发动机换气过程-汽车发动机原理32872.pptx

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1、汽车发动机原理汽车发动机原理 制作人：张振东目目录录前言：前言：课程绪论课程绪论第一章：发动机性能第一章：发动机性能第二章：发动机换气过程第二章：发动机换气过程第三章：燃料与燃烧第三章：燃料与燃烧第四章：汽油机混合气的形成与燃烧第四章：汽油机混合气的形成与燃烧第五章：柴油机混合气的形成与燃烧第五章：柴油机混合气的形成与燃烧第六章：发动机的特性第六章：发动机的特性第七章：车用发动机废气涡轮增压第七章：车用发动机废气涡轮增压第八章：排气污染机及控制第八章：排气污染机及控制第二章：发动机的换气过程第二章：发动机的换气过程2-1 内燃机换气过程的特点及要求内燃机换气过程的特点及要求2-2四冲程内燃机的

2、换气过程四冲程内燃机的换气过程2-3四冲程内燃机的充气效率四冲程内燃机的充气效率v2-4减小进气系统阻力减小进气系统阻力2-5合理选择配气定时合理选择配气定时2-6进气管的气体动力学效应进气管的气体动力学效应2-7可变技术可变技术2-8二行程发动机换气过程二行程发动机换气过程2-1 内燃机换气过程的特点及要求内燃机换气过程的特点及要求进气和排气过程的总称，任务：进气和排气过程的总称，任务：1排除缸内废气，干净彻底；排除缸内废气，干净彻底；2在有限的气缸工作容积下，充入更多的新鲜在有限的气缸工作容积下，充入更多的新鲜 充量。充量。2-2 四冲程内燃机的换气过程四冲程内燃机的换气过程一、按三个流动

3、状态分：一、按三个流动状态分：1超临界（超临界（pc/pr 1.893）以音速流出，流量取决于气体状态和流通面积，与压差无关。以音速流出，流量取决于气体状态和流通面积，与压差无关。2亚临界（亚临界（1pc/pr1.893）流量取决于气体状态、流通面积和压差，下止点后流量取决于气体状态、流通面积和压差，下止点后10-30度结束。度结束。二、按流动特点：二、按流动特点：1自由排气阶段：超临界和亚临界自由排气阶段：超临界和亚临界2强制排气阶段：靠活塞上行强制推出废气强制排气阶段：靠活塞上行强制推出废气排气门在下止点前打开，在上止点后关闭排气门在下止点前打开，在上止点后关闭3.进气过程：进气门上止点前

4、打开，在下止点后进气过程：进气门上止点前打开，在下止点后关闭关闭 4气门叠开：排气门迟闭，进气门早开气门叠开：排气门迟闭，进气门早开,两气门两气门处于同时开启的阶段处于同时开启的阶段作用：作用：（1）扫气：减少废气，增加新鲜充量；）扫气：减少废气，增加新鲜充量；（2）冷却高温零件。冷却高温零件。汽油机：进气压力低，汽油机：进气压力低，20-30 CA，过大易引起回火；，过大易引起回火；非增压柴油机：进气压力较大，非增压柴油机：进气压力较大，20-80 CA；增压柴油机：进气压力大于大气压，增压柴油机：进气压力大于大气压，80-160 CA三、进气过程三、进气过程配气相位配气相位:4个角个角排气

5、门早开：排气提前角排气门早开：排气提前角1.使排气流畅使排气流畅2.排气功减小排气功减小排气门晚关：排气迟闭角排气门晚关：排气迟闭角1.使排气彻底使排气彻底2.排气惯性排气惯性进气门早开进气门早开：进气提前角：进气提前角1.减小阻力减小阻力2.增加流通面积增加流通面积进气门晚关：进气迟闭角进气门晚关：进气迟闭角1.惯性进气惯性进气由于活塞下行由于活塞下行,缸内产生负压，使新鲜介质充入缸内。缸内产生负压，使新鲜介质充入缸内。四、换气损失四、换气损失1、自由排气损失自由排气损失 W 2、强制排气损失、强制排气损失 Y (W+Y)min确定最佳确定最佳 排气提前角。排气提前角。3、进气损失、进气损失

6、 X 4、换气损失、换气损失 W+Y+X 5、泵气损失、泵气损失 W+Y-d 发动机换气损失图发动机换气损失图 进气损失和排气损失组成。进气损失和排气损失组成。2-3 四冲程内燃机的充气效率四冲程内燃机的充气效率v一、充气效率一、充气效率v的定义的定义m1、v1：实际进入气缸的新鲜工质的质量、体积；实际进入气缸的新鲜工质的质量、体积；ms、vs：进气状态下充满工作容积的新鲜工质的质量、：进气状态下充满工作容积的新鲜工质的质量、气缸的工作容积。气缸的工作容积。表征进气过程的完善程度及气缸利用率。表征进气过程的完善程度及气缸利用率。进气状态下充满气缸工作容积的工质质量进气状态下充满气缸工作容积的工

7、质质量实际进入气缸的新鲜工质质量实际进入气缸的新鲜工质质量进气状态：进气状态：非增压：环境大气状态非增压：环境大气状态P0、T0增压：压气机出口状态增压：压气机出口状态Pk、Tk若大气状态，气缸工作容积若大气状态，气缸工作容积Vs，理论上进入气缸充气量，理论上进入气缸充气量ms:由于，进气终了时由于，进气终了时paT0,Ts，导致，导致v 柴油机：排气管和进气管分置于发动机两侧。柴油机：排气管和进气管分置于发动机两侧。汽油机：为了汽化混合气，需加热新鲜混合气，进汽油机：为了汽化混合气，需加热新鲜混合气，进 排气管同侧。排气管同侧。3残余废气系数残余废气系数 v 柴油机比汽油机柴油机比汽油机 低

8、负荷时低负荷时,汽油机汽油机 4.配气定时配气定时 ，Pa max 关太早，惯性作用未利用关太早，惯性作用未利用 关太迟，发生倒流关太迟，发生倒流5.压缩比压缩比 v6.大气状态大气状态 Po Pa 进气量进气量 To Ta 进气量进气量2-4 减小进气系统阻力减小进气系统阻力一、减少进气系统的流动损失一、减少进气系统的流动损失 进气系统阻力分为进气系统阻力分为 汽油机：汽油机：空气滤清器空气滤清器 化油器化油器 节气门节气门进气管进气管 进气道进气道 进气门进气门 柴油机：柴油机：空气滤清器空气滤清器 进气管进气管 进气道进气道 进气门进气门 沿程阻力沿程阻力局部阻力（节流阻力）局部阻力（节

9、流阻力）二、进气门处的流动阻力二、进气门处的流动阻力1.时面值时面值 气门处气体流量气门处气体流量dm：dm=vm fdt 开启过程的气体流量开启过程的气体流量:m=dm=vm fdt=vm 1/6nfd 式中，式中，fdt称为称为时面值时面值,fd称为称为角面值角面值2进气马赫数进气马赫数Ma Ma定义：进气门处气体的平均速度定义：进气门处气体的平均速度vm与该处声速与该处声速c的比值。的比值。vm定义：实际进入气缸的新鲜充量与进气门有效时面值之比。定义：实际进入气缸的新鲜充量与进气门有效时面值之比。其中：其中：D、d：活塞及进气阀盘直径；：活塞及进气阀盘直径；Cm：活塞平均速度；：活塞平均

10、速度；m：进气门开启过程的平均流量系数；：进气门开启过程的平均流量系数；o、c：进气门开关角度：进气门开关角度。当当Ma0.5时，时，v，此时，此时n增加，功率也不增加。增加，功率也不增加。减小减小Ma：（1）d气门通过面积气门通过面积（2）m （3）配气相位（）配气相位（c-o）3气门直径和气门数气门直径和气门数 a.增大进气门直径，减小排气门直径增大进气门直径，减小排气门直径 1、进气门直径进气门直径d d进进 一般一般:d d进进 Pa v d d排排 Pr v 一般：一般：d d排排 d d进进b.多气门，多气门，流通面积流通面积f f 40%左右。左右。D80mm,D80mm,常用二

11、进二排；常用二进二排；D80mmD80mm，常用三进二排。，常用三进二排。f f v Pe （可达（可达30%30%），），b be e 0.200.25 c.圆滑过渡（其中圆滑过渡（其中R为阀顶过渡圆角）为阀顶过渡圆角）（1）过渡圆角）过渡圆角R 流动阻力流动阻力 v （2）锐边锐边光滑光滑 d.增大气门升程增大气门升程 h，时面值，时面值 v 三、进气道和进气管三、进气道和进气管1.进气管截面大：阻力小，流速低，汽油易沉积于管壁；进气管截面大：阻力小，流速低，汽油易沉积于管壁；2.表面光洁表面光洁减小沿程阻力；减小沿程阻力；3.管道转弯少，截面不突变管道转弯少，截面不突变减小局部减小局部阻

12、力。阻力。四、四、空气滤清器空气滤清器1.加大截面减小阻力；加大截面减小阻力；2.清洗、更换。清洗、更换。2-5 合理选择配气定时合理选择配气定时v进气迟闭角进气迟闭角进闭进闭对对v 影响最大影响最大1对于固定对于固定进闭进闭，n，v变化，在某一转速变化，在某一转速v max；2.不同的迟闭角，不同的迟闭角，max对应的转速不同。对应的转速不同。迟闭角大，迟闭角大，max对应的转速高对应的转速高3改变改变进闭进闭，可调整内燃机的工作特性满足不同要求，可调整内燃机的工作特性满足不同要求:（1）如要求提高最大）如要求提高最大Pe，则，则进闭进闭，但对中低速不利；，但对中低速不利；（2）如要求提高低

13、速）如要求提高低速Me，则，则进闭进闭，但会减小最大功率。，但会减小最大功率。2-6 进气管的动态效应进气管的动态效应 进气和排气是间歇式过程，内部存在压力波；进气和排气是间歇式过程，内部存在压力波；利用压力波提高利用压力波提高v，称为动态效应；，称为动态效应；压力波动：气流惯性效应和波动效应。压力波动：气流惯性效应和波动效应。一、进气管惯性效应一、进气管惯性效应进气门打开初期，由于活塞向下运动和气流惯进气门打开初期，由于活塞向下运动和气流惯性，气缸内和进气管内产生负压。气体流入气性，气缸内和进气管内产生负压。气体流入气缸，同时从气缸中传出膨胀波，向外端缸，同时从气缸中传出膨胀波，向外端A传传

14、播，速度为（播，速度为（a-u）。）。当传到当传到A端后，变成压缩波从端后，变成压缩波从A端又向气缸端又向气缸方向传播，速度为（方向传播，速度为（a+u）。反射到气缸后，）。反射到气缸后，使气缸压力上升。使气缸压力上升。若进气管长度适当，使膨胀波发出到压缩波返若进气管长度适当，使膨胀波发出到压缩波返回气缸所经历时间，与进气门从开启到关闭的回气缸所经历时间，与进气门从开启到关闭的时间恰好配合，即压缩波到达气缸时，进气门时间恰好配合，即压缩波到达气缸时，进气门正好处于关闭前夕，缸内气体密度最大。此时正好处于关闭前夕，缸内气体密度最大。此时关闭进气门就可以利用进气惯性效应，获得增关闭进气门就可以利用

15、进气惯性效应，获得增压效果，使循环充量增加，提高充气效率。压效果，使循环充量增加，提高充气效率。从图从图3-14中（中（b）可以看出，如果波动一）可以看出，如果波动一周期正好与进气门开启持续时间相等，则周期正好与进气门开启持续时间相等，则进气门关闭时正是进气门关闭时正是B点压力处于波峰位置，点压力处于波峰位置，也正是惯性效应最大的时候。如果进气门也正是惯性效应最大的时候。如果进气门关闭比此相位早或晚，关闭比此相位早或晚，B点压力都不会处点压力都不会处于波峰位置，因此都得不到最高充气效果。于波峰位置，因此都得不到最高充气效果。二、进气管波动效应二、进气管波动效应当进气门关闭之后，进当进气门关闭之

16、后，进气管内的气柱还在继续波动，气管内的气柱还在继续波动，对下一个进气循环的进气量对下一个进气循环的进气量产生影响，这一影响称为波产生影响，这一影响称为波动效应。动效应。当进气门关闭时，进气管内流动的空气受到压缩，在进气门处产生压缩当进气门关闭时，进气管内流动的空气受到压缩，在进气门处产生压缩波，向进气管开口端波，向进气管开口端A传播，传播速度为传播，传播速度为(a-u)；当压缩波传到管端当压缩波传到管端A时，将要产生反射波，反射波与入射波性质相反，时，将要产生反射波，反射波与入射波性质相反，即为膨胀波，并以即为膨胀波，并以(a+u)的速度向进气门处传播（图中的速度向进气门处传播（图中a）。）

17、。如果进气门尚未打开仍处于封闭时，从进气门处返回的仍是膨胀波，此如果进气门尚未打开仍处于封闭时，从进气门处返回的仍是膨胀波，此膨胀波又向管端膨胀波又向管端A传播，在开口端再次反射时又变成压缩波向进气门处传播，在开口端再次反射时又变成压缩波向进气门处传播。传播。这样，气波在进气管中周而复始的来回传播，使进气门处的压力也时这样，气波在进气管中周而复始的来回传播，使进气门处的压力也时高时低形成压力波（图中高时低形成压力波（图中b）。如果下一循环的进气过程与正压力波重合，）。如果下一循环的进气过程与正压力波重合，进气门关闭时压力高，使充量系数提高，如果与负压力波重合，则进气门进气门关闭时压力高，使充量

18、系数提高，如果与负压力波重合，则进气门关闭时压力低，使充量系数下降。关闭时压力低，使充量系数下降。压力波动的固有频率压力波动的固有频率f1为：为：式中：式中：进气管内音速，进气管内音速，m/s；L进气管长度，进气管长度，m。当内燃机转速为当内燃机转速为n(r/min)时，进气频率时，进气频率f2为：为：f1与与f2之比为：之比为：q1表示波动次数。表示波动次数。q1说明进气管内压力波动的固有频率和内燃机进气频率之间的配合关系，说明进气管内压力波动的固有频率和内燃机进气频率之间的配合关系，主要是进气管长度和内燃机转速的配合。主要是进气管长度和内燃机转速的配合。当当q1=1.5、2.5时，下一次气

19、门开启期间正好与正的压力波相重合，时，下一次气门开启期间正好与正的压力波相重合，使进气充量增加。使进气充量增加。当当q=1、2、时，进气频率与压力波频率合拍，下一次气门开启期间与时，进气频率与压力波频率合拍，下一次气门开启期间与负的压力波重合，使进气充量减少。负的压力波重合，使进气充量减少。这样，就可利用进气管的动态效应增大充气量，提高发动机的动力性。实这样，就可利用进气管的动态效应增大充气量，提高发动机的动力性。实践证明，利用进气管动态效应可提高功率践证明，利用进气管动态效应可提高功率10%20%，最低耗油率下降，最低耗油率下降3%5%。并且还能降低排气温度和减少碳烟的排出量。并且还能降低排

20、气温度和减少碳烟的排出量。2-7 可变技术可变技术一、可变进气管一、可变进气管 1要求要求:高速：粗短管高速：粗短管 低速：细长管低速：细长管 2措施：措施：改变进气管长度或流通面积。改变进气管长度或流通面积。二、可变气门定时二、可变气门定时 1使凸轮轴转过一定角度；使凸轮轴转过一定角度；2使用高、低速不同的凸轮。使用高、低速不同的凸轮。发动机的一些结构参数随工况而变化，增强发动机的工发动机的一些结构参数随工况而变化，增强发动机的工况适应范围，提高经济性、动力性和工作稳定性。况适应范围，提高经济性、动力性和工作稳定性。可变进气管可变进气管传统配气机构传统配气机构传统配气机构缺点：传统配气机构缺

21、点：气门正时固定不变，很气门正时固定不变，很难兼顾发动机不同转速难兼顾发动机不同转速的工作需求。的工作需求。可变气门定时可变气门定时1、凸轮相位可变、凸轮相位可变双顶置凸轮轴，使进气凸轮转过一定角度。双顶置凸轮轴，使进气凸轮转过一定角度。2、进气持续期可变、进气持续期可变两组凸轮由控制装置进行切换工作。两组凸轮由控制装置进行切换工作。（1）中低速采用短行程、短持续期进气凸轮；）中低速采用短行程、短持续期进气凸轮；（2）高速采用长行程、长持续期进气凸轮。）高速采用长行程、长持续期进气凸轮。2-8 二行程发动机换气过程二行程发动机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，二行程发动机是

22、曲轴回转一圈，活塞上下两个行程，即压缩（及换气）行程和燃烧膨胀（及换气）行程，就完即压缩（及换气）行程和燃烧膨胀（及换气）行程，就完成一个工作循环。它与四行程发动机的区别，主要是换气成一个工作循环。它与四行程发动机的区别，主要是换气过程。过程。hfba二行程发动机的示功图二行程发动机的示功图pVp0d扫气口扫气口排气口排气口进气口进气口czVsVeV sVc扫气泵扫气泵v曲轴箱扫气曲轴箱扫气密闭曲轴箱，容积大压力低。密闭曲轴箱，容积大压力低。v单独扫气泵单独扫气泵转子泵或离心泵，曲轴驱动，转子泵或离心泵，曲轴驱动，扫气压力扫气压力=109-150kpa。v废气涡轮增压废气涡轮增压最好，扫气压力

23、最好，扫气压力=140-200kpa。扫气系统形式扫气系统形式一、横流扫气一、横流扫气二、回流扫气二、回流扫气三、直流扫气三、直流扫气扫气效果评价扫气效果评价1、扫气效率、扫气效率m0：换气后留在缸内的新鲜充量质量；：换气后留在缸内的新鲜充量质量；mg：换气后缸内气体总质量；：换气后缸内气体总质量；mr：换气后缸内残余废气质量。：换气后缸内残余废气质量。s高，表示缸内残余废气少，换气质量高。高，表示缸内残余废气少，换气质量高。扫气效果评价扫气效果评价2、过量扫气系数（给气比）、过量扫气系数（给气比）mt：换气中所用新气总质量；：换气中所用新气总质量；ms：大气状态充满气缸工作容积：大气状态充满气缸工作容积Vs的新气质量；的新气质量；0表示向气缸供给新气的多少。表示向气缸供给新气的多少。扫气效果评价扫气效果评价3、给气效率、给气效率m0：换气后留在缸内的新鲜充量质量；：换气后留在缸内的新鲜充量质量；mt：换气中所用新气总质量；：换气中所用新气总质量；t表示新气损失的多少。表示新气损失的多少。谢谢欣赏