第三章发动机的换气过程

的途径。
§3.1 四行程内燃机的换气过程
一. 换气过程: 指从排气门打开到进气门关闭的整个时
期，约占410-480ºCA。 根据气流运动的特点分四个阶段：
自由排气、强制排气、进气过程、气门叠开。
1.自由排气阶段:
指从排气门打开，到P缸=P排管，气体靠本身的压 力自行流出气缸。包括超临界排气和亚临界排气。
超临界排气: 当P缸>1.9P排管，废气以当地音速流 出，而且与压差无关。排气流量值取决于缸内气体
状态和排气门有效开启截面的大小。随排气进行，
排气门流通截面不断增大。
亚临界排气：当P缸<1.9P排管，废气流出速度取 决于气缸内和排气管内压差。此时气体流量与排气
门有效流通截面和压差有关。
持续时间：下止点后10-30ºCA结束。 废气排出量：虽然时开角可以大一点，以提高 扫气效率。
增压柴油机：80—160 ºCA。
进气管内压力高于大气压力，新气易串入排气管（燃烧室 扫气）。
附：增压柴油机：防止燃料损失及未燃氮氢排放增加，增压柴 油机热负荷严重，扫气冷却有助于降低受热零件（如排气门） 的温度以及增压涡轮器进口温度。
三. 换气损失
(2)自由排气阶段在排气管内产生的压力波在管内往 复反射衰减，造成强制排气时缸内P波动。
注：缸内气体状态受活塞的运动速度与位置， 气门有效流通截面的变化规律以及排气管内 气体状态共同决定。
排气门迟后关：
①接近上止点，排气门流通截面↓，节流↑，排 气消耗的功增加，残余废气增加。
②可利用排气管中气体的流动惯性，吸出废气。 降低推出功和缸内残余废气量。同时要防止 废气倒流。排气门要晚关10 º—35ºCA。
减小进气迟闭角，能防止低速倒喷，有利于提高
最大转矩，但降低了最大功率。
对于配气定时不能改变的发动机，应根据常用工
况确定进气迟闭角。
(4)合理的排气提前角
在保证排气损失最小的前提下，尽量晚开排气 门，以增大膨胀比，提高热效率。
当转速增加时应适当加大排气提前角。
(5)适当的气门叠开期
低速、小负荷时，会发生废气倒流，要求气门叠 开角小。
原则：满足要求即好，使Ta增加少一点。 当负荷不变n升高时， 新鲜工质与缸壁接触时间 短，传热量少，Ta稍有下降； 当n不变负荷增加时，缸壁等零件温度升高，Ta 有所上升。
3.排气终了压力pr（残余废气系数Φr ）的影响： pr↑，说明残余废气量大→Φr↑→Φc↓ 减少排气系统的阻力可降低pr 。
Mam=vm/c (D/ds)²Cm/(am(c-0))
式中：D、ds—活塞及进气门盘的直径； Cm —活塞平均速度； m —进气门开启期间的平均流量系数； 0 、c—进气门开关角度。
因此，马赫数主要与D/ds ，转速n，冲程s，进气 门口流量系数μm，配气相位有关。
为了提高Φc有： ①增大进气门的相对流通截面积；
(2)ψj2不同, Φc如何变化 ① ψj2大的, Φc max出现的转速高； ② ψj2大的，高速时充量系数大，但低速时Φc小； ③ ψj2大的, Φc max要比ψj2小的值小。
(3)改变进气迟闭角可调整发动机转矩曲线。 加大进气迟闭角，高速时Φc ↑，有利于最大功率
的提高，但对低速和中速性能不利；
(1) ψj2一定，在某一转速时有Φc max 。说明发动 机在此转速下工作能最好地利用气流的惯性充气。
在低速时，由于进气惯性小，而进气迟闭角一 定，产生进气倒流现象，导致Φc ↓。
高速时气流惯性增加，而进气迟闭角一定，使部 分气体被关在气缸之外。加之转速上升，流动阻力增 加，导致Φc ↓。
图3.12 进气门迟闭角对充量系数和发动机有效功率的影响
理论循环与实际循环换气功之差称为换气损失，由排气 损失与进气损失两部分组成。
排气损失：自由排气损失（膨胀功损失）W 强制排气损失（活塞推出功损失）Y
最佳排气提前角：使W+Y最小。 1. 排气提前角越大，自由排气损失（W）越大。在下止点时缸
内压力越低。
2. 活塞上行时，将废气推出所消耗的功与缸内压力有关，压力 越高，功耗越大。即W降低，Y增加。
第三章 发动机的换气过程
概述 换气过程: 包括排气过程和进气过程。 作用：排除缸内废气并充入尽可能多的新鲜工质。
主要影响 c ，进而影响发动机的动力性能、
经济性能及排放指标。 对换气过程的要求：排气要彻底，进气要充分。 表征换气过程完善程度的主要指标是：
充量系数和泵气功 目的：分析影响充量系数的因素，寻找改善换气过程
pme

Hu 1000l0
i a
mc s

K1
i a
mc s
5.发动机的充量系数大多由试验方法直接测定。
发动机每小时的实际充气量V1’(m3/h)：用流量
计测出。发动机每小时的理论充气量Vsh (m3/h)：按
下
式计算
Vsh

Vs i 1000
n 2
60

0.03Vs
in
②减小冲程s；
③改善气门处流动，提高进气门处流量系数μs ； ④合理的配气相位。
1.增大进气门直径
dj ↑，dj /D=45—50% 进气门比排气门一般大15%~20%
2.增加进气门数目
例 6135柴油机：气门由一进一排改为两进两排后， Pe由 154Kw ↑ 194Kw ，Ttq由784N · m ↑ 921N·m
流道转弯处
降低进气系统的 流动阻力的措施
1、降低进 气门处的 流动损失
2、采用 可变进
气系统
技术
一.降低进气门处流动阻力
进气门座处 局部阻力最大
阻力系数 ξ有关
ps svs2
forward
与该处的 流动速度vs 的平方成正比
降低进气门处的流动损失，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
3. 进气过程
从进气门开启到关闭的过程。 进气门提前开（上止点前0 ° ~40°CA）：准 备 进气断面，降低进气阻力。 实际上：新气充入是在气缸内残余废气膨胀至低 于进气管内压力P缸<P进管开始的。 进气门迟后关（下止点后40 ° ~70°CA） ：利 用气流惯性，进行过后充气。 合理选择进气定时：防止出现进气倒流。
3. 排气提前角一定，转速增高时，膨胀损失↓，推出功损失↑↑， 总的W+Y↑。
4. 排气门截面小、转速增高时，为减少排气损失应相应加大排 气提前角。
进气损失 ：X
合理调整配气定时，加大进气门的流通界面，正 确设计进气管及进气道的流通路径并降低活塞平均速 度，可以降低X。
换气损失：W+X+Y
四.泵气损失
排气门提前开(30 °~80°CA)：尽可能减少残 留在气缸内的废气成分。
注：自由排气时，排气量与发动机转速无关。高速 时，相同的时间对应的曲轴转角↑，必须加大排气 提前角。
2.强制排气阶段:
活塞上行，强行推出废气，至排气门关闭。
(1)由于排气门通道的节流作用，缸内平均压力略高 于P排管(10kPa左右)。压力差越大，气体流速越高。
6. 进气（或大气）状态:
① p0的影响： 当进气速度和温度不变时,Φc变化不大。
但p0 ↑→pa ↑→↑→实际进气量增多。 ②T0的影响： T0↑→Ta ↑→↓→实际进气量减少； T0↑→新气与壁面温差↓,进气受热相对↓
→Φc ↑(T0 /Ta比值↑)。
§3.3 合理选择配气定时
在进、排气门开闭的四个时期中，进气门迟闭角 对Φc影响最大。
采用多气门内燃机的优点： (1)提高充量系数 进、排气截面积增大，进、排气系统的阻力减小，进气体 积流量大幅度增加，充量系数提高。 (2)提高燃烧效率 燃烧室紧凑化，火花塞(或喷油器)的合理布置，增强混合 气运动，可改善燃烧，提高压缩比，提高冷却性能等。
(3)减小运动件质量，利于高速化。 (4)功率增加 充量系数的增加，燃烧速度增加，改善充量系数 和提高内燃机转速的结果使内燃机输出功率、有效转 矩增加，升功率也得以提高。 (5)改善排放性能 两个进气门引起较合适的空气运动，从而改善了 混合气的形成，降低了CO和HC的排放量，由于燃烧 时间短，因而减少了NOx的形成。 (6)降低机械损失
二.气门叠开（燃烧室扫气） 1.气门叠开：
进气门早开，排气门晚关。在上止点附近一定 曲轴转角范围内，存在一个进、排气门的同时开启 阶段。
2.意义：
（1）利用进气将气缸内废气推入排气管，清除缸 内残余废气，增加气缸内新鲜充气量，实现扫气。 （2）冷却高温零件、降低排气温度。↓燃烧室内 气缸盖、排气门、活塞顶、缸套的温度。
2.意义：用来评价不同尺寸的发动机的换气过 程的完善程度。
3.公式
Φc=m1/ms= V1 / Vs m1 ：实际进入气缸工作容积的充气量。 ms ：在进气状态下充满气缸工作容积的理论充气量。 V1 ：实际进入气缸的新气换算到进气状态下占有的体
积。
Vs：气缸工作容积 4. 充量系数是影响平均有效压力pme的主要参数之一。
越高，Φc值越大。而pa =p0 - Δpa，其中Δpa 为克服 进气系统流通阻力而引起的压降。
进气系统流通阻力包括沿程阻力和局部阻力：
Δpa= λρ0 v² /2 式中：λ—管道阻力系数；
v —管道内气体速度； ρ0 —进气状态下气体的密度。
a. 转速的影响 n↑→v↑→Δpa↑→pa↓→Φc↓
图3.2 四冲程发动机进、排气相位图（外圈表示增压）
3.选取：
汽油机：20 —30ºCA。P进<P0 进气管内压力值低(尤其在怠速和部分负荷，真空度高)，
为防止高温废气直接从燃烧室窜入进气管，或从排气管流回 燃烧室，引起回火，要求叠开角小。P进<P0(小负荷时）。 非增压柴油机：20—80ºCA。