第二章发动机的换气过程课件.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Process in Engine Exchanging Gas 主要内容主要内容第一节第一节 四冲程发动机的换气过程四冲程发动机的换气过程第二节第二节 四冲程发动机的充量系数四冲程发动机的充量系数第三节第三节 提高发动机充量系数的措施提高发动机充量系数的措施第一节第一节 四冲程内燃机的换气过程四冲程内燃机的换气过程排气过程排气过程进气过程进气过程气门叠开和燃烧室扫气过程气门叠开和燃烧室扫气过程 内燃机换气过程概述内燃机换气过程概述 主要学习内容主要学习内容Gas exchange processes in 4 stroke engine第一节第一

2、节 四冲程内燃机的换气过程四冲程内燃机的换气过程Gas exchange processes in 4 stroke engine换气损失概述换气损失概述泵气功与泵气损失泵气功与泵气损失一、换气过程一、换气过程：发动机排出废气和充入新气（空气或可发动机排出废气和充入新气（空气或可燃混合气）的全过程。燃混合气）的全过程。目的：目的：向缸内更换工质，为热功转换做向缸内更换工质，为热功转换做物质准备。物质准备。单位时间进入的充气量是决定发动机输单位时间进入的充气量是决定发动机输出功率的出功率的“量量”的因素。所以换气过程即是的因素。所以换气过程即是发动机工作过程不可缺少的组成部分，也是发动机工作过程

3、不可缺少的组成部分，也是决定发动机动力、经济性能极为重要的环节。决定发动机动力、经济性能极为重要的环节。合理组织换气过程应达到的目的：合理组织换气过程应达到的目的：1 1、保证标定工况和全负荷条件下，吸入尽、保证标定工况和全负荷条件下，吸入尽可能多的充量，以获得更高的输出功率可能多的充量，以获得更高的输出功率和转矩，这就是提高充量系数和转矩，这就是提高充量系数c的问题，的问题，也是换气过程的中心问题。这个问题，也是换气过程的中心问题。这个问题，除涉及稳态特性的分析外，还与整个系除涉及稳态特性的分析外，还与整个系统的动态效应统的动态效应不稳定流动时介质中不稳定流动时介质中的压力波传播紧密相关。的

4、压力波传播紧密相关。2 2、保证多缸机各缸的循环进气量的差异不、保证多缸机各缸的循环进气量的差异不超出应有的范围，以免对整机性能产生超出应有的范围，以免对整机性能产生不利影响。不利影响。3 3、应尽量减小不可避免的换气损失，特别是、应尽量减小不可避免的换气损失，特别是占最大比例的排气损失。占最大比例的排气损失。4 4、进气后在缸内所建立的流场（旋流场与湍、进气后在缸内所建立的流场（旋流场与湍流场），应能满足快速合理燃烧的要求。流场），应能满足快速合理燃烧的要求。自然吸气和增压发动机、四冲程和二冲自然吸气和增压发动机、四冲程和二冲程发动机最主要的差别，就在于换气过程程发动机最主要的差别，就在于换

5、气过程有各自不同的特点。增压发动机是利用各有各自不同的特点。增压发动机是利用各种方法，提高进入缸内的新鲜充量的压力，种方法，提高进入缸内的新鲜充量的压力，增大循环充气量来提高输出功率；二冲程增大循环充气量来提高输出功率；二冲程发动机则是利用扫气方式完成换气过程，发动机则是利用扫气方式完成换气过程，以达到减少不做功的冲程数，提高输出功以达到减少不做功的冲程数，提高输出功率的目的。率的目的。四冲程发动机的换气过程包括四冲程发动机的换气过程包括从排气门开启从排气门开启到进气门关闭到进气门关闭的整个时期。约占的整个时期。约占410410 480 480 曲轴转角。曲轴转角。换气过程可分作换气过程可分作

6、自由排气自由排气、强制排气、进气强制排气、进气和和燃烧室扫气燃烧室扫气四个阶段。四个阶段。换气过程中，至少有一个气门开起，出现了换气过程中，至少有一个气门开起，出现了气流的流动，进、排气系统与气缸组成以大气流的流动，进、排气系统与气缸组成以大气为边界的开式热力系统。在进排气门关闭气为边界的开式热力系统。在进排气门关闭的动力过程中，进、排气管道中仍有气体波的动力过程中，进、排气管道中仍有气体波动，对换气过程有一定影响。动，对换气过程有一定影响。下止点下止点上止点上止点1010353530308080404070700 04040缸压与进排气道压力1、自由排气阶段、自由排气阶段 从排气门开启到气缸

7、压力接近于排气管内压力的从排气门开启到气缸压力接近于排气管内压力的时期，称为时期，称为自由排气阶段自由排气阶段自由排气阶段自由排气阶段。排气提前角排气提前角：从排气门开启到活塞行至下止点：从排气门开启到活塞行至下止点所对应的曲轴转角，一般为所对应的曲轴转角，一般为3080曲轴转角。曲轴转角。2 2、强制排气阶段、强制排气阶段 自由排气阶段结束后，气缸内的废气将被上行自由排气阶段结束后，气缸内的废气将被上行活塞强制推出，这一过程就是活塞强制推出，这一过程就是强制排气阶段强制排气阶段强制排气阶段强制排气阶段。排气迟闭角排气迟闭角：从上止点到排气门完全关闭终了从上止点到排气门完全关闭终了所对应的曲轴

8、转角，一般为所对应的曲轴转角，一般为1010 3535 曲轴转角。曲轴转角。按燃气对活塞的作用：按燃气对活塞的作用：自由排气自由排气和和强制排气强制排气(Blowdown and displacement)按排气流动的性质：按排气流动的性质：超临界超临界流动和流动和亚临界亚临界流动流动(Critical and subcritical flow)超临界状态超临界状态排气的流量只取决于缸内气体状态和排气门有效流通面排气的流量只取决于缸内气体状态和排气门有效流通面积的大小。积的大小。亚临界流动阶段排气的流量不仅与排气门的有效流动截面有关，还亚临界流动阶段排气的流量不仅与排气门的有效流动截面有关，还

9、与缸内和排气管内气体的压差有关。与缸内和排气管内气体的压差有关。排气过程排气过程(EXHAUSTING)(EXHAUSTING)缸内排气压力缸内排气压力 与排气门气门端压力与排气门气门端压力 只要满足只要满足 就会在排气阀喉口出现音速就会在排气阀喉口出现音速流动（流动（）。在自由排气阶段初期，排气门）。在自由排气阶段初期，排气门前后压差约前后压差约0.20.20.5MPa0.5MPa，而排气背压略大，而排气背压略大0.1MPa0.1MPa，所以一般发动机都要经历超临界排气。初期音速所以一般发动机都要经历超临界排气。初期音速500500700m/s700m/s，常伴有刺耳的噪声，是发动机排气噪，

10、常伴有刺耳的噪声，是发动机排气噪声的主要来源。其后是亚临界排气，气门口流速低声的主要来源。其后是亚临界排气，气门口流速低于声速，但仍远高于强制排气的速度。于声速，但仍远高于强制排气的速度。自由排气阶段只占总排气时间的自由排气阶段只占总排气时间的1/31/3左右，同时左右，同时气阀开启流通面积也较小，但因流速高，排气量可达气阀开启流通面积也较小，但因流速高，排气量可达总排气量的总排气量的60%60%以上，也是排气阻力、噪声最大的时期。以上，也是排气阻力、噪声最大的时期。自由排气阶段结束后，缸内压力大大降自由排气阶段结束后，缸内压力大大降低，必须依靠活塞上行强制排气。只一阶低，必须依靠活塞上行强制

11、排气。只一阶段中，缸内与大气或增压涡轮机入口处的段中，缸内与大气或增压涡轮机入口处的平均压差约为平均压差约为0.010.02MPa，时间占到总，时间占到总排气时间的排气时间的2/32/3左右。左右。排气提前角排气提前角(EXHAUST ADVANCING)(EXHAUST ADVANCING)排气门在膨胀冲程到达下止排气门在膨胀冲程到达下止点前的某一曲轴转角位置提前点前的某一曲轴转角位置提前开启的角度。开启的角度。增加排气流通面积（时面值增加排气流通面积（时面值or角面值），角面值），减少排气冲程所消耗的活塞推出功。减少排气冲程所消耗的活塞推出功。作用作用 定义定义气门的角面值为气门口通过面积

12、曲线下面的积分面积。气门的角面值为气门口通过面积曲线下面的积分面积。排气门在上止点后关闭的角度。排气门在上止点后关闭的角度。排气门迟闭角排气门迟闭角(EXHAUST LAG)(EXHAUST LAG)定义定义1.1.避免因排气流动截面积过早减小而造成的排气阻力避免因排气流动截面积过早减小而造成的排气阻力的增加，使缸内的残余废气量增加。的增加，使缸内的残余废气量增加。2.2.利用排气管内气体流动的惯性从气缸内抽吸一部分利用排气管内气体流动的惯性从气缸内抽吸一部分废气，实现过后排气。废气，实现过后排气。3.3.扫气作用。扫气作用。作用作用3 3、进气过程、进气过程从进气门开启到关闭的全过程从进气门

13、开启到关闭的全过程准备进气准备进气：进气提前角一般为进气提前角一般为0 0 4040(CA)(CA)。正常进气正常进气：新鲜气体充入气缸。：新鲜气体充入气缸。惯性进气惯性进气：进气迟闭角一般为进气迟闭角一般为4040 7070(CA)(CA)。由于进气工质克服流动阻力和吸热升温由于进气工质克服流动阻力和吸热升温等影响，缸内进气压力要低于环境或压气等影响，缸内进气压力要低于环境或压气机后压力，由此使实际充量低于理论值。机后压力，由此使实际充量低于理论值。缸内压力呈凹形，初期压力较大是由于活缸内压力呈凹形，初期压力较大是由于活塞下行加速度加大，是真空度加大的结果；塞下行加速度加大，是真空度加大的结

14、果；后期压力上升，则是高速流入气缸的充量后期压力上升，则是高速流入气缸的充量速度滞止，压力局部恢复的缘故，但恢复速度滞止，压力局部恢复的缘故，但恢复的只是小部分，大部分动能变为摩擦热。的只是小部分，大部分动能变为摩擦热。理论上，进气门早开时排气尚未结理论上，进气门早开时排气尚未结束，缸内压力要高于缸外背压，这样会束，缸内压力要高于缸外背压，这样会造成废气倒流入进气管（汽油机回火）。造成废气倒流入进气管（汽油机回火）。但事实上，进气门开启初期流通截面窄但事实上，进气门开启初期流通截面窄小，以及废气倒流也有一定惯性的影响，小，以及废气倒流也有一定惯性的影响，提前角不大时，倒流现象一般不会出现，提前

15、角不大时，倒流现象一般不会出现，更何况排气气流的引流作用，一定程度更何况排气气流的引流作用，一定程度上也会降低缸内进气门附近的静压力。上也会降低缸内进气门附近的静压力。进气提前角进气提前角(INTAKE ADVANCING)(INTAKE ADVANCING)为了增加进入气缸的新鲜充量，为了增加进入气缸的新鲜充量，进气门在吸气上止点前提前开启进气门在吸气上止点前提前开启的角度。的角度。作用作用 定义定义增加进气流通面积（时面值增加进气流通面积（时面值or角面值）角面值）,提高充量系数。提高充量系数。利用在进气过程中形成的利用在进气过程中形成的气流惯性气流惯性，实现向气缸的，实现向气缸的过后充气

16、，增加缸内充量。过后充气，增加缸内充量。进气门迟闭角进气门迟闭角(INTAKE LAG)(INTAKE LAG)为了增加进入气缸的新鲜充量，进气门在吸气下为了增加进入气缸的新鲜充量，进气门在吸气下止点后，推迟关闭的角度。止点后，推迟关闭的角度。作用作用 定义定义4 4、气门重叠和燃烧室扫气过程、气门重叠和燃烧室扫气过程 在排气行程上止点附近出现进、排气门同时开启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，称为的特殊现象，称为气门重叠气门重叠气门重叠气门重叠，相应的角度是气门重，相应的角度是气门重叠角，它是排气迟闭角与叠角，它是排气迟闭角与 进气提前角之和。进气提前角之和。有错有错 利

17、用气流的压差和利用气流的压差和惯性清除残余废气，惯性清除残余废气，增加进气量。一定数增加进气量。一定数量的新鲜充量扫过燃量的新鲜充量扫过燃烧室。烧室。气气门门重重叠叠角角的的选选择择以以新新鲜鲜充充量量不不流流入入排排气气管管为为原原则则，特别是汽油机的新鲜充量是混合燃气特别是汽油机的新鲜充量是混合燃气。自自然然吸吸气气汽汽油油机机进进气气管管为为负负压压，有有回回火火危危险险，所所以以气气门门重重叠叠角角不不能能过过大大（主主要要是是对对进进气气提提前前角角敏敏感感），这这是是汽汽油油机机对对气气门门重重叠叠的的另另一一个个限限制制条条件件，一一般般气气门重叠角均小于门重叠角均小于4 40

18、0(CA)(CA)。自自然然吸吸气气柴柴油油机机可可以以采采用用相相对对较较大大的的气气门门重重叠叠角角，但但过过大大会会造造成成气气门门和和活活塞塞运运动动的的干干涉涉，一一般般气气门门重重叠角在叠角在2020 6060(CA)(CA)。增增压压柴柴油油机机由由于于进进气气压压力力高高于于排排气气背背压压，重重叠叠期期间间出出现现“扫扫气气”，可可扫扫除除更更多多废废气气，降降低低残残余余废废气气系系数数，增增加加充充量量；还还可可冷冷却却排排气气门门、喷喷油油嘴嘴等等高高温温零零件件，降降低低燃燃烧烧室室壁壁温温和和热热负负荷荷。所所以以，气气门门重重叠叠角角一般为一般为8080 1601

19、60(CA)(CA)。扫气作用扫气作用(SCAVEGING)(SCAVEGING)l 有利于有利于扫除缸内的残余废气扫除缸内的残余废气，增加进入气缸，增加进入气缸的新鲜充量。的新鲜充量。l 可用新鲜充量可用新鲜充量降低降低燃烧室内气缸盖、排气门、燃烧室内气缸盖、排气门、活塞顶、缸套的活塞顶、缸套的温度以及排气的温度温度以及排气的温度。尽管带走的热量不多，但对于这些受热尽管带走的热量不多，但对于这些受热严重且冷却困难的关键零件，其效果却严重且冷却困难的关键零件，其效果却是显著的。是显著的。正气门重叠和负气门重叠正气门重叠和负气门重叠POSITIVE&NEGATIVE OVERLAPPOSITIV

20、E&NEGATIVE OVERLAP排气门在上止点前数十度曲轴转角排气门在上止点前数十度曲轴转角就提前关闭，使相当一部分废气不就提前关闭，使相当一部分废气不能排出气缸而成为残余废气。进气能排出气缸而成为残余废气。进气门打开的时间被推迟到上止点后直门打开的时间被推迟到上止点后直至缸内压力下降至大气压至缸内压力下降至大气压 这样进这样进排气阀打开的时间不再重叠，反而排气阀打开的时间不再重叠，反而有相当大的间隔，称为负的气阀重有相当大的间隔，称为负的气阀重叠。叠。负气门重叠负气门重叠(虚线虚线)正气门重叠正气门重叠(实线实线)在上止点进气门和排气门同时开在上止点进气门和排气门同时开启，有利于增加新鲜

21、充量和进行启，有利于增加新鲜充量和进行燃烧室扫气。燃烧室扫气。构成构成 1.1.排气过程损失排气过程损失 膨胀损失膨胀损失+推出损失推出损失 2.2.进气过程损失进气过程损失 二、换气损失二、换气损失 LOST WORK LOST WORK与理论循环相比，实际循环的在换气过程中所产生与理论循环相比，实际循环的在换气过程中所产生的功的损失。的功的损失。定义定义一）、自然吸气内燃机的换气过程一）、自然吸气内燃机的换气过程 Gas exchanging Process in Natural Aspired Engine Gas exchanging Process in Natural Aspire

22、d Engine 理论循环换气过程：理论循环换气过程：l排气门在下止点打开，没有排气门在下止点打开，没有膨胀损失膨胀损失l进排气行程缸内压力与大气进排气行程缸内压力与大气压力相等，因而也没有泵气压力相等，因而也没有泵气损失。损失。实际循环换气过程：实际循环换气过程：1.1.膨胀损失膨胀损失W W 2.2.推出损失推出损失X X 3.3.吸气损失吸气损失Y Y自然吸气内燃机实际换气过程自然吸气内燃机实际换气过程换气损失概述换气损失概述 INTRODUCTION INTRODUCTION理论换气过程：理论换气过程：l排气门在下止点打开，没有膨胀损失排气门在下止点打开，没有膨胀损失l排气行程沿排气行

23、程沿p pT T,进气行程沿进气行程沿p pb bl换气过程获得矩形面积所示的功。换气过程获得矩形面积所示的功。实际换气过程实际换气过程：l换气损失为面积换气损失为面积 W+X+YW+X+Yl换气过程所获得的换气功为矩形的面换气过程所获得的换气功为矩形的面积与换气损失之差。积与换气损失之差。l换气功小于理论换气功值。换气功小于理论换气功值。二）、增压内燃机的换气过程二）、增压内燃机的换气过程 Gas exchanging Process in Supercharged Engine一）排气损失一）排气损失定定义义:从从排排气气门门提提前前开开启启，直直到到进进气气行行程程开开始始、缸缸内内压压

24、力力到到达达大大气气压压力力之之前前,所损失的循环功。所损失的循环功。构成构成:a.自自由由排排气气损损失失W W：由由于于排排气气门门提提前前打打开开而而引引起起的膨胀功的减少。的膨胀功的减少。b.强强制制排排气气损损失失Y Y：活活塞塞上上行行强强制制推推出出废废气气所所消消耗的功。耗的功。膨胀损失膨胀损失 （EXPANSION WORK LOSSEXPANSION WORK LOSS）从排气门提前开启到下止点这一时期，由于提前从排气门提前开启到下止点这一时期，由于提前排气造成了缸内压力下降，使膨胀功减少排气造成了缸内压力下降，使膨胀功减少.推出功损失推出功损失(DISPLACEMENT

25、WORK)(DISPLACEMENT WORK)活塞由下止点向上止点的强制排气行程所消耗的功。活塞由下止点向上止点的强制排气行程所消耗的功。排气损失排气损失(DISCHARGING LOSSES)(DISCHARGING LOSSES)膨胀损失和推出损失二者之和。膨胀损失和推出损失二者之和。二）进气损失二）进气损失X进气损失进气损失主要是指进主要是指进气过程中，因进气系统气过程中，因进气系统的阻力引起的功的损失的阻力引起的功的损失（汽缸压力低于大气压（汽缸压力低于大气压力），与排气损失相比力），与排气损失相比进气损失较进气损失较小小。合理调整配气定时，加大进气门的流通截面、合理调整配气定时，加

26、大进气门的流通截面、正确设计进气管及进气道的流动路径以及降正确设计进气管及进气道的流动路径以及降低活塞平均速度等低活塞平均速度等，都会使进气损失减少。，都会使进气损失减少。进气损失（进气损失（INTAKING LOSSINTAKING LOSS）由于进气道、进气门等处存在流动阻力损失，在大部分曲由于进气道、进气门等处存在流动阻力损失，在大部分曲轴转角内发动机的缸内压力低于大气压力线（图轴转角内发动机的缸内压力低于大气压力线（图b b）或增压）或增压压力线（图压力线（图d d），从而造成循环有用功的减少。），从而造成循环有用功的减少。换气损失随内燃机转速的变化换气损失随内燃机转速的变化 1.1.

27、进气损失明显小于排气损失。进气损失明显小于排气损失。2.2.进气损失影响充量系数，因而对发动机的性能影响更大。进气损失影响充量系数，因而对发动机的性能影响更大。与排气过程不同的是，进气损失不仅体观与排气过程不同的是，进气损失不仅体观在在进气过程所消耗的功上，进气过程所消耗的功上，更重要的是体更重要的是体现在进气过程中现在进气过程中所吸人新鲜充量的多少上，所吸人新鲜充量的多少上，因为前者对于内燃机的因为前者对于内燃机的热效率乃至功率热效率乃至功率影影响不大，而后者对响不大，而后者对内燃机性能内燃机性能有显著的影有显著的影响。响。排气损失与进气损失排气损失与进气损失之和称为之和称为换气损失换气损失

28、(W十十Y十十X)。泵气损失泵气损失（X+Y-uX+Y-u）：）：在实际循环示功图中在实际循环示功图中把面积把面积(x+y-u u)相当相当的负功称为泵气损失。的负功称为泵气损失。这部分损失放在这部分损失放在机械机械损失损失中加以考虑。中加以考虑。在下止点后某一曲轴转角为在下止点后某一曲轴转角为止，缸内废气压力仍然大于止，缸内废气压力仍然大于排气背压，废气靠自身压力排气背压，废气靠自身压力与排气背压之差自动排气，与排气背压之差自动排气，类似进气时也存在，这就是类似进气时也存在，这就是u。进、排气相位角的选择原则进、排气相位角的选择原则 进气提前角、进气迟闭角、排气提前角、进气提前角、进气迟闭角

29、、排气提前角、排气迟闭角的取值关系到增大进气充量、排气迟闭角的取值关系到增大进气充量、减小换气损失和阻力等性能的优化。减小换气损失和阻力等性能的优化。1 1、排气提前角、排气提前角排气提前角对排气损失的影响（左图）排气提前角对排气损失的影响（左图）从图从图2-42-4可以看出，可以看出，W W与与Y Y呈负相关关系。如排气提呈负相关关系。如排气提前角增大，前角增大，W W增大，而增大，而Y Y减少，反之亦然。因此减少，反之亦然。因此任任何工况都存在一个排气损失对小的最佳排气提前何工况都存在一个排气损失对小的最佳排气提前角，即角，即应选择排气提前角使应选择排气提前角使W+YW+Y之和最小之和最小

30、。转速对排气损失的影响（右图）转速对排气损失的影响（右图）EFFECTS ON EXCHANGING LOSSESEFFECTS ON EXCHANGING LOSSES 发动机的发动机的转速增加，相同的排气提前角所对应的排气时间就变短转速增加，相同的排气提前角所对应的排气时间就变短，通过排气门排出的废气量减少，膨胀损失减少，但缸内压力水平提高，通过排气门排出的废气量减少，膨胀损失减少，但缸内压力水平提高，因而活塞推出损失大大增加。导致总的排气损失加大。因而活塞推出损失大大增加。导致总的排气损失加大。排气损失约占总换气损失的排气损失约占总换气损失的75%75%80%80%。合理选择排气提前角对

31、减小泵气损失有合理选择排气提前角对减小泵气损失有较大意义，对充量系数的影响不大。较大意义，对充量系数的影响不大。随着转速的上升，最佳排气提前角也要随着转速的上升，最佳排气提前角也要相应加大。相应加大。2 2、各工况的排气迟闭角也有最佳值：、各工况的排气迟闭角也有最佳值：过小，惯性排气利用不足；过大，因活过小，惯性排气利用不足；过大，因活塞下行较多，缸内压力小于缸外背压而塞下行较多，缸内压力小于缸外背压而使废气倒流回缸内。最佳排气迟闭角也使废气倒流回缸内。最佳排气迟闭角也将随转速上升而加大。将随转速上升而加大。3 3、进气提前角也有最佳值：过大会回火；、进气提前角也有最佳值：过大会回火；过小进气

32、不足。随着转速上升，最佳进气提过小进气不足。随着转速上升，最佳进气提前角也应加大。前角也应加大。4 4、进气迟闭角也有最佳值：过小不能充分、进气迟闭角也有最佳值：过小不能充分利用惯性；过大则又可能把已冲入缸内的新利用惯性；过大则又可能把已冲入缸内的新气推回进气管中。最佳进气迟闭角也随转速气推回进气管中。最佳进气迟闭角也随转速上升而加大。上升而加大。进、排气的四个相位角各有其功能及最进、排气的四个相位角各有其功能及最佳值，其中进气迟闭角和排气提前角最为关佳值，其中进气迟闭角和排气提前角最为关键，前者对进气充量影响最大，后者对换气键，前者对进气充量影响最大，后者对换气损失影响最大。损失影响最大。第

33、二节第二节 四冲程发动机的充量系数四冲程发动机的充量系数合理组织换气过程的目的是尽量排净废气，合理组织换气过程的目的是尽量排净废气，最大限度充入新气（空气或可燃混合气），最大限度充入新气（空气或可燃混合气），以获得更高的输出功率和转矩，减少换气以获得更高的输出功率和转矩，减少换气损失，完善燃烧，提高效率。损失，完善燃烧，提高效率。评价发动机的换气质量，可用评价发动机的换气质量，可用充量系数充量系数(充量效率、容积效率充量效率、容积效率)、残余废气系数残余废气系数来来衡量。衡量。一、一、充量系数充量系数c充气效率（充气效率（）定义定义：内燃机每缸每循环实际进入气缸的新内燃机每缸每循环实际进入气缸

34、的新鲜空气质量与进气状态下理论计算充满气缸鲜空气质量与进气状态下理论计算充满气缸工作容积的空气质量比值。工作容积的空气质量比值。进气状态：进气状态：指指空气滤清器后进气管内的气体空气滤清器后进气管内的气体状态状态，即，即进入气缸前气体的热力学状态，如进入气缸前气体的热力学状态，如温度与压力等。温度与压力等。非增压：通常取为非增压：通常取为当地的大气状态当地的大气状态。增增 压：增压器压：增压器出口状态出口状态。式中式中：ma 实际进入气缸的新鲜空气质量实际进入气缸的新鲜空气质量ms 进气状态下理论计算充满气缸工作容进气状态下理论计算充满气缸工作容 积的空气质量积的空气质量V Vs s 气缸工作

35、容积气缸工作容积 进气状态的空气密度进气状态的空气密度1充量系数充量系数书上另用了书上另用了V1 -进气状态下实际进入气缸的新鲜进气状态下实际进入气缸的新鲜空气所占的体积空气所占的体积 充量系数描述每循环新鲜充量吸入气缸充量系数描述每循环新鲜充量吸入气缸的能力，所以其大小直接影响到发动机的能力，所以其大小直接影响到发动机的动力性。的动力性。注意：有的书和文献充量系数的定义不注意：有的书和文献充量系数的定义不同，为：每缸每循环吸入缸内的工质质同，为：每缸每循环吸入缸内的工质质量与理论工质质量的比值。对于汽油机量与理论工质质量的比值。对于汽油机由于工质中含有燃油分子所以数值是不由于工质中含有燃油分

36、子所以数值是不同的。且这时工质的容积还与混合比、同的。且这时工质的容积还与混合比、燃料分子热物性参数有关系，不易计算。燃料分子热物性参数有关系，不易计算。一般非增压发动机在全负荷时的一般非增压发动机在全负荷时的c c汽油机汽油机顶置气门：顶置气门：0.750.85侧置气门：侧置气门：0.700.80柴油机柴油机0.750.90残余废气系数残余废气系数 残余废气系数是进气过程结束时残余废气系数是进气过程结束时缸内残余废气量与进入气缸中新鲜空缸内残余废气量与进入气缸中新鲜空气的比值。（也要注意定义的差异）气的比值。（也要注意定义的差异）充量系数、残余废气系数解析式充量系数、残余废气系数解析式（下标

37、（下标 ,分别代表大气和缸内进、排气门关闭分别代表大气和缸内进、排气门关闭点的压力温度和气体常数，点的压力温度和气体常数，为进、排气门为进、排气门晚关系数，引入第四章过量空气系数的概念，晚关系数，引入第四章过量空气系数的概念，为混和气的空气量比例系数）为混和气的空气量比例系数）二、影响充气效率的因素二、影响充气效率的因素:1进气终了时缸内压力进气终了时缸内压力 pa pa对对c c有重要影响，有重要影响，pa愈高，愈高，c c值愈大值愈大 pa=pspa式式中中，ps为为环环境境压压力力；pa为为气气体体流流动动时时，克克服服进进气系统阻力而引起的压降气系统阻力而引起的压降(kPa)。影响充量

38、系数的因素有进气的状态、进气终了影响充量系数的因素有进气的状态、进气终了的气缸压力和温度、残余废气系数、压缩比及进的气缸压力和温度、残余废气系数、压缩比及进排气相位角等。排气相位角等。图图-4不同节气门开度、不同转速时的进气终了气体压力不同节气门开度、不同转速时的进气终了气体压力进气系统阻力进气系统阻力 Intake flow resistance Intake flow resistance 由于进气的管道粗短，壁面比较光滑，其沿程阻力并由于进气的管道粗短，壁面比较光滑，其沿程阻力并不大。因而不大。因而局部阻力损失是流动过程中的主要损失局部阻力损失是流动过程中的主要损失。它。它由一系列的局部

39、阻力叠加而成。由一系列的局部阻力叠加而成。沿程阻力沿程阻力管道摩擦阻力，它与流速、管长、管壁表面管道摩擦阻力，它与流速、管长、管壁表面质量等有关。质量等有关。局部阻力局部阻力由流通截面大小、形状以及流动方向的变化由流通截面大小、形状以及流动方向的变化造成局部产生涡流所引起的损失。造成局部产生涡流所引起的损失。进气门座处进气门座处是进气流道中截面积最小、流速最高的地方，是进气流道中截面积最小、流速最高的地方，因而该处的局部因而该处的局部阻力最大阻力最大。，为进气流量系数和流速，为进气流量系数和流速，A A为流通面积为流通面积 为阻力系数为阻力系数，为进气密度为进气密度 局部阻力损失局部阻力损失一

40、般可写成一般可写成 式中式中 管道阻力系数；管道阻力系数；进气状态下气体的密度；进气状态下气体的密度；v管道内气体的流速（管道内气体的流速（m/s）。）。可见，可见，pa主要取决于各段管道的阻力主要取决于各段管道的阻力系数和气体流速。若系数和气体流速。若 大、大、v高时，高时，pa增加，增加，使使 pa下降。下降。1）管道阻力系数）管道阻力系数进气管长度越长、管道内表面越粗糙阻力大，进气管长度越长、管道内表面越粗糙阻力大，管道阻力系数越大。管道阻力系数越大。2）管道内气体的流速）管道内气体的流速发动机高速运转，气体流速增加，发动机高速运转，气体流速增加，pa明显明显加大，引起加大，引起 pa下

41、降。下降。实际进气是动态过程，进气流动压差实际进气是动态过程，进气流动压差P Pa a的影的影响十分复杂。响十分复杂。Pa随转速平方而上升。随转速平方而上升。（汽油机挂档节气门不变下坡）（汽油机挂档节气门不变下坡）进气门口以及进气道中较强旋流产生的压降进气门口以及进气道中较强旋流产生的压降所占份额较大。所占份额较大。对于化油器及电控单点汽油喷射式发动机，进对于化油器及电控单点汽油喷射式发动机，进气系统还对管壁油膜气化和各缸油量均匀分配有气系统还对管壁油膜气化和各缸油量均匀分配有较大影响。一般情况下，降低流动阻力和加速油较大影响。一般情况下，降低流动阻力和加速油膜气化的措施往往有矛盾。需要折中处

42、理。膜气化的措施往往有矛盾。需要折中处理。要加强进气道产生的旋流强度，必然与降低阻要加强进气道产生的旋流强度，必然与降低阻力有矛盾，应在基本满足进气旋流要求的前提下，力有矛盾，应在基本满足进气旋流要求的前提下，尽可能降低气道的阻力。尽可能降低气道的阻力。涡流比涡流比为缸内旋流转速和发动机转为缸内旋流转速和发动机转速之比（假定缸内气流绕轴线作刚性旋转）速之比（假定缸内气流绕轴线作刚性旋转）。流通系数流通系数C CF F是实际流率与理论流率（无是实际流率与理论流率（无气门阻隔，无摩擦时的理论值）之比，表气门阻隔，无摩擦时的理论值）之比，表示气道的流通能力。示气道的流通能力。涡流比与流通系数是一对矛

43、盾。涡流比与流通系数是一对矛盾。2进气终了的温度进气终了的温度Ta Ta高高于于进进气气状状态态温温度度，Ta越越高高，充充入入气气缸缸的的工质密度越小，工质密度越小，c c值愈低。值愈低。引起引起Ta升高的原因是升高的原因是:1）新鲜工质进入发动机与高温零件接触而）新鲜工质进入发动机与高温零件接触而 被加热。被加热。2）新鲜工质与高温残余废气混合而被加热。）新鲜工质与高温残余废气混合而被加热。在进气过程中，进入气缸的新鲜充量在进气过程中，进入气缸的新鲜充量不可避免地被各种高温表面加热，从而导不可避免地被各种高温表面加热，从而导致温度升高，使缸内进气密度下降，致温度升高，使缸内进气密度下降，充

44、量充量系数减小系数减小 。进气温升主要受发动机的结进气温升主要受发动机的结构与运行参数的影响，如进气管结构、发构与运行参数的影响，如进气管结构、发动机转速、负荷、冷却水温度及冷却水道动机转速、负荷、冷却水温度及冷却水道设计等。为提高充量系数，应尽量减少对设计等。为提高充量系数，应尽量减少对进气的加热。进气的加热。进气温升由四项组成：进气被缸内高温壁进气温升由四项组成：进气被缸内高温壁面和零部件加热；进气压力损失变为摩擦热；面和零部件加热；进气压力损失变为摩擦热；进气被残余废气加热；燃料气化吸收潜热导致进气被残余废气加热；燃料气化吸收潜热导致温度变化。温度变化。一般而言第一项影响最大，其规律是：

45、转速一般而言第一项影响最大，其规律是：转速愈低，则每循环传热时间愈长，温升愈高；负愈低，则每循环传热时间愈长，温升愈高；负荷愈高，缸壁温度愈高，温升也愈高。对于增荷愈高，缸壁温度愈高，温升也愈高。对于增压机型，由于进气温度上升，缩小了与壁面的压机型，由于进气温度上升，缩小了与壁面的温差，再加上进气充量增多等原因，单位工质温差，再加上进气充量增多等原因，单位工质的温升反而比自然吸气小。的温升反而比自然吸气小。转速和负荷对转速和负荷对Ta的影响的影响 1）转转速速：当当负负荷荷不不变变而而转转速速增增加加时时，由由于于新新鲜鲜工工质质与与缸缸壁壁等等接接触触时时间间短短，传传热热量量少少，所所以以

46、Ta稍有下降。稍有下降。2）负负荷荷：当当转转速速不不变变而而增增加加发发动动机机负负荷荷时时，缸壁等零件温度升高，缸壁等零件温度升高，Ta有所上升。有所上升。措施：措施：将将高高温温排排气气管管与与进进气气管管分分置置于于气气缸缸两两侧侧，控控制制进进气气预预热热，适适当当加加大大气气门门叠叠开开角角等等，降降低低Ta。3.残余废气系数残余废气系数r r 和压缩比和压缩比c 残余废气系数对残余废气系数对c的影响：一是残余废气占有的影响：一是残余废气占有一定的气缸容积，二是残余废气温度高，对进入气一定的气缸容积，二是残余废气温度高，对进入气缸的新鲜气体具有加热作用，使进气密度降低。缸的新鲜气体

47、具有加热作用，使进气密度降低。r 增加，增加，c降低，且燃烧恶化，热效率降低，油耗、降低，且燃烧恶化，热效率降低，油耗、排放增加。排放增加。1）气门重叠度大，）气门重叠度大，r下降；下降；2）压缩比压缩比c提高，余隙容积减小提高，余隙容积减小,残余废气量随残余废气量随之减小之减小,r 下降下降；3）排气终了压力高，阻碍进气过程，且残余废）排气终了压力高，阻碍进气过程，且残余废气密度大，废气多，气密度大，废气多，r 增加，增加，c降低。降低。5.进气状态进气状态进气温度升高，进气压力下降均会使进入气进气温度升高，进气压力下降均会使进入气缸充量的密度减小，绝对进气量减少，但充量缸充量的密度减小，绝

48、对进气量减少，但充量系数是在同一状态下的相对值，故影响不大。系数是在同一状态下的相对值，故影响不大。4 4进排气相位角进排气相位角 由于进气门迟闭而由于进气门迟闭而1 1（进气门迟闭时（进气门迟闭时气缸容积与气缸容积与V Va a之比）之比）,新鲜充量的容积减小新鲜充量的容积减小,但但 pa值却可能因有气流惯性而使进气有所增加值却可能因有气流惯性而使进气有所增加,合适的配气定时应考虑合适的配气定时应考虑pa具有最大值（配气具有最大值（配气定时）。排气晚关角对充量系数影响相对较小，定时）。排气晚关角对充量系数影响相对较小，所以关注进气系统。所以关注进气系统。进、排气迟闭角中，进气迟闭角对进、排气

49、迟闭角中，进气迟闭角对c c的影的影响更大。响更大。排气压力升高、温度下降会加大排气阻排气压力升高、温度下降会加大排气阻力及废气密度使残余废气系数下降，间接使力及废气密度使残余废气系数下降，间接使c c下降，但与进气压力和温度的影响相比小下降，但与进气压力和温度的影响相比小得多。得多。压缩比增加，参与废气系数下降，压缩比增加，参与废气系数下降，对对c c有利。有利。进气状态是定义进气状态是定义c c的基准参数，其的基准参数，其改变对改变对c c影响不大，但影响不大，但p ps s上升和上升和T Ts s下下降，会增加充气量，有利于功率输出，降，会增加充气量，有利于功率输出，这正是增压和增压中冷

50、的出发点。这正是增压和增压中冷的出发点。燃料气化，燃料气化，对汽油机影响不到对汽油机影响不到2%2%，对天然气发动机影响可达对天然气发动机影响可达5%5%。采采用用增增压压中中冷冷技技术术，可可直直接接提提高高进进气气密密度度，是是改改善善车车用用发发动动机机动动力力性性能能的的有有效效措施。措施。另另采采用用可可变变进进气气管管控控制制措措施施，在在高高速速时时，缩缩短短进进气气管管长长度度，对对改改善善高高速速充充气气效效率率有明显效果。有明显效果。结论结论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。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。排气终