第四章 内燃机的换气过程

从排气过程、扫气过程到进气的整个气体更换过程叫做换气过程。

四冲程柴油机采用气阀换气，气阀的开度由气阀凸轮决定。

二冲程机气口换气，气口开度由活塞决定。

时面值表示了气阀与气口的流通能力。

换气过程的好坏以废气是否排除干净、新鲜空气冲入多少、新鲜空气量的消耗量为标志。

四冲程机的换气：从排气阀开到进气阀关的整个换气过程自由排气阶段：排气阀开启到缸内气压等于排气背压强制排气阶段：自由排气结束到排气阀关闭（过后排气）进气阶段：排气阀关闭到进气阀关闭（可以实现燃烧室扫气，一般只有四冲程机可以）二冲程机的换气：从排气口（阀）开到排气口（阀）关的过程自由排气阶段：从排气口开到扫气压力等于缸内压力强制排气和扫气阶段：进气开始到扫气口关闭的过程过后排气阶段：从扫气口关闭到排气口关闭二冲程机换气好坏取决于：扫排气重叠角、气阀开启延续时间、气阀的流通时间气阀采用耐热合金钢制造，采用氮化和镀鉻的方法增强其耐磨性不带阀壳的气阀，直接装在气缸盖上，不用冷却水，拆起来麻烦，一般用于中小型机带阀壳的气阀，多用于排气阀，其拆装简单、方便，有润滑油道、冷却水腔，用于大型机带壳式气阀机构：分阀盘和阀杆两部分，为提高充气效率，进气阀直径比排气阀直径大，导管由铸铁或者青铜制造，承受气阀侧推力并承担启发散热，气阀导承采用稀释的煤油或柴油润滑；气阀弹簧成对安装可以提高弹簧疲劳强度、提高弹簧振动频率防止产生共振，若一根断了还可以暂时使用，避免启发落入气缸并防止互相插入。

阀盘有平底、凸底、凹底三种，阀盘上的圆锥形面起密封作用全接式：用于小型高速机和部分老式机外接式：阀面锥角比阀座锥角小，易发生拱腰变形，用于强载中、高速增压机机内接式：阀面锥角比阀座锥角大，易发生周边翘曲变形，多用于大型二冲程机（长行程和超长行程）常见的锥阀角为30和45，锥角越大，对中性和密封性越好。

旋阀器：使气阀在启闭时缓慢转动，有效的延长排气阀的使用寿命。

可以减少积碳、均匀磨损、贴合严密；均匀散热、受热，防止局部过热；防止卡住。

由于pmik＞pmi0，上式最 终的结果是大于1的 – 增压后充气系数略有提高
ηmk ηm0
p mmk 1 p mik p mm0 1 p mi0
将pmmk≈pmm0以及定义式 pmm0=pmi0(1-ηm0)代入后
φck Tb 0.25 φc0 T0

2、增压内燃机性能的估算
– 降低进气门处的流动损失，

1. 降低进气门处的流动损失 – 进气门座处的流通截面， 是进气流道中截面最小、 流速最高的地方，该处的 局部阻力最大，与阻力系 数ξ有关和该处的流动速 度vs的平方成正比，即
可以从降低气门座处的流 速和改善气门座处的流动 情况以提高流量系数入手 解决。过高的气体流速， 会发生气体阻塞现象。 – 定义平均进气马赫数Ma 2 D Cm vs Ma d μ c cs s sm s
排气提前角 90 75 P/MPa 40 P/MPa 60 n = 3400rpm 3200 2800 2400 2000
上止点Βιβλιοθήκη 下止点活塞行程活塞行程
平均排气损失压力
平均进气损失压力 n

六、充量系数分析式
– 进气门关闭时（以下标a表
七、提高充量系数的措施
– 在发动机的结构确定的前
示）缸内气体的总质量为 ma ＝ m1 + mr ＝(1 + φr)m1
– 经济性能指标（有效燃油
的过量空气系数保持不变的情 况下，有
消耗率）
1 be ηit ηm
Pek ρsk ηitk φck ηmk Pe0 ρs0 ηit0 φc0 ηm0 b ek ηit0 ηm0 b e0 ηitk ηmk
下表“0”和“k”分别表示增压前 后的参数

Fvte－进气门有效时间截面值。
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Maim
Vsv
aFvte
Vsv
aFvtm
2 1
6n
6 20
式中， Fvte－进气门有效时间截面值；
Fvtm－平均有效时间截面值；
φ1、φ2－进、排气门开启和关闭时刻， 对应的曲轴转角。
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说明：
1）平均进气马赫数考虑了进气过程的主要影响 因素，是表示进气流动的特征参数。
谐振充气系统是将 一组点火间隔相等的气缸， 通过较短的进气管和谐振 箱连接在一起，在进气波 动的频率和进气系统固有 频率相等时，取得较好的 充气效果。
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注意：
1）为了保证各缸的进气不发生干扰，谐振充气 系统一般要求气缸的点火间隔为240°CA。
2）对于不可变进气系统，谐振充气只有在很窄 的转速范围内才有较好的充气效果；对于可变进 气系统，谐振充气可在较大的转速范围内具有较 好的充气效果。
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❖ W－自由排气损失，是排气门提前开启而引
起的膨胀功的减少；
❖ X－强制排气损失，是活塞把燃气推出气缸
所消耗的功。
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2、进气损失
进气过程中缸内气体的压力低于进气管内气 体的压力，损失的功相当于Y所表示的面积，称 为进气损失。
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（二）泵气功
四冲程内燃机，在进气行程和排气行程中缸 内气体对活塞做功的代数和就称为泵气功。
常用平均泵气压力表示泵气功的大小，其定 义为：
pp
Wp Vs
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第一章发动机的性能1.简述发动机的实际工作循环过程。

1）进气过程：为了使发动机连续运转，必须不断吸入新鲜工质，即是进气过程。

此时进气门开启，排气门关闭，活塞由上止点向下止点移动。

2）压缩过程：此时进排气门关闭，活塞由下止点向上止点移动，缸内工质受到压缩、温度。

压力不断上升，工质受压缩的程度用压缩比表示。

3）燃烧过程：期间进排气门关闭，活塞在上止点前后。

作用是将燃料的化学能转化为热能，使工质的压力和温度升高，燃烧放热多，靠近上止点，热效率越高。

4)膨胀过程：此时，进排气门均关闭，高温高压的工质推动活塞，由上止点向下至点移动而膨胀做功，气体的压力、温度也随之迅速下降。

（5）排气过程：当膨胀过程接近终了时，排气门打开，废气开始靠自身压力自由排气，膨胀过程结束时，活塞由下止点返回上止点，将气缸内废气移除。

3.提高发动机实际工作循环热效率的基本途径是什么？可采取哪些基本措施？提高实际循环热效率的基本途径是：减小工质传热损失、燃烧损失、换气损失、不完全燃烧损失、工质流动损失、工质泄漏损失。

提高工质的绝热指数κ可采取的基本措施是：⑴减小燃烧室面积，缩短后燃期能减小传热损失。

⑵. 采用最佳的点火提前角和供油提前角能减小提前燃烧损失或后燃损失。

⑶采用多气门、最佳配气相位和最优的进排气系统能减小换气损失。

⑷加强燃烧室气流运动，改善混合气均匀性，优化混合气浓度能减少不完全燃烧损失。

⑸优化燃烧室结构减少缸内流动损失。

⑹采用合理的配缸间隙，提高各密封面的密封性减少工质泄漏损失。

4.什么是发动机的指示指标？主要有哪些？答：以工质对活塞所作之功为计算基准的指标称为指示性能指标。

它主要有：指示功和平均指示压力.指示功率.指示热效率和指示燃油消耗率。

5.什么是发动机的有效指标？主要有哪些？答:以曲轴输出功为计算基准的指标称为有效性能指标。

主要有：1）发动机动力性指标，包括有效功和有效功率.有效转矩.平均有效压力.转速n和活塞平均速度；2）发动机经济性指标，包括有效热效率.有效燃油消耗率；3）发动机强化指标，包括升功率PL.比质量me。

人的呼吸； 游泳换气
三、评价
废气是否排出干净，进入的新鲜充量是否充 分
四、对内燃机工作过程的影响
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第二节 四冲程内燃机的换气过程
一、 排气阶段 二、 进气过程 三、 气门叠开和燃烧室扫气过程 四、 换气损失 五、 配气相位 六、 充量系数 七、提高充量系数的措施
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换气过程
一、排气阶段
1、排气提前角 2、自由排气 3．强制排气阶段
超临界阶段： 超临界阶段 P1/P2>(2/(k+1))^(k/(k+1)) 特点是流速达到最大， 等于当地音速，此时的流动损失也是最大，气体能量由压力势能 转变为动能（流速）和热能（温度）。排气流量与压力差无关， 与缸内状态和流通面积有关。 亚临界阶段：P1/P2《(2/(k+1))^(k/(k+1)) 流量与压力差有关，还 亚临界阶段 和缸内状态、通流面积有关。
直列4缸，1.57 L排量，81×77.5mm
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MITSUBISHI
可变配气相位角度值变化范围之大出乎想象，这也说 明固定不变的配气相位角是何等的不适应发动机的要 求 采用可变配气相位后最大功率增加 20.7％，最大扭矩 增大 11.8％ 最大功率转速提高，尤其是最大扭矩转速提高，可使 发动机在高转速下克服汽车行驶中的各种阻力。大大 地提高了汽车的加速性能与爬坡能力。
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运转工况
发动机转速 n ：
∆p∝n2，n↑=> ∆p↑，pa↓，Φc ↓ n↑=> 进气充量与热缸壁接触的时间缩短， 也就是∆T下降， Φc↑ 综合因素是： n↑=> Φc↓
发动机负荷(或油门)：
柴油机：改变负荷时， pa基本不变； 汽油机：负荷变大，节气门开度大， pa ↑ 负荷变小，节气门开度小， pa ↓

pc 1 pe 2
1.83
强制排气阶段: 2/3 进气过程 (=230~265) 核心问题是充量系数c的问题 气门重叠过程 (=0~80)
超临界流量(雍塞流,choking flow):
mmax K
pc Ft Tc
注意：对超临界流，下游条件(压力、 温度)不影响流量
主要内容
Ningxia University
自吸式汽油机<40, 太大易回火
自吸式柴油机～60 增压柴油机＝80～160：扫气可以 降低缸内残余废气；冷却降低热负荷
3. 充量系数的定义及影响因素
4. 进排气动态效应 结论：
随转速升高，最佳相位角应增大 四个相位角中，进气晚关角对充量系数影 响最大，排气早开角对换气损失影响最大
第二部分：燃烧与排放
第6章 燃烧的基础知识 第7章 柴油机混合气形成与燃烧 第8章 汽油机混合气形成与燃烧 第9章 有害排放物的生成与控制 第10章 新燃烧方式与替代燃料动力
换气(Gas exchange)过程
Department of Automotive Engineering
Ningxia University
可变配气正时技术(VVT)
Department of Automotive Engineering
Ningxia University
怠速/加速加浓
Miller循环
相位和升程都可变，但不是连续可变
Cam-phase changing + Cam-lift changing VVT (Honda's i-VTEC )
Ningxia University
3. 充量系数的定义及影响因素

§4-1 柴油机的换气过程
• 一、四冲程柴油机的换气过程
§4-1 柴油机的换气过程
•1、排气过程 • 自由排气——压差 • 强制排气——推动功 • 过后排气——惯性 •2、进气过程 • 准备进气阶段——创造压差、开度条件 • 主要进气阶段——压差 • 补充进气阶段——惯性
• 循环进气量对应于气缸工作容积Vs
§4-1 柴油机的换气过程
•四、时面图和时面值 • 设通路流通面积为，则在时间微元内，流过通路的气体数量为： • dG=ωfdt
• 结构不变，n↑→时面值↓→换气质量↓
Gf dt
f dt—时面值
§4-1 柴油机的换气过程
•五、评定换气过程质量的参数
•1、残余废气系数
• ——换气过程结束时，气缸内残存的废气量与充入气缸的新鲜空气量之比。
§4-1 柴油机的换气过程
•三、二冲程柴油机的换气形式 •1、弯流扫气 • 1）横流扫气：扫气口与排气口位于气缸中心线的两侧。 • 2）回流扫气：扫气口与排气口位于气缸下部同一侧且排气口在扫气口上方。 • 3）半回流扫气：扫气口在排气口下方及两侧。 • 特点：扫气流动路线长（2S）、新气与废气易掺混、死角、气流短路，换气质量差；气缸下部受热
§4-2 换气机构
•二、气阀传动机构 •1、型式 • 机械式和液压式 •2、机械式传动机构 • 组成：顶头、顶杆和摇臂 • 气阀间隙——柴油机冷态下，气阀关闭时阀杆顶端与摇臂之间的间
隙。目的是留有气阀受热膨胀空间。
• 间隙↓→早开迟关，关闭不严 • 间隙↑→迟开早关，开度不足，撞击严重
§4-2 换气机构
§4-1 柴油机的换气过程
•4、扫气效率、扫气系数和给气比 • 扫气效率ηs——换气过程结束后，气缸内的新鲜空气量与气缸内总气量之比。 • 扫气系数Φs——在一个循环中通过扫气口的全部扫气空气量与换气过程结束后留在气缸内的新鲜空

内燃机学
第4章内燃机的换气过程 章内燃机的换气过程
• 平均流速定义为：实际进入气缸的新鲜 充量与进气门有效时面值之比。
Hubei Automotive Industry Institute
湖北汽车工业学院汽车工程系
HuBei Automotive Industries Institute Dep. of Automobile
Hubei Automotive Industry Institute
湖北汽车工业学院汽车工程系
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内燃机学
第4章内燃机的换气过程 章内燃机的换气过程
提高充量系数的技术措施
• 柴、汽油机的不同特点： 汽油机的不同特点： • 柴油机调节负荷是通过改变喷入气缸的燃料量 通过改变喷入气缸的燃料量 而进入气缸的空气量基本不变 而进入气缸的空气量 • 汽油机调节负荷是通过改变节气门开度来调节 进入气缸混合气量的多少。当节气门关小时， 节流损失增加，引起Pa下降
• 自由排气损失 • 强制排气损失
图6.4 排气门提前角和排气损失 a—最合适 b—过早 c—过晚 d—排气门面积过小 最合适 过早 过晚 排气门面积过小
湖北汽车工业学院汽车工程系
HuBei Automotive Industries Institute Dep. of Automobile
Hubei Automotive Industry Institute
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3 内燃机的换气过程
3.1四冲程内燃机的换气过程 四冲程内燃机的换气过程 3.2四冲程内燃机的换气损失 四冲程内燃机的换气损失 3.3提高内燃机充量系数的措施 提高内燃机充量系数的措施 3.4习题 习题
3.1 四冲程内燃机的换气过程
1. 排气过程 2. 进气过程 3. 扫气过程（气门叠开和燃烧室扫气） 扫气过程（气门叠开和燃烧室扫气）
2. 采用可变配气系统 3. 利用进气谐振技术
4. 降低排气系统的流动阻力 5. 减少对进气充量的加热
3.3 提高内燃机充量系数的措施
示意图
3.3 提高内燃机充量系数的措施
示意图
3.3 提高内燃机充量系数的措施
示意图
3.3 提高内燃机充量系数的措施
示意图
3.3 提高内程内燃机的换气过程
示意图1 示意图
3.1 四冲程内燃机的换气过程
示意图2 示意图
3.1 四冲程内燃机的换气过程
示意图3 示意图
3.2 四冲程内燃机的换气损失
示意图1 示意图
3.2 四冲程内燃机的换气损失
示意图2 示意图
3.3 提高内燃机充量系数的措施
1. 降低进气系统的流动阻力
3.3 提高内燃机充量系数的措施
示意图
3.3 提高内燃机充量系数的措施
示意图
3.3 提高内燃机充量系数的措施
示意图

在自由排气阶段的初期，由于排气门刚刚开启，缸内压力较高，排气
管压力与气缸压力之比往往小于临界值 缸内气体以当地声速流过排气门。此时,排气质量流量只取决于缸内气
2 k，流动呈现超临界状态， ( ) 1 k 1
k
体状态和排气门有效开启截面的大小，与排气管内的气体状态无关。
随着排气的进行，排气门流通截面不断增大，排气管压力与气缸压力
配 气 相 位 图
内燃机的型式不同，气门叠开角的大小也有所差异
对于点燃式内燃机而言，由于它是采用节气门来调节内燃机的功率，进气管内 压力总是低于大气压，特别是在小开度时更是如此。叠开角过大时高温废气 有可能倒流进入进气管乃至燃料供应系统中，引起进气管回火同时，由于新 鲜充量中含有燃料，利用新鲜充量进行扫气将导致燃料的损失以及未燃碳氢 排放物的增加，因此，这类内燃机的气门叠开角一般都是比较小的。 在非增压柴油机中，其进气管内压力始终接近大气压力，因此可以允许采 用较大的气门叠开角，增强扫气效果，以达到提高内燃机在常用转速范围内 充量质量的目的。统计显示，一般非增压柴油机的气门叠开角在20º (CA) -50º 范围内。
第二节
四冲程内燃机换气损失
换气损失是实际循环所不可避免的损失，换气损失定义为理论循环换气功 与实际循环换气功之差。 对于不同类型的发动机而言，换气损失是不同的。图4—2是四冲程内燃机 在非增压与增压条件下的换气损失示意图。 在非增压内燃机中，理论循环的换气过程(图4—2a)是排气行程线与进气行 程线重合，换气功为零；而在实际循环中，从排气门开启直到进气门关闭， 发动机消耗在换气上的功(其值为负)如阴影面积所示(图4—2b)，它代表了 有效功在换气过程中的损失。 对于增压内燃机而言，理论的换气过程(图4—2c)是经过压缩的新鲜充量 以增压压力pb等压地流人气缸，而排气则以pT等压地排出，进气与排气压 力值均高于大气压力，且pb＞pT。这样，换气过程所获得的功(其值为正) 为图中的矩形面积所示；而实际的换气过程中(图4—2d)，换气过程所获 得的功却是图中的封闭曲线面积，小于理论循环值，两者之差就是换气损 失，其大小可由图4—2d中的阴影面积来表示。 由于换气过程主要是由进气过程和排气过程所组成，因而其损失也是由进 气损失和排气损失两部分组成。

发动机原理发动机的换气过程发动机的换气过程是指在内燃机的工作循环中，利用活塞一上一下的往复运动，通过进气、压缩、燃烧和排气四个过程，完成混合气体的吸入、压缩和燃烧排出废气的过程。

下面我们将详细阐述发动机的换气过程，包括四个过程的具体操作：1. 进气过程（Induction Process）进气过程是指活塞内运动时，下行的活塞在气门开启的情况下，通过诱导系统将混合气体吸入燃烧室的过程。

进气过程中，活塞下行，曲轴带动气门运动机构打开进气气门（一般为吸气门），同时缸内压力降低，外界气体通过进气道和空气滤清器进入缸内，与燃油形成可燃混合物。

压缩过程是指活塞内运动时，上行的活塞在气门关闭的情况下，将混合气体压缩至高压的过程。

压缩过程中，活塞上行，压缩混合气体使其体积减小，从而增大混合气体的压力和密度。

这个过程中，活塞上方的火花塞会产生高压电火花，将压缩的混合气体点燃，形成爆震燃烧。

燃烧过程是指在压缩后的混合气体中，由于点燃火花的作用，混合气体发生爆炸燃烧所产生的高温高压气体。

燃烧过程中，经过压缩后的混合气体在火花塞的火花点燃下，迅速发生燃烧，产生高温和高压气体。

高温气体的体积膨胀迅速，推动活塞下行，同时驱动曲轴旋转，在连杆机构的作用下将活塞机械能转化为输出功。

4. 排气过程（Exhaust Process）排气过程是指活塞向上运动时，废气在气门开启的情况下，从燃烧室中排出的过程。

排气过程中，活塞上行，鞘管运动机构打开排气气门，废气被排出燃烧室，通过排气系统最终排出发动机。

总结：发动机的换气过程是通过进气、压缩、燃烧和排气过程，将可燃混合物吸入、压缩、燃烧、排出的过程。

进气过程中，混合气体通过进气道进入缸内；压缩过程中，混合气体被压缩至高压；燃烧过程中，可燃混合物被点燃形成高压气体；排气过程中，废气通过排气系统排出发动机。

通过这一连续的工作过程，发动机将化学能转化为机械能，推动车辆的运动。

（四）降低排气系统的流动阻力
（五）减少对进气充量的加热
三、气门叠开和燃烧室扫气过程(overlap，scavenge) ，
气门叠开：在排气行程上止点附近出现进、 气门叠开：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，相应的角度是气门叠开角 门同时开启的特殊现象，相应的角度是气门叠开角 period）。在气门叠开期间，进气管、 ）。在气门叠开期间 （overlap period）。在气门叠开期间，进气管、气 缸、排气管三者直接相通，这样，一方面有利于扫 排气管三者直接相通，这样， 除缸内的残余废气，增加气缸充量，达到扫气目的； 除缸内的残余废气，增加气缸充量，达到扫气目的； 另一方面，又可以降低燃烧室内气缸盖、排气门、 另一方面，又可以降低燃烧室内气缸盖、排气门、 活塞顶、缸套的温度。 活塞顶、缸套的温度。
（一）降低进气系统的流动阻力
流动阻力
沿程阻力（摩擦阻力） 沿程阻力（摩擦阻力） 局部阻力（主要部分） 局部阻力（主要部分）
进气平均马赫数Ma 进气平均马赫数
Ma综合了进气门大小、形状、升程规律以及活塞速度等因素， 综合了进气门大小、形状、升程规律以及活塞速度等因素， 综合了进气门大小 并且其大小与发动机的转速成正比。对于小型四冲程发动机， 并且其大小与发动机的转速成正比。对于小型四冲程发动机， 超过0.5后，充量系数急剧下降。这一结论，对于进气系 当Ma超过 超过 后 充量系数急剧下降。这一结论， 统设计和评价有重要价值
（二）采用可变配气系统技术
理想的配气系统应当要满足以下要求： 理想的配气系统应当要满足以下要求： 1)低速时，采用较小的气门叠开角以及较小的气门升程， 低速时，采用较小的气门叠开角以及较小的气门升程， 低速时 防止出现缸内新鲜充量向进气系统的倒流， 防止出现缸内新鲜充量向进气系统的倒流，以便增加 转矩，提高燃油经济性。 转矩，提高燃油经济性。 2)高速时应具有最大的气门升程和进气门迟闭角，以最大 高速时应具有最大的气门升程和进气门迟闭角， 高速时应具有最大的气门升程和进气门迟闭角 限度地减小流动阻力，充分利用过后充气， 限度地减小流动阻力，充分利用过后充气，提高充量 系数，以满足动力性要求。 系数，以满足动力性要求。 3)对进气门从开启到关闭的持续期 又称作用角 也应进行 对进气门从开启到关闭的持续期(又称作用角 对进气门从开启到关闭的持续期 又称作用角)也应进行 调整，以实现最佳的进气定时。 调整，以实现最佳的进气定时。气门驱动机构应具有 灵活性。 灵活性。

内燃机的充量更换自由排气阶段：内燃机的排气门往往在膨胀行程到达末期前，即活塞达到下止点前的某一位置提前开启，称排气提前。

排气提前角30—80︒C从排气门开启到气缸压力达到排气背压的时期，称自由排气阶段。

自由排气阶段中排出的废气量与内燃机的转速无关，在高速时，同样的排气时间对应的曲轴转角将大为增加。

为使气缸的压力及时下降，必须增大排气提前角，否则将使排气自由阶段延长、排气消耗功增加。

自由排气阶段排出的废气量可达60％以上，一般持续到下止点10—30︒结束。

强制排气阶段：自由排气结束后，气缸内的废气将被上行活塞强制推出，直到排气门关闭，这一过程就是强制排气阶段。

随着活塞的上行，排气门流通截面开始逐渐减小，气体流经气门的节流作用加强，在上止点附近，气缸压力再次升高，排气所消耗的功与缸内的残余废气量都增加了，对于换气与燃烧过程都不利，因此，排气门不允许在活塞到达上止点时关闭，应在上止点后一定角度关闭，这就是排气迟闭。

排气迟闭期间，可以利用缸内气体流动惯性从缸内抽吸部分废气，实现过后排气。

过大的排气迟闭会导致废气倒流。

废气从气缸流出的流动过程刚刚停止时，就是理想的排气门关闭时刻。

排气迟闭角10—70︒。

进气过程：进气门一般也在上止点前提前开启，进气提前角10—40︒到进气终了时，一部分充量的动能转变为压力能，另一部分动能由于涡流和湍流而转变为热能，从而加热进气，新鲜充量的温度与压力都有所提高。

为了利用在吸气过程中形成的进气管内气流的流动惯性，实现气缸的过后充气，进气门不在下止点关闭，而是在下止点过后的一定角度时延迟关闭。

有可能使得进气终了时，缸内压力等于或略高于进气管压力。

进气迟闭角20—60 。

过大的迟闭角会使低速时发生缸内气体到流进入进气管的现象，会影响有效压缩比，影响压缩终了温度，使发动机的冷启动困难。

对点燃内燃机来说，由于它是采用节气门来调节内燃机的功率，进气管内压力总是低于大气压，特别是在小开度时更是如此，叠开角过大时高温废气有可能到流进入进气管乃至燃料的供应系统中，引起进气管回火，同时由于新鲜充量中含有燃料，利用新鲜充量进行扫气，将导致燃料的损失以及未燃碳氢排放物的增加，这类内燃机的气门叠开角较小。

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正气门重叠和负气门重叠 POSITIVE &NEGATIVE OVERLAP
正气门重叠(实线)
在上止点进气门和排气门同时开 启，有利于增加新鲜充量和进行 燃烧室扫气。
负气门重叠(虚线)
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
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
14
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15
进气过程 INDUCTION PROCESS
（IVO 3
IVC） 4
IVOTDC 进气扫气 TDCBDC 吸 气 BDCIVC 过后进气
完整版ppt课件
16
一、进气过程 (INDUCTION)
定义
从进气门开启到关闭内燃机吸入 新鲜充量的整个过程称为进气过 程。
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21
二、气门叠开角(OVERLAP PERIOD)
气门叠开所对应的曲轴转角。
气门叠开角的选择 80-140°
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三、扫气作用 (SCAVEGING)
有利于扫除缸内的残余废气，增加进入气缸 的新鲜充量。 可用新鲜充量降低燃烧室内气缸盖、排气门、 活塞顶、缸套的温度以及排气的温度。
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 与缸内和排气管内气体的压差有关。
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二、排气提前角 (EXHAUST ADVANCING)
定义
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 开启的角度。
作用
增加排气流通面积（时面值or角面值）， 减少排气冲程所消耗的活塞推出功。

4.无泵气损失， 4.无泵气损失，但机械效率较低 无泵气损失 二冲程内燃机因无单独的进排气行程，泵气损失为零。 但空气耗量大，扫气泵耗功多，其机械效率一般比四冲程内 燃机的低，燃料消耗率较高，但增压后，二冲程内燃机的燃 料消耗率可接近或略高于四冲程内燃机的燃料消耗率。 5.采用纯燃气涡轮增压较困难 5.采用纯燃气涡轮增压较困难 由于二冲程内燃机的扫气空气耗量较大，新鲜充量部分渗 入燃气，使涡轮增压器前的排气温度降低，排气可用能下降， 所以涡轮增压二冲程内燃机的排气能量平衡问题比四冲程内 燃机更难解决，特别在启动、低负荷时这一矛盾更为突出。 二冲程内燃机一般采用辅助扫气泵、活塞底泵或机械增压器 与燃气涡轮增压器联合供气的办法来解决这一矛盾。
一般大功率四程机的空气耗量为6.8～7.6kg/(kW·h)，二程 柴油机则为10.2～11.5kg/(kW·h)。在 功率大体相同时，二冲程 内燃机匹配的涡轮增压器比四冲程内燃机的大。 2. 换气质量较差，残余燃气系数较大，排气压力波动强烈 换气质量较差，残余燃气系数较大， 四冲程内燃机的进、排气过程在两个不同的活塞行程内进 行，新鲜空气与燃气掺混的机会较少。二冲程内燃机换气时活 塞在下止点附近，进、排气过程同时进行，新鲜空气与燃气易 于掺混，换气质量较差，残余燃气系数比较大。二冲程内燃机 气口开闭由活塞控制，启闭速度比气门快，排气开始时缸内压 力比四冲程内燃机的高，因此，排气压力波动现象较四冲程内 燃机强烈，进排气系统对换气的影响较四冲程内燃机的大。
气口气门直流扫气
气口气口直流扫气
1）气口气门直流扫气 ） 如图所示，它的优点是：扫、排气相互混合较少，故扫气 效率高；由于它是非对称扫气，故可进行补充充气；扫气口可 布置在缸套的全周上，这可使气口高度减小，减少失效行程。 这种扫气方式是最好的，低速、中速、高速内燃机上均有采用。 由于扫气效果好，气缸新鲜充量多，便于增压，目前，广泛应 用于加长行程的低速机型上。缺点是结构较复杂，四冲程内燃 机中气门机构基本保留，尚需加扫气泵，排气门尺寸大，这对 高速化不利，解决的办法是采用多个排气门减小排气门尺寸， 但这会使气门机构变复杂。 2） 气口气口直流扫气 一般在对顶活塞式内燃机中采用气口气口直流扫气方式， 每个气缸有上下两个相对运动的活塞，扫气口的启闭由下活塞 控制，排气口的启闭由上活塞控制。扫排气口各占气缸一端，

内燃机的换气过程
强制排气阶段
由于气体流动需要克服排气门、排气道以及消声器等处的流 动阻力，缸内气体压力要略高与排气管内的平均压力，而且 气体流速越高压差就越大 另一方面由于排气管内的压力波动有可能形成压力逆差，即 气缸压力低于排气管内的压力，这种情况往往出现在强制排 气初期 惯性排气迟闭阶段，由于活塞到达上止点后开始下行，气缸 容积不断增加，过大的排气迟闭会导致废气倒流
内燃机的换气过程
强制排气阶段
p = pr 上止点
依靠活塞上行将废气挤出气缸 1）亚临界状态
缸内平均压力高于排气管平均
压力：克服排气门、排气道处 的阻力，一般高出10 kPa左右。 气体的流速越高，此压差越大， 消耗的功越多
2）惯性排气
从活塞上行到上止点至排气门
关闭所对应的曲轴转角，即排
气迟闭角，一般为10º~30ºCA
进气迟闭角 利用高速气流的惯性增加充气量、 减少功耗
内燃机的换气过程
气门叠开
进排气门同时开启的时期
气门叠角一般为20~80°CA 自然吸气内燃机：
气门叠角较小，20~60°CA
太大：小负荷时气体倒流 太小：扫气作用不明显
增压内燃机：
气门叠角较大，80~160°CA 进气压力高于排气压力，有利 于利用进气进行扫气，降低热
内燃机的换气过程
自由排气阶段
1）超临界排气 p ≥ 2 pr 流量与压差无关， 取决于开启面积和气 体状态 2）亚临界排气 2 pr p r 流量取决于压差
k k 1
pr 2 p k 1
内燃机的换气过程
自由排气阶段
自由排气阶段排出的废气量取决于气缸与排气管的压力差， 压差越大排出废气越多 高速时，同样的排气时间对应的曲轴转角将大为增加，为使气缸压力 及时下降，必须加大排气提前角，避免自由排气阶段延长、排气功耗 增加 当气缸与排气管压力相等，自由排气阶段结束 （下止点后10º ~ 30ºCA） 自由排气阶段很短，但排气流速高，排出废气量达60%以上

内燃机的换气过程内燃机的换气过程是内燃机排出本循环的已燃气体和为下一循环吸入新鲜充量（空气或可燃混合气)的进排气过程，它是工作循环得以周而复始不断进行的保证。

对四冲程内燃机而言，换气过程是指从排气门开启到进气门关闭的整个过程。

对大部分二冲程内燃机而言，换气过程即为从排气口打开到关闭的整个过程.在内燃机换气过程中,有时为了控制内燃机的NO x有害排放，还需要进行排气再循环（可分为外部ECR 和内部EGR）.内燃机采用增压技术可以提高进气密度，从而提高发动机的功率,并改善经济性和排放[1］。

内燃机的性能很大程度上依赖其换气过程，为提高动力性和经济性指标,需要研究减少进排气流动阻力损失和提高充量系数的措施及方法,以及如何为燃烧提供一个合适的缸内气体流场，并保证多缸机的各缸均匀性等。

第一节四冲程内燃机的换气过程图4—1所示是四冲程内燃机换气过程的示意图，其中图4—1a为内燃机的配气相位与换气过程p—V 示功图。

排气门在下止点前1点开启，由于缸内压力高，燃气快速流出，缸内压力随即迅速下降.在进排气上止点前，进气门在3点打开,此时,排气门尚未关闭，出现一段时间的气门叠开期,排气门在上止点后2点关闭.进气门打开初期，由于进气道与缸内压差小，进气流量小，随着活塞运动的加快，造成了缸内较大的真空度，使得中后期的进气速度提高，最后进气门在下止点后4点关闭。

进排气门迟闭角的设计,同它们提前开启一样，是为了增加进排气过程的时面值或角面值，利用气体流动的惯性,增加进气充量或废气的排出量。

四冲程内燃机的换气过程可分为排气、气门叠开、进气三个阶段，图4-1b表示了进排气门的升程和气缸压力随曲轴转角的变化情况。

图4—1 四冲程内燃机换气过程的示意图a）配气相位与低压p—V示功图b）气门升程与p— 示功图IVO一进气门开启角IVC一进气门关闭角EVO一排气门开启角EVC一排气门关闭年V c一余隙容积V s一气缸工作容积一、排气过程由于受配气机构及其运动规律的限制，排气门不可能瞬时完全打开,气门开启有一个过程，其流通截面只能逐渐增加到最大;在排气门开启的最初一段时间内，排气流通截面积很小，废气排出的流量小。