充气效率的因素n n1.1.进气终了的压力进气终了的压力进气终了的压力进气终了的压力和温度和温度和温度和温度n n2.2.排气终了的压力和温度排气终了的压力和温度排气终了的压力和温度排气终了的压力和温度n n3.3.大气压力和温度大气压力和温度大气压力和温度大气压力和温度n n4.4.压缩比压缩比压缩比压缩比n n5.5.配气

15、相位配气相位配气相位配气相位结论结论结论结论n n进气终了压力进气终了压力进气终了压力进气终了压力提高，充气效率提高。提高，充气效率提高。提高，充气效率提高。提高，充气效率提高。n n进气终了温度进气终了温度进气终了温度进气终了温度提高，充气效率下降。提高，充气效率下降。提高，充气效率下降。提高，充气效率下降。n n排气终了压力排气终了压力排气终了压力排气终了压力提高，充气效率下降。提高，充气效率下降。提高，充气效率下降。提高，充气效率下降。n n排气终了温度排气终了温度排气终了温度排气终了温度变化对充气效率影响不大。变化对充气效率影响不大。变化对充气效率影响不大。变化对充气效率影响不大。n

16、n大气压力降低、大气温度大气压力降低、大气温度大气压力降低、大气温度大气压力降低、大气温度升高，充气效率提升高，充气效率提升高，充气效率提升高，充气效率提高。高。高。高。n n压缩比压缩比压缩比压缩比提高，充气效率提高。提高，充气效率提高。提高，充气效率提高。提高，充气效率提高。n n配气相位：进、排气迟后角过大或过小，充配气相位：进、排气迟后角过大或过小，充配气相位：进、排气迟后角过大或过小，充配气相位：进、排气迟后角过大或过小，充气效率降低。气效率降低。气效率降低。气效率降低。二、残余废气系数的影响因素二、残余废气系数的影响因素 n n进气终了压力提高和温度降低，残余废气系数减小进气终了压

17、力提高和温度降低，残余废气系数减小进气终了压力提高和温度降低，残余废气系数减小进气终了压力提高和温度降低，残余废气系数减小 。n n排气终了的压力提高和温度降低，残余废气系数增大排气终了的压力提高和温度降低，残余废气系数增大排气终了的压力提高和温度降低，残余废气系数增大排气终了的压力提高和温度降低，残余废气系数增大 。n n压缩比提高，残余废气系数减小压缩比提高，残余废气系数减小压缩比提高，残余废气系数减小压缩比提高，残余废气系数减小 。n n合适的配气相位，残余废气系数减小合适的配气相位，残余废气系数减小合适的配气相位，残余废气系数减小合适的配气相位，残余废气系数减小 。第三节 换气过程对发

18、动机性能影响n n充气效率、指示热效率、机械效率三者并称为发动机的三大效率。n n一、理论空气量和过量空气系数n n二、三大效率与发动机功率和转矩的关系理论空气量和过量空气系数n n1理论空气量：指1kg的燃料完全燃烧时所需的最低空气量。(汽油：14.7；柴油:14.5)n n2过量空气系数：指燃烧1kg燃料实际供给的空气量L与理论空气量L0的比值。at1 1 稀混合气；稀混合气；at1 1 浓混合气；浓混合气；at=1 1 理论（标准）混合气。理论（标准）混合气。三大效率与发动机功率和转矩的关系n n式中：K1、K2对一定的发动机为比例常数。且K2=9550 K1。uu影响发动机动力性指标（

19、Pe和Me）的参数主要有：过量空气系数、充气效率、指示热效率和机械效率。提高充气效率是提高发动机动力性的重要措施之一。第四节 改善换气过程的措施n n一、减小进气阻力n n二、减小排气阻力n n三、降低进气温度n n四、合理选择配气相位一、减小进气阻力n n1减小进气门处的阻力系数：uu加大进气门直径:uu采用多气门结构:uu适当增加进气门升程:改进配气凸轮线型；uu适当降低活塞运行速度:减小活塞行程。n n2减小空气滤清器的阻力系数：定期维护、适时更换。n n3减小进气管道的阻力系数：尽可能采用圆形截面、增大进气道尺寸、减小弯道和流通截面变化、采用进气控制系统。二、减小排气阻力n n1.减小

20、排气门处的阻力：采用加大排气门升程或多排气门结构。n n2.减小排气管道的阻力：应采用渐扩型，保证排出的气体充分膨胀，降低汽缸与排气管内的压力差，使汽缸压力迅速下降。三、降低进气温度n n1.在结构布置上，减小进气管受热；n n2.加强对冷却系统的维护，防止发动机过热；n n3.热空气供给装置。四、合理选择配气相位n n1.对配气相位角度的要求uu(1)进气迟后角一定，在某一转速下充气效率最高。uu（2）发动机转速变化时，在较低的转速范围内，采用较小的进气门迟后关闭角，可获得较高的充气效率和有效功率。uu（3）改变进气门迟后关闭角度，可改变v和Pe随转速的变化关系，从而改变发动机的速度特性。n

21、 n2可变配气相位控制系统n n（1）本田公司VTEC。a)低速小负荷时；b)高速大负荷时1-主凸轮；2-次凸轮；3-次摇臂；4-复位弹簧；5-阻挡活塞；6-同步活塞B；7-同步活塞A；8-正时活塞；9-主摇臂；10-中间摇臂；11-油液n n（2）大众公司可变进气相位控制系统。1-正时电磁阀；2-液压缸；3-排气凸轮轴；4-进气凸轮轴；5-正时调节器n n（3）宝马公司VCC系统。1-凸轮；2-气门摇臂；3-挺杆；4-气门；5-气门弹簧；6-齿扇；7-偏心轴；8-中置摇臂轴；9-中置摇臂n n（4）丰田公司VVTL-i控制系统。丰田公司VVTL-i控制机构丰田公司进气门升程控制机构1-进气门

22、；2-摇臂；3-滚轮；4-低速凸轮；5-高速凸轮；6-油道；7-滑销；8-滑块第五节 发动机的进气控制n n一、汽油机的进气控制n n二、柴油机的进气控制一、汽油机的进气控制n n 汽油机的进气控制通常采用动力阀式，动力阀式进气控制系统通过控制发动机进气道的空气流通截面大小，来适应发动机不同转速和负荷时的进气量需求，从而改善发动机的动力性。n n 动力阀式进气控制系统的工作原理如下图：二、柴油机的进气控制n n1进气节流控制n n（1）直流电动机型进气节流控制系统(图2-14)。n n（2）电控气动型进气节流控制系统(图2-15)。n n2进气涡流控制n n（1）喷气式进气涡流控制(图2-16

23、)。n n（2）双气道式进气涡流控制(图2-17)。n n（3）气道分隔式进气涡流控制(图2-18)。n n（4）导气屏式进气涡流控制(图2-19)。n n（5）旁通气道式进气涡流控制(图2-20)。n n（6）气道转换式进气涡流控制装置(图2-21)。n n一、进气增压的目的及其评价n n二、进气增压系统的类型n n三、进气增压对发动机的影响n n四、进气增压控制第六节 发动机的进气控制一、进气增压的目的及其评定n n1.增压的目的n n1)降低发动机的质量、体积和制造成本。n n2)提高热效率，降低油耗率。n n3)降低排放污染和噪声。n n4)可补偿高原功率损失。n n5)提高整机使用经

24、济性。n n6)改善发动机的特性。n n2.进气增压的评定指标uu增压度：增压后功率的提高量与增压前功率之比。uu增压比：增压后的气体压力与增压前的气体压力之比。二、进气增压系统的类型uu按增压比的不同，增压发动机可分为：n n1）低增压:b1.6（pme=7001000kPa）；n n2）中增压:1.6b2.5（pme=1000 1500kPa）；n n3）高增压:b 2.5（pme=1500kPa以上）。uu按增压器装置的结构原理不同，增压发动机可分为：n n1）机械增压系统；n n2）废气涡轮增压系统；n n3）气波增压系统；n n4）谐波进气增压系统；n n5）复合增压系统。机械增压系

25、统uu结构特征：压气机的动力直接来源于发动机曲轴。uu特点：对排气系统没有干扰，可用于高排气背压的特殊场合（如水下）；驱动压气机会消耗发动机功率，使机械效率下降和油耗增加；转速变化直接导致压气机流量变化，加速响应性较好。废气涡轮增压uu结构特征：涡轮和压气机叶轮同轴，构成涡轮增压器，增压器和发动机之间没有任何机械联系。废气驱动涡轮，带动叶轮，实现进气增压。uu特点：利用排气能量，不消耗发动机功率；高速性能优越，低速性能不佳；结构紧凑，工作可靠；废气在涡轮中可以充分膨胀，排气噪声低；由于气体流动回路长，加速响应性能差。n n汽车发动机上一般装用的是径流式废气涡轮增压器。径流式废气涡轮增压器的结构

26、如图2-24所示，其组成可分为五部分：涡轮机、压气机、支承装置、密封装置、润滑与冷却装置。废气涡轮增压n n废气涡轮增压器的涡轮机主要由进气涡壳、喷嘴环、涡轮等组成，其工作原理如图2-25所示。废气涡轮增压n n废气涡轮增压器的压气机主要由进气道、叶轮、扩压器和出气涡壳组成，如图2-26所示。废气涡轮增压n n废气涡轮增压器的支承装置包括轴承、护板、止推盘等，其作用是使转子轴可靠地定位在中间壳上，并限制转子轴工作时的轴向和径向活动范围。增压器中采用的支承轴承一般为浮动轴承，如图2-27所示。废气涡轮增压n n废气涡轮增压主要特点如下：n n（1）利用废气能量进行增压，有利于改善整机的动力性和经

27、济性。n n（2）废气涡轮增压器的出口压力一般为180200kPa，最高可达300kPa。n n（3）废气涡轮增压系统的结构简单，工作可靠，增压效果好，增压度可达0.30.5，所以废气涡轮增压应用较广泛。n n（4）在非增压发动机上采用废气涡轮增压不需作很大的改装，废气涡轮增压器也适合专业厂家大批量生产，有利于保证较高的质量和较低的成本，对废气涡轮增压的广泛应用也提供了有利条件。n n（5）采用废气涡轮增压后，会使发动机的起动性和加速性变差，机械负荷和热负荷增加。废气涡轮增压1-汽缸；2-中冷器；3-进气管；4-曲轴；5-液力偶合器；6-传动齿轮；7-低压动力涡轮；8-废气涡轮；9-压气机；1

28、0-排气管废气涡轮增压气波增压系统uu结构特征：曲轴通过传动带驱动转子旋转，利用高压废气的脉冲气波，使低压空气被压缩、加速，变成高压空气后被压入汽缸。uu特点：驱动转子消耗的功率小（1%）；结构简单，加工方便；起到EGR作用，降低排放；但质量、尺寸大。谐波进气增压系统n n谐波增压是利用进气管内气流惯性产生的压力波动来实现进气增压。由于增压强度较小，所以应用在汽油机上。组合式增压系统uu一种机械增压和废气涡轮增压组合使用。综合了两者的优点，高速时利用涡轮增压，起动时采用机械增压，部分负荷时机械增压贡献大。uu另一种在废气涡轮增压基础上，加装一套低压动力涡轮系统。三、进气增压对发动机的影响n n

29、1进气增压对柴油机的影响n n2进气增压对汽油机的影响1进气增压对柴油机的影响uu对柴油机的不利影响表现在：1）机械负荷和热负荷加大：燃烧最高压力和温度提高2）低速和加速时排气管冒烟：低速时，由于增压效果较差，供气量不足；加速时，气流惯性作用，压气机供气滞后，都使混合气过浓，排气管冒烟。1进气增压对柴油机的影响uu结构上必须采取以下措施：uu1）适当调整和改进燃料供给系统：保证喷油持续时间不变（如加大喷油泵柱塞直径、加大喷油器喷孔直径、提高喷油压力等）；同时适当减小喷油提前角（抑制燃烧最高压力和温度，降低机械负荷和热负荷）。uu2）适当调整配气相位：适当增加气门叠开角，降低发动机热负荷。试验表

30、明：气门叠开角每增加10，活塞的平均温度下降4。uu3）适当减小压缩比：n n压缩比减小，降低燃烧最高压力和温度。压缩比减小过多，冷起动困难，经济性变差。一般减小12个单位。n n4）对增压空气冷却：采用中冷器对增压后的空气进行冷却。一方面提高进气密度，使发动机功率提高；另一方面降低进气终了的温度和循环的平均温度，从而降低排气终了温度、热负荷及NOX排量。n n5）强化冷却系统：增大机油散热器面积；调整水泵容量、提高水泵转速；增大散热水箱面积，降低机械负荷和热负荷。2进气增压对汽油机的影响uu对汽油机的不利影响表现在：n n（1）爆燃倾向加大：汽油机增压后，由于压缩始点压力和温度升高，促使爆燃

31、发生，必须采取降低压缩比、推迟点火时刻等技术措施。负面影响：热效率下降、排温过高等。n n（2）热负荷加大：汽油机的过量空气系数小，其燃烧温度高，排气温度比柴油机高（300），增压后汽油机的整体温度更高；同时，汽油机气门叠开角不大，扫气作用不明显，所以增压后的汽油机在排气门、活塞等处的热负荷均高于柴油机。n n1增压压力控制系统n n（1）旁通阀式增压压力控制（图2-32和图2-33）。n n（2）节流阀式增压压力控制（图2-34）。n n（3）可调叶片式增压压力控制（图2-35和图2-36）。n n2增压空气供给量控制四、进气增压控制1增压压力控制系统n n（1）旁通阀式增压压力控制。1增压压力控制系统n n（2）节流阀式增压压力控制。1增压压力控制系统n n（3）可调叶片式增压压力控制。2增压空气供给量控制本章作业n n根据充气效率公式(如下)，分析进气终了压力和温度、排气终了压力和温度、大气压力和温度和配气相位对充气效率的影响。