《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 第二章发动机的换气过程 燃烧是做功之本 燃烧需要空气与燃料。 重量比容积比 燃料1 液态 空气15 1000气态 燃料受机械控制,容易加入。而汽缸容积就那么大,要想多加空气就要困 难得多。因此,对发动机换气过程的研究就显得尤为重要了 §2-1四冲程发动机的换气过程 上止点 配气定时 气提前角 排气迟闭角 与工程热力学中介绍的不同,进排 气门的开启、关闭也需要时间,故 在下止点前排气一排气提前角40°~80 气门叠开角 在上止点后关闭一排气迟闭角10°~35° 在上止点前吸气一进气提前角0°~40° 在下止点后关闭一进气迟闭角40°~80° 进气提前角+排气迟闭角一气门叠开角 进气迟闭角 排气提前角 二换气过程 下止点 (一)排气过程 1自由排气阶段A 排开p>p→p=p 靠缸内压力将气体挤出气缸,其中 B p-缸内压力,p-排气管内压力 p C D 2强制排气阶段B p=p→>p≤p 靠活塞上行将废气挤出气缸。 p 3超临界排气C 排开→p=1.9p 在气阀最小截面处,气体流速等于该地 音速a=√ kRT m/s。其流量与压差 (p-p3)无关,只决定于排气阀开启面 积和气体状态 4亚临界排气D p=19p→排闭。 其流量取决于压差(p-p')
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 ― 22 ― 第二章 发动机的换气过程 燃烧是做功之本。 燃烧需要空气与燃料。 重量比 容积比 燃料 1 1 液态 空气 15 1000 气态 燃料受机械控制，容易加入。而汽缸容积就那么大，要想多加空气就要困 难得多。因此，对发动机换气过程的研究就显得尤为重要了。 §2-1 四冲程发动机的换气过程 一 配气定时 与工程热力学中介绍的不同, 进排 气门的开启、关闭也需要时间, 故 在下止点前排气－排气提前角 40～80 在上止点后关闭－排气迟闭角 10～35 在上止点前吸气－进气提前角 0～40 在下止点后关闭－进气迟闭角 40～80 进气提前角+排气迟闭角－气门叠开角 二 换气过程 （一） 排气过程 1 自由排气阶段 A 排开 p >>p’ → p = p’ 靠缸内压力将气体挤出气缸，其中 p－缸内压力, p’－排气管内压力。 2 强制排气阶段 B p = p’ → p p’ 靠活塞上行将废气挤出气缸。 3 超临界排气 C 排开 → p = 1.9 p’ 在气阀最小截面处, 气体流速等于该地 音速 a = kRT m/s。其流量与压差 （p - p’）无关, 只决定于排气阀开启面 积和气体状态。 4 亚临界排气 D p = 1.9 p’ → 排闭。 其流量取决于压差 （p - p’）
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 (二)进气过程和气门叠开角 由于节流作用,缸内产生负压;(P-p)使新鲜介质进入缸内。 气阀叠开角:非增压:20°~60°CA。 太大(引起)→废气回流进气道。 太小→扫气作用不明显 增压:110°~140°CA。 进气管p↑,扫气明显,气阀叠开角可以增大很多。如6135 型高柴:非增压:40°,增压:124° 扫气的作用: 1清除废气,增加气缸内的新鲜充量 2降低排气温度 3降低热负荷最严重处(如气阀、活塞等)的温p 度 三换气损失 理论循环换气功与实际循环换气功之差。 如图:换气损失功-X+(Y+W),其中(W+Y) 为排气损失功,Ⅹ为进气损失功。 (一)排气损失功Y W是因排气门提前开启而损失的膨胀功, 称为自由排气损失。Y是活塞作用在废气上的推 出功,称为强制排气损失功。 排气提前角↑→w个,y↓ 综合效果,要求(Y+W)J,故(W+Y)有一个最佳值(W+Y)mn。对 排气提前角亦有一个最佳值,n个→(W+Y)m↑。 (二)进气损失功X 进气损失功小于排气损失功,即X<Y (三)泵气损失功(X+Y-D) 在实际示功图中,把(W+d)归到指示功中考虑。而把泵气损失功(Ⅹ+Y-d) 归到机械损失中考虑 §2-2四冲程发动机的充气效率 一充气效率 (一)定义 为比较不同大小、不同类型发动机的充气品质和换气过程的完善程度,不受 气缸工作容积V的影响,引入充气效率7,的概念。 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容积的新鲜充量。二者之比称为充气效率y,即
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 ― 23 ― （二） 进气过程和气门叠开角 由于节流作用, 缸内产生负压；（ p0 − p ）使新鲜介质进入缸内。 气阀叠开角：非增压：20～60 CA。 太大（引起） → 废气回流进气道。 太小 → 扫气作用不明显。 增压：110～140CA。 进气管 p, 扫气明显, 气阀叠开角可以增大很多。如 6135 型高柴：非增压：40, 增压：124。 扫气的作用： 1 清除废气, 增加气缸内的新鲜充量。 2 降低排气温度。 3 降低热负荷最严重处（如气阀、活塞等）的温 度。 三 换气损失 理论循环换气功与实际循环换气功之差。 如图：换气损失功－X+（Y+W）, 其中（W+Y） 为排气损失功，X 为进气损失功。 （一） 排气损失功 Y W 是因排气门提前开启而损失的膨胀功, 称为自由排气损失。Y 是活塞作用在废气上的推 出功, 称为强制排气损失功。 排气提前角→ W，Y 。 综合效果, 要求（Y+W）, 故（W+Y）有一个最佳值（W+Y）min 。对应 排气提前角亦有一个最佳值, n → （W+Y）min 。 （二） 进气损失功 X 进气损失功小于排气损失功，即 X < Y （三） 泵气损失功 （X+Y-D） 在实际示功图中, 把（W+d）归到指示功中考虑。而把泵气损失功（X+Y-d） 归到机械损失中考虑。 §2-2 四冲程发动机的充气效率 一 充气效率 （一） 定义 为比较不同大小、不同类型发动机的充气品质和换气过程的完善程度, 不受 气缸工作容积 Vh 的影响, 引入充气效率 v 的概念。 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容积的新鲜充量。二者之比称为充气效率 v , 即
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 实际进入汽缸的新鲜充量 进气状态下充满汽缸工作容积的新鲜充量 △G△mV1 △GnA 其中:△G,Mm,V1一实际充量的重量,质量和体积; ΔG0,△mb,V1一理论充量的重量,质量和体积; 进气状态: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。 增压:增压器出口状态。 严格地说,充气效率应为 实际进入汽缸的新鲜充量 7 以标准大气状态充满汽缸工作容积的新鲜充量 更合理。这样,在后面将要讲到的大气修正中,不同的压力和温度下进气量的 比值就等于其充气效率之比。否则,按照前头的定义式,大气温度越高,充气 效率反而会越高,讲起来似乎无法接受。而且也不具备可比性。 (二)实际测量 77= 实际流量 理论流量 其中:V1一实际测量[m3h] Vh[LI. n 60=0031hin[m3/h 充气效率是衡量换气过程进行得完善程度的重要指标。 柴油机0.75~0.90 汽油机0.70~0.85 二充气效率的分析式 充入汽缸的新鲜充量=缸內气体的总质量一缸內残余废气质量 (一)进气门关闭时缸内气体的总质量 ma=(chp 其中V一余隙容积;Vh一进气门关闭时缸内工作容积; 进气终了缸内气体密度 (二)排气门关闭时缸内残余废气的质量 m 其中V一排气门关闭时缸内容积;卩一排气门关闭时缸内残余废气密度
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 ― 24 ― v = 实际进入汽缸的新鲜充量 进气状态下充满汽缸工作容积的新鲜充量 v h G G m m V V = = 0 0 1 其中： G, m,V1 －实际充量的重量，质量和体积； G0 m0 V1 , , －理论充量的重量，质量和体积； 进气状态：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。 增 压：增压器出口状态。 严格地说，充气效率应为 v = 实际进入汽缸的新鲜充量 以标准大气状态充满汽缸工作容积的新鲜充量 更合理。这样，在后面将要讲到的大气修正中，不同的压力和温度下进气量的 比值就等于其充气效率之比。否则，按照前头的定义式，大气温度越高，充气 效率反而会越高，讲起来似乎无法接受。而且也不具备可比性。 （二） 实际测量 v h V V = 1 ' ' 理论流量 实际流量 = 其中： V1 ' －实际测量 [ m 3 /h ] V V L i n h V i n m h h h ' [ ] = = . [ / ] 1000 2 60 0 03 3 充气效率是衡量换气过程进行得完善程度的重要指标。 柴油机 0.75～0.90 汽油机 0.70～0.85 二 充气效率的分析式 充入汽缸的新鲜充量 = 缸内气体的总质量－缸内残余废气质量 （一） 进气门关闭时缸内气体的总质量 ma = Vc +Vh a ( ) ' 其中 Vc －余隙容积； Vh ' －进气门关闭时缸内工作容积； a －进气终了缸内气体密度。 （二） 排气门关闭时缸内残余废气的质量 mr =Vr r 其中 Vr －排气门关闭时缸内容积； r －排气门关闭时缸内残余废气密度
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 (三)充入汽缸的新鲜充量 n,hPo=(c+npa-vrp 其中o-大气状态下气体密度。 (四)充气效率的分析式 △m(c+Vh)a-Hrp nv-△mo hpo +Vh 其中1+=E-压缩比、NEm,个。 7的分析式为定性分析7n的影响因素提供了依据。 §23影响充气效率的各种因素 进气终了压力p (一)进气阻力△pa Pa=Po-△p 7r ΔPa对Pan的影响最大。进气系统的沿程阻力和局部阻力均会使△pan增大 (二)转速 n↑→△pa个个→pa→ (三)负荷 汽油机:负荷↑→节气们开度↑(质调节)→△pa4→Pa↑→7n个
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 ― 25 ― （三） 充入汽缸的新鲜充量 vVh 0 = Vc +Vh a −Vr r ( ) ' 其中 0 －大气状态下气体密度。 （四） 充气效率的分析式 v m m = 0 = ( + ) − ' V V V V c h a r r h 0 = + − V V V V V V V c h c a r c r h c ' 0 其中 1+ = V V h c －压缩比； 1+ = V V h c e ' －有效压缩比； Vr Vc。 一般 e = (0.8～0.9) 。若假设 e = ，有 v a r = − ( − 1) 0 带入理想气体状态方程式，得 v a a r r T p p T p T = − − 1 1 0 0 其中 p0 , T0 －大气压力和温度； pa , Ta －进气终了时缸内的压力和温度； pr , Tr －排气终了时残余废气的压力和温度。 pa, Ta → v ； pr, Tr → v 。 v 的分析式为定性分析 v 的影响因素提供了依据。 §2-3 影响充气效率的各种因素 一 进气终了压力 pa （一） 进气阻力 pa pa = p0 − pa pa → pa → v pa 对 pa 的影响最大。进气系统的沿程阻力和局部阻力均会使 pa 增大。 （二） 转速 n → pa → pa → v （三） 负荷 汽油机：负荷 → 节气们开度 （质调节） → pa → pa → v
柴油机:负荷↑→循环供油量↑(量调节)(与无关y曹建明 《发动机原理》 长安大学汽车学院 热负荷↑→T↑→m(不大) P n 100% 65% 25%40% 汽油机 柴油机 二进气终了温度T T↑→ (一)转速 负荷一定:n↑→n→n,个 综合Pa、T的影响,n↑→m (二)负荷 转速一定:负荷↑→热负荷↑→T↑→mn↓ 柴油机:进、排气管分置。 避免排气管对进气管加热,使T↓→个 汽油机:进、排气管同置 虽然↑→刀n,但燃油受热增发快,可以改善混合气形成 三排气终了压力p p↑→残余废气量↑→ Pn∝排气门处的阻力∝n2,所以 n↑→p↑→m1(影响较小) 四排气终了温度T T↑→>mn个 五压缩比ε 77 7公式仅为定性分析用的,是粗略的。还有许多因素未予考虑。如:压力 升高比λ,绝热指数k,进气马赫数Ma,热传输和过量空气系数α等
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 ― 26 ― 柴油机：负荷 → 循环供油量 （量调节）（与 pa 无关） → 热负荷 → Ta → v （不大） 二 进气终了温度 Ta Ta → a → v （一） 转速 负荷一定：n→ Ta →v 综合 pa 、Ta 的影响， n → v 。 （二） 负荷 转速一定：负荷 → 热负荷 → Ta → v 柴油机：进、排气管分置。 避免排气管对进气管加热，使 Ta → v 汽油机：进、排气管同置。 虽然 Ta → v ，但燃油受热增发快，可以改善混合气形成。 三 排气终了压力 pr pr → 残余废气量→ v pr 排气门处的阻力 n 2 ，所以 n → pr → v （影响较小） 四 排气终了温度 Tr Tr → v 五 压缩比 → v v 公式仅为定性分析用的，是粗略的。还有许多因素未予考虑。如：压力 升高比，绝热指数 k，进气马赫数 Ma，热传输和过量空气系数等
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 §2-4提高充气效率的措施 减小进气系统阻力 沿程阻力,局部阻力(节流阻力)。 汽油机:空气滤清器→>化油器→进气管→进气道进气门 柴油机:空气滤清器→进气管→进气道→>进气门 减小流动阻力 (一)进气门 1进气门直径d进 一般进气门流通面积=020~025 活塞顶面积 d进↑→pa个→m,个(影响大) d排↑→p,4→>n个(影响小) 一般:d进>d排 2四气门 流通面积f1↑40%左右。但结构复杂,造价较高 f1个个→7n个个→N个1(可达30%),g 3气门升程h h,时面值↑→个 4阀顶过渡圆角R R个1→f1↓→mn↓ R↓→流动阻力个→nn↓ R R应适中。 (二)进气管 1表面光洁度和流通面积 表面光洁度↑,流通面积个→沿程阻力↓→η,个 2转弯和节流阻力 转弯半径R↑,截面突变↓→>个 3截面形状 考虑汽油机的雾化,蒸发,则 管壁面积↑→沉积↑→蒸发↓→混合气分配不均匀 截面形状圆形矩形D形 流动阻力 底部蒸发 大中 中 大 柴油机不存在底部蒸发问题,故多采用流动阻力小的圆形进气管 (三)进气道 转弯半径R↑,表面光洁度个,各管口与垫片孔口对中→流动阻力↓→>刀n个
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 ― 27 ― §2-4 提高充气效率的措施 减小进气系统阻力。 沿程阻力，局部阻力（节流阻力）。 汽油机：空气滤清器 → 化油器 → 进气管 → 进气道 → 进气门 柴油机：空气滤清器 → 进气管 → 进气道 → 进气门 一 减小流动阻力 （一） 进气门 1 进气门直径 d进 一般: 进气门流通面积 活塞顶面积 = 0.20～0.25 d进 → pa → v （影响大） d排 → pr → v （影响小） 一般： d进 > d排 2 四气门 流通面积 f1 40%左右。但结构复杂，造价较高。 f1 → v → Ne （可达 30%）， ge 3 气门升程 h h，时面值→ v 4 阀顶过渡圆角 R R → f1 → v R → 流动阻力→ v R 应适中。 （二） 进气管 1 表面光洁度和流通面积 表面光洁度，流通面积→ 沿程阻力 → v 2 转弯和节流阻力 转弯半径 R，截面突变→ v 3 截面形状 考虑汽油机的雾化，蒸发，则 管壁面积→ 沉积 → 蒸发 → 混合气分配不均匀 截面形状 圆形 矩形 D 形 流动阻力 小 大 中 底部蒸发 小 中 大 柴油机不存在底部蒸发问题，故多采用流动阻力小的圆形进气管。 （三） 进气道 转弯半径 R，表面光洁度，各管口与垫片孔口对中 → 流动阻力 → v
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 设计时还要考虑组织进气涡流。 (四)空气滤清器 通道面积↑,除尘效果↑→流动阻力↓→>mn个↑ 经常清洗,更换纸芯。 (五)化油器 喉口截面积↓→丶流动阻力个→>1,但雾化效果↑ 解决这对矛盾,采用双喉口。小喉口:雾化;大喉口:进气。 合理选择配气定时 (一)配气定时的综合评定 良好的充气效率以保证发动机的动力性能。 2合适的充气效率以适应发动机的扭矩特性。 3较小的换气损失以适应发动机的经济性能。 4必要的燃烧室扫气以保证高温零件的热负荷得以适当降低,达到可靠运行。 合适的排气温度。 调整:1,2一进气迟闭角;3一排气提前角;4,5-气门叠开角 (二)进气迟闭角q 1转速n一定时,总有一个进气迟闭角φ使得充气效率7为最大。 2n↓→气流惯性↓→缸内气体易倒流进气管→7n 个个→一部分气体来不及进入汽缸→n 3q1↑→对应刀,max的n个 所以,高速发动机转速大,要获得好的充气效率和动力性,进气迟闭角应大 4n↑→,最佳个 40 (三)排气提前角φ
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 ― 28 ― 设计时还要考虑组织进气涡流。 （四） 空气滤清器 通道面积，除尘效果→ 流动阻力 → v 经常清洗，更换纸芯。 （五） 化油器 喉口截面积→ 流动阻力 → v ，但雾化效果 。 解决这对矛盾，采用双喉口。小喉口：雾化；大喉口：进气。 二 合理选择配气定时 （一） 配气定时的综合评定 1 良好的充气效率以保证发动机的动力性能。 2 合适的充气效率以适应发动机的扭矩特性。 3 较小的换气损失以适应发动机的经济性能。 4 必要的燃烧室扫气以保证高温零件的热负荷得以适当降低，达到可靠运行。 5 合适的排气温度。 调整：1，2－进气迟闭角；3－排气提前角；4，5－气门叠开角 （二） 进气迟闭角 i 1 转速 n 一定时，总有一个进气迟闭角 i 使得充气效率 v 为最大。 2 n → 气流惯性 → 缸内气体易倒流进气管 → v n → 一部分气体来不及进入汽缸 → v 3 i → 对应 v,max 的 n 所以，高速发动机转速大，要获得好的充气效率和动力性，进气迟闭角应大 一些。 4 n→ i,最佳 （三） 排气提前角 o
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 Po 个,δ= 其中δ一后期膨胀比 考虑经济性,在排气损失最小的前提下,尽量减小排气提前角。 (四)气门叠开角q,。 0;0↑↑→缸内气体易倒流进气管;q1。认→>p↑,个→7 增压发动机气门叠开角应大一些。 §2-5进气管内的动态效应 现象 p 进闭 进闭 195柴油机:进气管长度L=300mm L=1140mm 气体在进排气管中有压力波动现象,有效组织、利用压力波动,可以提高 充 气效率。 进气门开闭时:P2→pa↑→n个 排气门开闭时:p↓→)p>mn个 动态效应与进排气管的长度和直径有关。 波的动态机理 膨胀波 ⅴ压缩波 闭口 开口 闭口端:进:压缩波→反射:压缩波一同型波 进:膨胀波→〉反射:膨胀波一同型波 开口端:进:压缩波反射:膨胀波一异型波 进:膨胀波反射:压缩波一异型波 进气动态效应 (一)惯性效应 阶段:进气门开→进气门闭 膨胀波
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 ― 29 ― o → → v ， = = V V 1 4 其中－后期膨胀比。 考虑经济性，在排气损失最小的前提下，尽量减小排气提前角。 （四） 气门叠开角 i,o i,o → 缸内气体易倒流进气管； i,o → pr ，Ta → v 增压发动机气门叠开角应大一些。 §2-5 进气管内的动态效应 一 现 象 195 柴油机：进气管长度 L = 300 mm L = 1140 mm 气体在进排气管中有压力波动现象，有效组织、利用压力波动，可以提高 充 气效率。 进气门开闭时： pi ' → pa → v 排气门开闭时： po ' → pr → v 动态效应与进排气管的长度和直径有关。 二 波的动态机理 闭口端：进：压缩波 → 反射: 压缩波 －同型波 进：膨胀波 → 反射: 膨胀波 －同型波 开口端：进：压缩波 → 反射: 膨胀波 －异型波 进：膨胀波 → 反射: 压缩波 －异型波 三 进气动态效应 （一） 惯性效应 阶段：进气门开 → 进气门闭 膨胀波
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 压缩波(进气门闭) (二)波动效应 阶段:进气门闭→下一循环进气门开 ←压缩波 →膨胀波 膨胀波 →压缩波(进气门开 压力波动是周期性的。 压力波固有频率:f1= 4[1/]其中a-进气管内声速。 发动机吸气频率:f2= 60×2120 30a Jf2 L 当q=1,2,3…时,进气门开,则p→mn。 当q=1,2,3…时,进气门开,则pa↑→m,↑ 四结论 1惯性效应(本循环),振幅大,衰减小。 波动效应(两循环),振幅小,衰减大 2高速发动机,进气管短;低速发动机,进气管长 3进气管直径↓↓→流动阻力↑→压力波强度↓ 进气管直径个→压力波振幅↓→丶压力波强度↓ 4多缸机上,进气管应分支,且等长。 5避免急转弯,则压力波振幅不会衰减太大 6排气管需要膨胀波,则p→扫气作用↑→个 §2-6单位时间充气量与循环充气量 单位时间充气量G[kgh]
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 ― 30 ― → 压缩波 （进气门闭） （二） 波动效应 阶段：进气门闭 → 下一循环进气门开 压缩波 → 膨胀波 膨胀波 → 压缩波 （进气门开） 压力波动是周期性的。 压力波固有频率： f a L 1 4 = [ 1/s ] 其中 a－进气管内声速。 发动机吸气频率： f n n 2 60 2 120 = = [ 1/s ] 令： q f f a n L = = 1 2 30 当 q = 1，2，3… 时，进气门开，则 pa→ v 。 当 q = 1 1 2 2 1 2 3 1 2 , , … 时，进气门开，则 pa→ v 。 四 结 论 1 惯性效应 （本循环），振幅大，衰减小。 波动效应 （两循环），振幅小，衰减大。 2 高速发动机，进气管短；低速发动机，进气管长。 3 进气管直径→ 流动阻力 → 压力波强度 进气管直径→ 压力波振幅→ 压力波强度 4 多缸机上，进气管应分支，且等长。 5 避免急转弯，则压力波振幅不会衰减太大。 6 排气管需要膨胀波，则 pr→ 扫气作用 → v §2-6 单位时间充气量与循环充气量 单位时间充气量 G [ kg/h ]
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 循环充气量△G[kg],则 G=△G i·60[kgh] n↑→G↑,但n↑→pa→△G G↑→单位时间供油量g→与功率N有关 △G↑→循环供油量△g↑→与扭矩M2有关。 图中虚线为不考虑进气损失的G和△G曲线; 实际的G和AG曲线如图中实线所示。 G △G △G G 31
《发动机原理》 长安大学汽车学院曹建明 ― 31 ― 循环充气量 G [ kg ]，则 G G n = i 2 60 [ kg/h ] n → G，但 n→ pa→ G G → 单位时间供油量 g→ 与功率 Ne 有关。 G→ 循环供油量g→ 与扭矩 Me 有关。 图中虚线为不考虑进气损失的 G 和G 曲线； 实际的 G 和G 曲线如图中实线所示