第二章发动机的换气过程
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第2章 发动机的换气过程.
定义：气门叠开所对应的曲轴转角。
气门叠开角的选择
➢自吸式汽油机<40°, 进气管压力低于大气压，太大易回火 ➢自吸式柴油机～60°，进气管压力接近大气压 ➢增压柴油机＝80～160°，扫气 通过同时开启进、排气门，让新鲜空气将残余废气清除 干净，这个作用称为扫气作用。
扫气作用
➢ 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。
二、换气损失概述
定义
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。
构成
1. 排气过程损失 膨胀损失+推出损失
2. 进气过程损失
自然吸气内燃机的换气过程
理论循环换气过程：
排气门在下止点打开，没有
膨胀损失
进排气行程缸内压力与大气
压力相等，因而也没有泵气 损失。
实际循环换气过程：
1. 膨胀损失W 2. 推出损失Y 3. 吸气损失X 换气损失=W+Y+X
Y
X
自然吸气内燃机实际换气过程
增压内燃机的换气过程
理论换气过程：
排气门在下止点打开，没有膨胀损失 排气行程沿pT,进气行程沿pb 换气过程获得矩形面积所示的功。
实际换气过程：
换气损失为面积 W+X+Y 换气过程所获得的换气功为矩形的面
积与换气损失之差。 换气功小于理论换气功值。
X Y
一、排气损失
进气状态（Ts，ps）、进气终了状态（Ta，pa）、残余废
气系数 γ、压缩比ε及配气定时等。
为配气定时引起的有效进气体积系数，等于进气门 关闭时气缸容积与气缸总容积的比值。
六、影响充气效率的因素
气门叠开角的选择
➢自吸式汽油机<40°, 进气管压力低于大气压，太大易回火 ➢自吸式柴油机～60°，进气管压力接近大气压 ➢增压柴油机＝80～160°，扫气 通过同时开启进、排气门，让新鲜空气将残余废气清除 干净，这个作用称为扫气作用。
扫气作用
➢ 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。
二、换气损失概述
定义
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。
构成
1. 排气过程损失 膨胀损失+推出损失
2. 进气过程损失
自然吸气内燃机的换气过程
理论循环换气过程：
排气门在下止点打开，没有
膨胀损失
进排气行程缸内压力与大气
压力相等，因而也没有泵气 损失。
实际循环换气过程：
1. 膨胀损失W 2. 推出损失Y 3. 吸气损失X 换气损失=W+Y+X
Y
X
自然吸气内燃机实际换气过程
增压内燃机的换气过程
理论换气过程：
排气门在下止点打开，没有膨胀损失 排气行程沿pT,进气行程沿pb 换气过程获得矩形面积所示的功。
实际换气过程：
换气损失为面积 W+X+Y 换气过程所获得的换气功为矩形的面
积与换气损失之差。 换气功小于理论换气功值。
X Y
一、排气损失
进气状态（Ts，ps）、进气终了状态（Ta，pa）、残余废
气系数 γ、压缩比ε及配气定时等。
为配气定时引起的有效进气体积系数，等于进气门 关闭时气缸容积与气缸总容积的比值。
六、影响充气效率的因素
第二章-发动机的换气过程PPT课件
Pr排气门 处 n2， 的 所 n 阻 以 Pr力 v
影响较小
（四）排气终了温度 Tr
Tr v （五）压缩比
v
2024/1/6
.
（六）配气定时 合理的配气定时也可增加充气效率
（七）进气状态 进气或大气压力高，pa也随之增加，新鲜 工质密度增加，进气量也增多。
2024/1/6
.
三、提高充量系数的措施：
m am 1m r(1r)m 1
vm m s1h(1 m s r)h m a(1srV )hsa h V a
• v愈高，代表每循环进入一定气缸容积的新鲜工质量 多，则发动机功率和扭矩可增加，动力性好。
2024/1/6
.
二、影响充量系数各种因素
（一） 进气终了压力 p a
vm m s1h(1 m s r)h m a(1srV )hsa h V a
排气门迟闭角为4= 10～70 °CA。
2024/1/6
.
三、进气过程：从进气门开启到关闭，内燃机吸入的新鲜充量的
整个过程。
1.进气提前：
进气门一般在上止点前提前一定曲轴转角开启，以 保证活塞下行时有足够大的开启面积，减少进气节流损 失。进气门提前角一般为0～ 40ºCA。
进气真正开始时刻，要待气缸内残余废气膨胀至低于进 气管内进气压力才开始。由于该时进气管内气体加速需要压 力差，进气门开启截面积又小，因此新鲜充量不能及时吸入 气缸。进气门提前开启就是为了减少节流损失，增加气缸内 充气量。
特点：1.进气管、气缸、排气管三者相通，有利于扫气增加。 2.新鲜冲量的冷却有利于降低缸内温度。
2024/1/6
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气门叠开角的确定：
由于气流惯性，进气管、排气管虽然相通，在气门叠 开角适当时不应出现废气倒流现象。
影响较小
（四）排气终了温度 Tr
Tr v （五）压缩比
v
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（六）配气定时 合理的配气定时也可增加充气效率
（七）进气状态 进气或大气压力高，pa也随之增加，新鲜 工质密度增加，进气量也增多。
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三、提高充量系数的措施：
m am 1m r(1r)m 1
vm m s1h(1 m s r)h m a(1srV )hsa h V a
• v愈高，代表每循环进入一定气缸容积的新鲜工质量 多，则发动机功率和扭矩可增加，动力性好。
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二、影响充量系数各种因素
（一） 进气终了压力 p a
vm m s1h(1 m s r)h m a(1srV )hsa h V a
排气门迟闭角为4= 10～70 °CA。
2024/1/6
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三、进气过程：从进气门开启到关闭，内燃机吸入的新鲜充量的
整个过程。
1.进气提前：
进气门一般在上止点前提前一定曲轴转角开启，以 保证活塞下行时有足够大的开启面积，减少进气节流损 失。进气门提前角一般为0～ 40ºCA。
进气真正开始时刻，要待气缸内残余废气膨胀至低于进 气管内进气压力才开始。由于该时进气管内气体加速需要压 力差，进气门开启截面积又小，因此新鲜充量不能及时吸入 气缸。进气门提前开启就是为了减少节流损失，增加气缸内 充气量。
特点：1.进气管、气缸、排气管三者相通，有利于扫气增加。 2.新鲜冲量的冷却有利于降低缸内温度。
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气门叠开角的确定：
由于气流惯性，进气管、排气管虽然相通，在气门叠 开角适当时不应出现废气倒流现象。
第2章 四冲程发动机的换气过程
Pa=Ps--△Pa
式中，△pa为气体流动时，克服进气系统阻力而引起的压降 kPa)。一般可写成 v 2
pa
△
式中
2
——管道阻力系数；
——进气状态下气体的密度；
V——管道内气体的流速（m/s）。
可见，△pa主要取决于各段管道的阻力系数和气体流速。若大、 高时，△pa增加，使pca下降。
（1）自由排气损失（图中 面积W），是由于排气门提 前打开而引起的膨胀功的减 少。
（2）强制排气损失（图 中面积Y），是活塞上行强 制推出废气所消耗的功。
随着排气提前角增大，自由排气损失面积 增加，强制排气损失面积减小，如图中b曲线， 如排气提前角减少则强制排气损失面积增加， 如图中c曲线。所以最有利的排气提前角应使面 积（W+Y）之和最小。
缸径小于80mm时，采用三进二排结构。
四气门机与 二气门机相比， 功 率 可 提 高 70% ， 扭 矩 可 提 高 30% ， 且 响应性比增压 机好，故是汽 车发动机高功 率化的有力措 施。
4.气门升程
气门升程增加、改进凸轮型线、 减小运动件质量、增加零件刚度， 在惯性力允许条件下使气门开闭尽 可能快，以增大时面值，提高充气 效率。 最大气门升程与阀盘直径之比 L/d取0.26~0.28。
5．5.压缩比 压缩比增加,压缩容积减小,残余废气量随之减小,因 而有所增加。
第三节
提高充气效率的措施
进气系统：空气滤清器或加进气消声器、化油器 或喷油器、节气门、进气管、进气道和进气门等组成。 减少各段通道的阻力，增大其流通能力，是提高 充气效率，改善发动机性能的主要途径。 一、进气门 1.时面值 气门开启断面与对应开启时间的乘积称为气门开 启的时面值。它表示气体流过气门的通过能力。气门 开启时间长，开启断面大，则气门开启时面值大，气 流通过能力越强，阻力越小。 增大进气门头部直径，减小气门头部锥角，增大 气门升程，延长气门开启时间，均可扩大气门开启时 面值。
第二章 发动机的换气过程
原理。
件（如排气门）热负荷低。
重叠角过大，气门易碰活塞， 使得活塞上气门凹坑过深，破坏
了进气涡流和燃烧，同时加重增
压器的负担。
排气迟闭
排气提前
四冲程发动机配气相位
一般柴油机为20～50 °CA，增压柴油机为80 °～50 °CA 。
3）重叠角对汽油机的影响： 大多数汽油机吸入的新鲜工质是可燃混合气，过大重叠
塞下行时气门具有较大的流通截
面积（一般提前角为10°～
40°CA）。 2）进气门迟闭： 充分利用气
进气门开
流惯性继续充气（一般迟闭角为
40°～ 70°CA）。
迟闭角
进气门提前与迟闭
3）迟闭角的选择： （1）转速升高，气流惯性大， 迟闭角也应增大；
进气提前
排气迟闭
（2）迟闭角不宜过大，否则
低速时部分新鲜工质会被压出气 缸，不仅影响发动机动力性，柴 油机还会因此起动困难。
门升程，实现快速开与闭。
4）改善气道动力性：光滑壁面、圆弧过度、并使气门 升起后远离壁面。 5）高速柴油机采用较小的S/D。
2、进气终了气体温度 Ta ： Ta 越大，气体密度越小，
充量系数也越小（增压发动机进气中冷）。
3、残余废气系数γ： 残余废气越多，充量系数也就越小； 同时，废气越多，还会使燃烧恶化，降低发动机的经济性和 排放性。 排气系统阻力越大、排气终了压力也越大，残余废气 量也就越多。但是，适当量的残余废气可以改善发动机的 排放性能。 4、压缩比 c： 压缩比大，余隙相对容积减少，废气残余 量就减少，充量增大。 5、合适的配气相位
二、废气残余系数γ：
定义： 进气过程结束时气缸内残余废气质量与进入气缸 的新鲜空气质量之比。
汽车发动机原理第二章-换气过程
发动机原理第二章发动机的换气过程第二章发动机的换气过程•发动机换气过程包括排气过程和进气过程，其任务是排除缸内废气并充入尽可能多的新鲜工质•每循环进入气缸的新鲜工质量愈多，燃烧后才能放出更多的热，从而增大发动机功率和转矩，这是保证发动机动力性能的前提和关键第一节四行程发动机的换气过程•一、换气过程–四行程发动机换气过程包括从排气门开启直到进气门关闭的整个时期，–为了增加气门开启的时间断面，并充分利用气流的流动惯性，减少换气过程中的损失，进排气门一般提前开启，迟后关闭，约占410°～480°曲轴转角。
–一般将换气过程分作自由排气、强制排气、进气和气门叠开四个阶段–1. 自由排气阶段（超临界与亚临界状态）•从排气门打开到气缸压力接近了排气管压力的这个时期称为自由排气阶段•排气门是在活塞到达下止点之前开启，从排气门开始打开到下止点这段曲轴转角，称为排气提前角，一般为30°～80°曲轴转角。
此时缸内废气压力约为0.2～0.5MPa，缸内压力与排气管压力之比往往大于临界值1.9，排气的流动处于超临界状态，废气以当地声速c流过排气门开启截面，当排气温度为700-1100K时，声速可达500-700m／s •排气提前角的选择：不要使自由排气阶段拖得过长，否则会增加强制排气活塞推出功，使排气损失增加。
因此，对于高速机，应加大排气提前角。
•在超临界排气时期，废气流量与排气管内压力无关，只决定于气缸内气体的状态和气门有效开启面积•随废气的大量流出，缸内压力迅速下降，排气流动转入亚临界状态，此时废气流量决定于气缸内和排气管内的压力差。
到某一时刻，气缸内和排气管内的压力接近，则自由排气阶段结束•自由排气约在下止点后10°～30°曲轴转角结束，由于此阶段废气流速很高，故排出废气量达60%以上•当排气门开启，废气涌向排气管时，排气管压力急剧上升，产生正压力波并在管内往复传播和反射–2. 强制排气阶段•此阶段废气是由活塞上行强制推出。
发动机原理——第二章-发动机的换气过程
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，容易参加。
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Bp = 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’=m/s。
其流量与压差〔p - p’〕在气阀最小截面处, 气体流速等于该地音速a kRT无关, 只决定于排气阀开启面积和气体状态。
4 亚临界排气Dp = 1.9 p’ →排闭。
其流量取决于压差〔p - p’〕。
〔二〕进气过程和气门叠开角-〕使新鲜介质进入缸内。
由于节流作用, 缸内产生负压；〔p p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 去除废气, 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YW是因排气门提前开启而损失的膨胀功,称为自由排气损失。
第二章 发动机的换气过程
2. 高速时应具有最大的气门升 程和进气门迟闭角，减小流 动阻力，提高充量系数，满 足发动机高速时的要求。
3. 进气门从开启到关闭的进 气持续角也进行相应的调整。
第二章 发动机的换气过程
可变气门正时（VVT ）
Pe
Tτq
优点：根据实现机构的不同，采用VVT技术可以使得发动机的 低速转矩得到大幅度的提高。
第二章 发动机的换气过程
膨胀损失
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.
自然吸气
增压
第二章 发动机的换气过程
推出功损失
活塞由下止点向上止点的强制排气行程所消耗的功。
自然吸气
增压
第二章 发动机的换气过程
排气损失
膨胀损失和推出损失二者之和。
第二章 发动机的换气过程
所以 n pr c （影响较小）
4、排气终了温度 Tr
Tr c
，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，热传输和过 量空气系数等。
第二章 发动机的换气过程
第三节 提高发动机充量系数的措施
排气提前角
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
排气阀升程
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。
第二章 发动机的换气过程
排气门迟闭角 定义 排气门在上止点后关闭的角度。 作用
1,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。
（2）负荷 汽油机：负荷 节气门开度 （质调节）
pa pa c
柴油机：负荷 循环供油量 （量调节）（与 pa
3. 进气门从开启到关闭的进 气持续角也进行相应的调整。
第二章 发动机的换气过程
可变气门正时（VVT ）
Pe
Tτq
优点：根据实现机构的不同，采用VVT技术可以使得发动机的 低速转矩得到大幅度的提高。
第二章 发动机的换气过程
膨胀损失
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.
自然吸气
增压
第二章 发动机的换气过程
推出功损失
活塞由下止点向上止点的强制排气行程所消耗的功。
自然吸气
增压
第二章 发动机的换气过程
排气损失
膨胀损失和推出损失二者之和。
第二章 发动机的换气过程
所以 n pr c （影响较小）
4、排气终了温度 Tr
Tr c
，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，热传输和过 量空气系数等。
第二章 发动机的换气过程
第三节 提高发动机充量系数的措施
排气提前角
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
排气阀升程
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。
第二章 发动机的换气过程
排气门迟闭角 定义 排气门在上止点后关闭的角度。 作用
1,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。
（2）负荷 汽油机：负荷 节气门开度 （质调节）
pa pa c
柴油机：负荷 循环供油量 （量调节）（与 pa
第二章发动机的换气过程
5、压缩比
压缩比增加 ,压缩容积减小 ,残余废气量随之减小 , 因而 所增加。
c 有
6、进气状态
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 少，绝对进气量减少，充量系数是在同一进气状态下的相对值。 进气温度、进气压力变化一般对充量系数影响不大。
第三节
提高充量系数的措施
一、降低进气系统的阻力 二、减少对进气充量的加热
式中
vc v vc vs
' s
Vr ' Vc
Pa’、 Ta’——进气状态的温度和压力； Ts 、Ps——进气终了时的气体温度和压力；
c
为了比较不同发动机残余废气量的多少，引入残余废气系数 的概念，即进气过程结束时气缸内残余废气量与气缸内新鲜充量 的比值：
Vs Vc ——压缩比, c Vc
mr vr r
3）充入气缸新鲜充量的质量为
c vs s K a [ vc v a ' vr ' r ' ]
' s
c
K a [ vc v a ' vr ' r ' ]
' s
vs s
K a Ts pa pr c ( c ) c 1 ps Ta Tr
第一节
四冲程发动机的换气过程
一、换气过程 四冲程发动机的换气过程包括从排气门 开启到进气门关闭的整个时期，约占 410º~480º曲轴转角。 自由排气 换气过程 强制排气 进气 气门叠开（燃 烧室扫气)
1、自由排气阶段
排气门开启到气缸压力接近排气管压力的这一 时期，称为自由排气阶段。
排气提前角：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30º~80º曲轴转角。
发动机的换气过程
排气门迟闭使 >1，使新鲜充量扫出气缸，从而使 c 降低。 解决措施：合理选择排气相位角，使新鲜充量既能利用气流惯性多充入气缸， 又不至于随废气扫出气缸。 5. 压缩比
c
有所增加。
压缩比增加，余隙容积减小，残余废气量减少，因此充量系数 6. 进气状态
进气温度和压力一般对充量系数
c
影响不大。
p
二、排气损失
' 从排气门提前打开（ pb 点)，直到进气行程开始，
' pb W
Y
缸内压力到达大气压力前循环功的损失称为排气
损失。它分为自由排气损失和强制排气损失。
p0
X
V
自由排气损失（W ）：因排气门提前打开，引起膨胀功的减少而产生的热量损失。 强制排气损失（ Y ）：活塞将废气推出所消耗的功。 减少排气损失的措施：1）当排气门截面小，发动机转速高时，应加大排气提前角； 2）减小排气系统阻力及排气门处流动损失； 3）排气消声系统的结构和布置形式； 三、进气损失（X ） 进气过程中，因进气管及进气门对气流形成的阻力而消耗的功，称为进气损失。 减少进气损失的措施：1）加大进气门的流通截面积；2）正确设计进气管流道； 3）降低活塞平均速度；4）合理调整配气定时。
降低排气系统流通阻力，可减少残余废气系数，也可减少泵气功。 可采取的措施有： • 将排气道的一部分做成扩压形，可降低缸内与排气管内之间压力差；
提高充量系数；
• 避免排气管内截面突变、急转弯和凸台； • 选择良好的排气支管流形； • 尽可能降低消声器的流通阻力。
四、合理选择进、排气相位角
合理选择进、排气相位角，可以获得较好的充气效果，特别是在高转速时， 适当推迟进气门关闭时间，可以利用高速气流的惯性来增加气缸充气量。 采取措施： 利用气门可变正时技术，优化气门正时，可提高充量系数。
汽车发动机原理第二章 发动机的换气过程
３.换气损失和泵气损失
换气损失等于进气损失与排气损失之和，如图2-3、
图2-4中面积(W+Y+X)，而在实际示功图计算中，已 经用丰满系数ϕi修圆理论示功图的棱角，所以ϕi中已包 括部分换气损失(面积W+U)，故泵气损失为换气损失 的一部分，即图2-3、图2-4中面积(Y+X-U)。
第一节结束
一、充量系数
沿ar线进行，进气沿ar线进行，进、排气压力相等，泵气
功为零，增压发动机的理想换气过程如图2-4ａ)所示，由 于进气压力Ps大于排气压力Pr ，所以排气沿a′r′线进行，进 气沿r″a″线进行，面积a″a′r′r″a″表示泵气功，为正功。
１.换气损失
如图2-3ｂ)和图2-4ｂ)所示，排气门提前开启时，排气 压力线从点ｂ′开始偏离膨胀线，面积过小与理想循环相比， 损失的功相当于Ｗ所表示的面积，称为自由排气损失，在 活塞将燃气推出汽缸时，由于沿途有流动阻力，所以汽缸 内的气体压力高于排气管内压力(非增压发动机排气管内压 力假定为大气压力)，损失的功相当于Ｘ所表示的面积(Ｘ
最佳排气提前角也应当越机中，由于进气系统的阻力，进气
过程汽缸内的压力低于大气压力，而活塞背面曲轴箱 内的压力稍大于大气压力，因此，进气过程活塞要消 耗功，如图2-3中面积Ｙ所示，在增压发动机中，进 气压力高于大气压力，故活塞顶面压力高于活塞背面 压力，活塞在进气过程得到正功。
所表示的面积包含了Ｕ所表示的面积)，称为强制排气损失，
自由排气损失与强制排气损失之和即为排气损失。
排气提前角的选择会影响自由排气损失和强制排气
损失的分配，如图2-5所示，排气提前角越大(曲线ｂ)，
排气门开启越早，自由排气损失就越大，但此时缸内压 力在下止点前已降得足够低，所以强制排气损失减少， 反之，排气提前角减小(曲线ｃ)，强制排气损失会增加， 而自由排气损失则会减少。因此，从减少排气损失角度 看，最佳排气提前角应使两者之和为最小(曲线ａ)。
第二章 发动机的换气过程
第二章发动机的换气过程本章重点：换气过程的特点及其评价指标；提高换气效果的措施。
本章难点：充气效率的定义；可变技术发动机排出废气、充入新鲜空气或可燃混合气的全过程叫做换气过程。
没有换气过程，发动机无法持续运转。
每循环进入气缸的空气量或可燃混合气量是决定发动机动力输出大小的因素。
所以，换气过程是发动机工作过程不可缺少的组成部分，也是决定发动机动力性、经济性的重要环节。
合理组织换气过程，保证吸入尽可能多的新鲜充量，以获得尽可能高的输出功率和扭矩；尽量减少换气损失，以降低机械损失，提高发动机经济性；保证进气后在缸内所形成的气体运动，能满足组织快速燃烧的要求，以提高热效率。
η是评价发动机换气过程完善程度和决定发动机性能的重要指标。
充气效率ν2.1 四冲程发动机的换气过程1.换气过程四冲程发动机的换气过程包括从排气门开启直到进气门关闭的整个时期，大约占410~480℃A（曲轴转角）。
一般将换气过程分为自由排气、强制排气、进气和气门重叠四个阶段。
图1-2-1为四冲程发动机换气过程的p-V图。
1）自由排气阶段图1-2-1中从排气门早开点b′到晚关点r′，约240~260℃A的b′bdrr′段为排气过程。
排气门开启初期，缸内压力p远大于排气管压力p r，此时，图1-2-1 四冲程发动机的换气过程p-V图尽管活塞还在下行，缸内压力也在不断下降，但是压差(p-p r)已足以使废气自由留出，而不必依靠活塞推出。
这一阶段为自由排气阶段。
自由排气阶段大约在下止点后10~30℃A结束。
自由排气阶段虽然时间不长，且气门开启流通面积也较小，但因流速很高，排出废气量达60%以上。
2）强制排气阶段自由排气阶段结束后，缸内压力大大降低，必须依靠上行活塞强制推出。
因为气门流通面积减小，排气不畅，在排气后期到上止点，缸内压力略有上升。
3）进气过程图1-2-1中从排气门早开点d到晚关点a′，约220~265℃A的drr′aa′段为进气过程。
第二章 发动机的换气过程
2
式中: F —活塞面积；Cm —活塞平均速度； D、d —活塞直径和气门头部直径。
进气马赫数 M 与气门 大小、形状、升程规律、 气门开关时间等有关。 增大气门直径可扩大气 流通过断面积，提高充 量系数。 根据一系列试验可 知，在正常的配气定时 条件下，当 M 超过一定 数值时，大约在0.5左右， 充量系数急剧下降，如 图3-10所示。因此在可能 条件下应控制 在最高转 速时不超过一定数值。 以达到提高充量系数的 目的。
五、谐振进气与可变进气歧管 谐振进气和可变进气歧管，都是利用进 气管的动态效应来提高充量系数。 具体措施： １、适当调整进气管长度、直径等进气系统 参数。 ２、可变长度进气歧管。 ３、双通道可变进气歧管。
利用进气管的动态效应来提高充量系数
发动机在换气过程中， 由于间断进气而引起进 气管内发生压力波动， 这种现象称为进气管的 动态效应。分析其原因 ，可归纳为惯性效应和 波动效应两类。影响进 气管动态效应的结构因 素是进气管长度、直径 和形状。 利用进气管的动态 效应，可以有效地提高 高转速时充量系数和改 善扭矩特性。
二、排气损失
• 定义 : 从排气门提前开启，
直到进气行程开始、缸内 压力到达大气压力之前 , 所损失的循环功。
• 构成:
a. 自由排气损失 W ： 由
于排气门提前打开而引起 的膨胀功的减少。
b. 强制排气损失 Y ： 活
塞上行强制推出废气所消 耗的功。
•排气损失
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 。
三、降低排气系统的流动阻力 降低排气系统流通阻力，使气缸内废气 压力下降，减少泵气功。 将排气道的一部分做成扩压形，降低了 气缸内与排气管内的压力差，降低了气缸内 废气压力，降低泵气功。 选择良好的排气支管的流型，避免排气 道内截面突变、急转弯和凸台，有助于降低 整个流通阻力。 在满足必要的消声效果要求下，降低消 声器的流通阻力。
2发动机的换气过程
可变进气歧管截面积技术 流体力学原理：在其他参数不变的情况下，管道 的截面积越大流体压力越小；管道截面积越小流体 压力越大。 根据这一原理，再分析发动机各个工况的工作 特性，设计一套机构能在发动机高转速时使用较大 的进气歧管截面积提高进气流量；在发动机低转速 时使用较小的进气歧管截面积，提高汽缸的进气负 压，也能在气缸内充分形成涡流，让空气跟汽油更 好的混合。
严格地说，充气效率应为
实际进入汽缸的新鲜充量 ηv = 以标准大气状态充满汽缸工作容积的新鲜充量
（二） 实际 测量
V1' ηv = ' Vh
实际流量 = 理论流量
' 其中： 1 －实际测 [ V 量
m /h ]
3
Vh'
Vh [ L] n = ⋅ i ⋅ ⋅ 60 = 003Vh in [m3 / h] . 1000 2
ηv
pr 1 T0 p a = − ε ε − 1 p 0 Ta Tr
2、结构因素 、
(1)进气系统 进气系统
一般包括进气门、进气管、空滤器、化油器、 一般包括进气门、进气管、空滤器、化油器、进 气道等部件。要尽量减少各部件的流动阻力， 气道等部件。要尽量减少各部件的流动阻力，以增大 进气终了的压力，提高充量系数。 进气终了的压力，提高充量系数。 试验证明，增大进气终了压力比降低残余废气系 试验证明， 数对充量系数的影响大，所以设计成进气门直径大于 数对充量系数的影响大，所以设计成进气门直径大于 排气门直径，气门顶部的形状呈流线型。 排气门直径，气门顶部的形状呈流线型。
可变配气定时机构
Variable Valve Timing & Lift Electronic Control Technology VTEC系统----可变气门正时和升程电子控制系统
第二章发动机的换气过程
1、自由排气阶段
从排气门打开到气缸压力接近于排气管压力的这个时 期称为自由排气阶段。由于配气机构惯性力的限制，若在 活塞到下止点时才打开排气门，则在气门开启的初期，开 度极小，废气不能通畅流出，缸内压力来不及下降，在活 塞向上回行时形成较大的反压力，增加排气行程所消耗的 功。所以有必要在活塞到达下止点之前打开排气门，从排 气门开始打开到下止点这段曲轴转角称为排气提前角。一 般排气提前角为如30°~80°曲轴转角。
3、进气过程
为了保证活塞下行时，进气门开启面积足够大，使新 鲜充量顺利流人气缸，进气门在上止点前就开始打开。进 气门提前开启角一般为上止点前0°~40°曲轴转角。
为了充分利用高速气流的动能，进气门也须在下止点 后关闭，从而实现在下止点后继续充气，增加进气量。进 气门迟闭角一般为下止点后40°~70°曲轴转角。
二、排气损失（二）
如图2—4所示，随着排气提前 角的增大，自由排气损失面积W增 加，而此时强制排气损失面积Y应 减小。因而最有利的排气提前角应 使面积(W+Y)之和为最小。当排气 门截面小，发动机转速高时，按曲 轴转角计算的实际超临界排气时期 延长，为减少排气损失，应适当加 大排气提前角。
减小排气系统阻力及排气门处 流动损失是降低排气损失的主要办 法。
可变进气只管
当发动机低速运转时，发 动机电子控制单元5发出指 令，转换阀控制装置4关闭 转换阀3，这时空气经空气 滤清器1和节气门2沿着细 长的进气支管流进气缸。 弯曲细长的进气支管提高 了进气速度，气流的动能 增大，使进气量增多。当 发动机转速增高时，转换 阀开启，空气通过空气滤 清器和节气门直接进入粗 短的进气支管。粗短的进 气支管进气阻力小，也使 进气量增多。
双通道可变进气支管
发动机的换气过程1
名词解释：超临界状态、亚临界状态 上游压力与下游压力的比值影响流动状态：
k
p 1
p2
k 1
k 21
第二章 发动机的换气过程
—— 四冲程发动机的换气过程
2.1 四冲程发动机的换气过程 2.1.2 换气过程的阶段划分
名词解释：超临界状态、亚临界状态
上游压力与下游压力的比值影响流动状态：
p1 p2
1.9
—— 四冲程发动机的换气过程
2.1 四冲程发动机的换气过程 2.1.3 配气相位
定义： 进、排气门的角度 及其相对与上、下止 点的关系，称为配气 相位。
第二章 发动机的换气过程
—— 四冲程发动机的换气过程
2.1 四冲程发动机的换气过程
2.1.3 配气相位
排气门早开 （1）快排气 （2）排气功减小
排气门晚闭 惯性排气
减少排气损失的主 要措施是：减小排气系 统阻力和排气门处的流 动损失。
第二章 发动机的换气过程
—— 换气损失
2.2 换气损失
2.2.2 进气损失
从进气门提前打开，到 压缩行程中气缸内压力到 达大气压力之前，循环功 的损失是进气损失。
进气系统的阻力引起进 气损失。
减少进气损失的主要措 施是减小进气系统阻力和 进气门处的流动损失。
气体压力 p 和温度 T 以及气门开
启截面积有关。 此时排气流速高，并产生强
烈噪声。
第二章 发动机的换气过程
—— 四冲程发动机的换气过程
2.1 四冲程发动机的换气过程 2.1.2 换气过程的阶段划分
２、自由排气阶段
亚临界排气时，废气流量与
排气管内压力pr、缸内压力 p、
气门开启截面积以及发动机转速 有关。此时废气流速降低，产生 的噪音较小。
k
p 1
p2
k 1
k 21
第二章 发动机的换气过程
—— 四冲程发动机的换气过程
2.1 四冲程发动机的换气过程 2.1.2 换气过程的阶段划分
名词解释：超临界状态、亚临界状态
上游压力与下游压力的比值影响流动状态：
p1 p2
1.9
—— 四冲程发动机的换气过程
2.1 四冲程发动机的换气过程 2.1.3 配气相位
定义： 进、排气门的角度 及其相对与上、下止 点的关系，称为配气 相位。
第二章 发动机的换气过程
—— 四冲程发动机的换气过程
2.1 四冲程发动机的换气过程
2.1.3 配气相位
排气门早开 （1）快排气 （2）排气功减小
排气门晚闭 惯性排气
减少排气损失的主 要措施是：减小排气系 统阻力和排气门处的流 动损失。
第二章 发动机的换气过程
—— 换气损失
2.2 换气损失
2.2.2 进气损失
从进气门提前打开，到 压缩行程中气缸内压力到 达大气压力之前，循环功 的损失是进气损失。
进气系统的阻力引起进 气损失。
减少进气损失的主要措 施是减小进气系统阻力和 进气门处的流动损失。
气体压力 p 和温度 T 以及气门开
启截面积有关。 此时排气流速高，并产生强
烈噪声。
第二章 发动机的换气过程
—— 四冲程发动机的换气过程
2.1 四冲程发动机的换气过程 2.1.2 换气过程的阶段划分
２、自由排气阶段
亚临界排气时，废气流量与
排气管内压力pr、缸内压力 p、
气门开启截面积以及发动机转速 有关。此时废气流速降低，产生 的噪音较小。
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二、影响充量系数的因素
（一）充量系数 c的表达式
1）进气门关闭时缸内气体的总质量ma 假定进气门关闭时气缸容积为（Vs’ +Vc），此时缸内气
体压力、温度、密度为Pa’、Ta’、ρa’，则缸内气体的总质量 为
ma vc vs' a
在超临界排气时期，废气流量与排气管内压力pr 无关，只与气缸内的气体状态及气门开启截面积有 关。并且因排气流速甚高，在排气过程中伴有刺耳 的噪声，所以排气系统必须装有消声器。
（2）亚临界状态
缸内压力与排气管内压力之比下降到1.9以下时，排气流 动转入亚临界状态，废气流速降低，产生的噪音较小。
排出的废气量决定于气缸内及排气管内的压力差。压力差 越大排出废气越多。
配气相位图
二、换气损失
从排气门提前开启到进气门迟后关闭为止，活塞消耗 在换气上的功。
换气损失由排气损失和进气损失两部分组成。
1、排气损失
排气损失是从排气门提 前打开，直到进气行程开始， 气缸内压力到达大气压力之 前，循环功的损失。
（1）自由排气损失（图中 面积W），是由于排气门提 前打开而引起的膨胀功的减 少。
第二章 发动机的换气过程
换气过程 排气过程 进气过程 排除废气
换气过程的任务 充入尽可能多的新鲜工质, 同时功耗要少。
换气过程的进行情况
研究的内容
分析影响充气量的各种因素 找出 提高充气量 方向与措施
减少换气损失
第一节 四行程发动机的换气过程 第二节 四行程发动机的充量系数 第三节 提高充量系数的措施
一、充量系数 (又叫充量效率、容积效率）
充量效率是每缸每循环实际进入气缸的新鲜空气质量与进气状 态下理论计算充满气缸工作容积的新鲜空气的质量的比值。它是衡 量发动机动力性能和进气过程完善程度的重要指标。
c
ma ms
v1 vs
式中:
ma 、V1—实际进入气缸的新鲜工质的质量、体积（进气状 态）；
ms 、Vs— 进气状态下充满工作容积的新鲜工质的质量、气 缸工作容积。
第一节 四行程发动机的换气过程
一、换气过程
四冲程发动机的换气过程包括从排气门 开启到进气门关闭的整个时期，约占 410º~480º曲轴转角。
自由排气 换气过程 强制排气
进气 气门叠开（燃 烧室扫气)
1、自由排气阶段
排气门开启到气缸压力接近排气管压力的这一 时期，称为自由排气阶段。
排气提前角：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30º~80º曲轴转角。
减少排气损失的措施有： 1、减小排气系统阻力和排气门处的流动损失； 2、合理设计排气消声系统结构和正确布置其
形式，以降低排气管内排气背压； 3、增大排气门直径，但受到一定结构限制； 4、采用双排气门结构可取得积极效果； 5、采用最佳排气提前角。 其中1和5是主要措施。
2、进气损失
进气损失：因进气系统的阻力而引起的功的损失。与 排气损失相比，相对较小。
2、强制排气阶段：活塞上行强制推出废气。
缸内平均压力ห้องสมุดไป่ตู้高于排气管平均压力，一般高出 10kpa左右：克服排气门、排气道处的阻力。气体的流 速越高，此压差越大，消耗的功越多。
惯性排气：排气迟闭角，一般为10º~35º曲轴转角。
3、进气过程
为了保证活塞下行时，进气门开启面积足够大，使新鲜 充量顺利流入气缸，进气门在上止点前就打开。 进气提前角：一般为在上止点前0º-40º曲轴转角
正常进气 ：活塞下行残余废气膨胀，新鲜气体充入气缸。
惯性进气：为了充分利用高速气流的动能，进气门须 在下止点后关闭，从而实现在下止点后继续充气，增 加进气量。
进气迟闭角：一般为在下止点后40º～70º曲轴转角。
4、气门叠开和燃烧室扫气：进、排气门同时开启。
叠开角：进、排气门同时开启时对应的曲轴转角，一般为 20º～60º曲轴转角。在增压发动机可达80º～ 160º的曲轴转角， 因其进气压力高，扫气优点很多。
作用：由于进气管、气缸、排气管互相连通，可以利用气流 的压差、惯性或进、排气管压力波的帮助，清除残余废气，增加 进气量，降低高温零件的温度，但注意不应产生废气倒流现象。 特别是增压发动机，其进气压力高，有一定数量的新鲜充量直接 扫过燃烧室，帮助清除废气进入排气管，扫气效果更明显。
因为汽油机新鲜充量是可燃混合气，扫气会造成燃料的损失， 所以气门重叠角以新鲜充量不流入排气管为原则。柴油机没有燃 料损失问题，但气门重叠角过大，会发生气门与活塞相碰的问题。
当到某一时刻气缸内与排气管内压力相等，自由排气阶段 结束（一般下止点后10º~30º曲轴转角）。自由排气阶段虽然历 程很短，但因排气流速甚高，排出废气量达60%以上。
高速发动机其排气提前角要大一些： 在自由排气阶段中，排出的废气量与发 动机转速无关。发动机转速高时，在同 样的排气时间（以秒计）所相当的曲轴 转角增大，因此，高速发动机排气提前 角要大。但不宜过大，否则会使排气损 失加大。
自由排气阶段 超临界状态 亚临界状态
（1）超临界状态
排气门开启时，气缸内废气压力较高(0.2-0.5Mpa)， 缸内压力与排气管压力之比＞1.9，排气流动处于超临 界状态，可利用废气自身的压力自行排出。
通过排气门口废气的流速等于该状态下的音速（m/s）
c KRT
式中 K——绝热指数； T——气体的绝对温度； R——气体常数〔N•m/（kg·K）〕。
排气损失与进气损失 之和称换气损失，即图中 面积(W+X+Y)。在实际循环 示功图中把面积(x+y-d)相 当的负功称为泵气损失。 这部分损失放在机械损失 中加以考虑。
减少进气损失的措施有： 1、合理调整配气定时； 2、加大进气门的流通截面； 3、准确设计进气管流道； 4、降低活塞平均速度。
第二节 四行程发动机的充量系数
（2）强制排气损失（图中 面积Y），是活塞上行强制 推出废气所消耗的功。
随着排气提前角增大， 自由排气损失面积增加，强 制排气损失面积减小，如图 中b曲线，如排气提前角减 少则强制排气损失面积增加， 如图中c曲线。所以最有利 的排气提前角应使面积 （W+Y）之和最小。
在排气提前角相同情 况下，排气损失随转速上 升而增大，因此随转速上 升排气提前角要增大。