第二章發(fā)動機的換氣過程

m.jxmhotel.com.cn 來源：互聯(lián)網(wǎng) 作者：panzhihao 類別：汽車構造維修時間：2007-09-05

第二章發(fā)動機的換氣過程

燃燒是做功之本。

燃燒需要空氣與燃料。重量比容積比

燃料 1 1 液態(tài)

空氣 15 1000 氣態(tài)

燃料受機械控制，容易加入。而汽缸容積就那么大，要想多加空氣就要困難得多。因此，對發(fā)動機換氣過程的研究就顯得尤為重要了。

§2-1 四沖程發(fā)動機的換氣過程

一配氣定時

與工程熱力學中介紹的不同, 進排

氣門的開啟、關閉也需要時間, 故

在下止點前排氣－排氣提前角40°～80°

在上止點后關閉－排氣遲閉角10°～35°

在上止點前吸氣－進氣提前角 0°～40°

在下止點后關閉－進氣遲閉角40°～80°

進氣提前角+排氣遲閉角－氣門疊開角

二換氣過程

（一）排氣過程

1 自由排氣階段 A

排開 p >>p’ ® p = p’

靠缸內(nèi)壓力將氣體擠出氣缸，其中

p－缸內(nèi)壓力, p’－排氣管內(nèi)壓力。

2 強制排氣階段 B

p = p’ ® p £ p’

靠活塞上行將廢氣擠出氣缸。

3 超臨界排氣 C

排開 ® p = 1.9 p’

在氣閥最小截面處, 氣體流速等于該地音速 m/s。其流量與壓差（p - p’）無關, 只決定于排氣閥開啟面積和氣體狀態(tài)。

4 亞臨界排氣 D

p = 1.9 p’ ® 排閉。

其流量取決于壓差（p - p’）。

（二）進氣過程和氣門疊開角

由于節(jié)流作用, 缸內(nèi)產(chǎn)生負壓；（）使新鮮介質(zhì)進入缸內(nèi)。

氣閥疊開角：非增壓：20°～60° CA。

太大（引起） ® 廢氣回流進氣道。

太小 ® 掃氣作用不明顯。

增壓：110°～140° CA。

進氣管p, 掃氣明顯, 氣閥疊開角可以增大很多。如6135

型高柴：非增壓：40°, 增壓：124°。

掃氣的作用：

1 清除廢氣, 增加氣缸內(nèi)的新鮮充量。

2 降低排氣溫度。

3 降低熱負荷最嚴重處（如氣閥、活塞等）的溫度。

三換氣損失

理論循環(huán)換氣功與實際循環(huán)換氣功之差。

如圖：換氣損失功－X+（Y+W）, 其中（W+Y）

為排氣損失功，X為進氣損失功。

（一）排氣損失功Y

W是因排氣門提前開啟而損失的膨脹功,

稱為自由排氣損失。Y是活塞作用在廢氣上的推出功, 稱為強制排氣損失功。

排氣提前角 ® W，Y¯ 。

綜合效果, 要求（Y+W）¯, 故（W+Y）有一個最佳值（W+Y）min 。對應排氣提前角亦有一個最佳值, n ® （W+Y）min 。

（二）進氣損失功X

進氣損失功小于排氣損失功，即X < Y

（三）泵氣損失功 （X+Y-d）

在實際示功圖中, 把（W+d）歸到指示功中考慮。而把泵氣損失功（X+Y-d）歸到機械損失中考慮。

§2-2 四沖程發(fā)動機的充氣效率

一充氣效率

（一）定義

為比較不同大小、不同類型發(fā)動機的充氣品質(zhì)和換氣過程的完善程度, 不受氣缸工作容積Vh 的影響, 引入充氣效率的概念。

由于有進氣阻力等因素的影響, 實際進入氣缸中的新鮮充量必然小于理論上進氣狀態(tài)下充滿工作容積的新鮮充量。二者之比稱為充氣效率 , 即

其中：－實際充量的重量，質(zhì)量和體積；

－理論充量的重量，質(zhì)量和體積；

進氣狀態(tài)：非增壓：空氣濾清器后進氣管內(nèi)的氣體狀態(tài), 通常取為當?shù)氐拇髿?/DIV>

狀態(tài)。

增壓：增壓器出口狀態(tài)。

嚴格地說，充氣效率應為

更合理。這樣，在后面將要講到的大氣修正中，不同的壓力和溫度下進氣量的比值就等于其充氣效率之比。否則，按照前頭的定義式，大氣溫度越高，充氣效率反而會越高，講起來似乎無法接受。而且也不具備可比性。

（二）實際測量

其中：－實際測量 [ /h ]

充氣效率是衡量換氣過程進行得完善程度的重要指標。

柴油機 0.75～0.90

汽油機 0.70～0.85

二充氣效率的分析式

充入汽缸的新鮮充量 = 缸內(nèi)氣體的總質(zhì)量－缸內(nèi)殘余廢氣質(zhì)量

（一）進氣門關閉時缸內(nèi)氣體的總質(zhì)量

其中－余隙容積；－進氣門關閉時缸內(nèi)工作容積；

－進氣終了缸內(nèi)氣體密度。

（二）排氣門關閉時缸內(nèi)殘余廢氣的質(zhì)量

其中－排氣門關閉時缸內(nèi)容積；－排氣門關閉時缸內(nèi)殘余廢氣密度。

（三）充入汽缸的新鮮充量

其中－大氣狀態(tài)下氣體密度。

（四）充氣效率的分析式

其中－壓縮比；－有效壓縮比；。

一般～。若假設，有

帶入理想氣體狀態(tài)方程式，得

其中－大氣壓力和溫度；－進氣終了時缸內(nèi)的壓力和溫度；

－排氣終了時殘余廢氣的壓力和溫度。

；。

的分析式為定性分析的影響因素提供了依據(jù)。

§2-3 影響充氣效率的各種因素

一進氣終了壓力

（一）進氣阻力

® ¯ ® ¯

對的影響最大。進氣系統(tǒng)的沿程阻力和局部阻力均會使增大。

（二）轉速

n ® ® ¯ ® ¯

（三）負荷

汽油機：負荷 ® 節(jié)氣們開度（質(zhì)調(diào)節(jié)） ® ¯ ® ®

柴油機：負荷 ® 循環(huán)供油量（量調(diào)節(jié)）（與無關） ®

熱負荷 ® ® ¯ （不大）

二進氣終了溫度

（一）轉速

負荷一定：n ®

綜合、的影響， n ® ¯。

（二）負荷

轉速一定：負荷 ® 熱負荷 ® ® ¯

柴油機：進、排氣管分置。

避免排氣管對進氣管加熱，使 ¯ ®

汽油機：進、排氣管同置。

雖然 ® ¯，但燃油受熱增發(fā)快，可以改善混合氣形成。

三排氣終了壓力

® 殘余廢氣量 ® ¯

µ 排氣門處的阻力 µ ，所以

n ® ® ¯ （影響較小）

四排氣終了溫度

五壓縮比e

e ®

公式僅為定性分析用的，是粗略的。還有許多因素未予考慮。如：壓力升高比l，絕熱指數(shù)k，進氣馬赫數(shù)Ma，熱傳輸和過量空氣系數(shù)a等。

§2-4 提高充氣效率的措施

減小進氣系統(tǒng)阻力。

沿程阻力，局部阻力（節(jié)流阻力）。

汽油機：空氣濾清器 ® 化油器 ® 進氣管 ® 進氣道 ® 進氣門

柴油機：空氣濾清器 ® 進氣管 ® 進氣道 ® 進氣門

一減小流動阻力

（一）進氣門

1 進氣門直徑

一般: 0.20～0.25

® ® （影響大）

® ¯ ® （影響小）

一般： >

2 四氣門

流通面積 40%左右。但結構復雜，造價較高。

® ® （可達30%）， ¯¯

3 氣門升程h

h，時面值 ®

4 閥頂過渡圓角R

R ® ¯ ® ¯

R¯¯ ® 流動阻力 ® ¯

R應適中。

（二）進氣管

1 表面光潔度和流通面積

表面光潔度，流通面積 ® 沿程阻力¯ ®

2 轉彎和節(jié)流阻力

轉彎半徑R，截面突變¯ ®

3 截面形狀

考慮汽油機的霧化，蒸發(fā)，則

管壁面積 ® 沉積 ® 蒸發(fā)¯ ® 混合氣分配不均勻

截面形狀圓形矩形 D形

流動阻力小大中

底部蒸發(fā) 小中大

柴油機不存在底部蒸發(fā)問題，故多采用流動阻力小的圓形進氣管。

（三）進氣道

轉彎半徑R，表面光潔度，各管口與墊片孔口對中 ® 流動阻力¯ ®

設計時還要考慮組織進氣渦流。

（四）空氣濾清器

通道面積，除塵效果 ® 流動阻力¯ ®

經(jīng)常清洗，更換紙芯。

（五）化油器

喉口截面積¯ ® 流動阻力 ® ¯，但霧化效果。

解決這對矛盾，采用雙喉口。小喉口：霧化；大喉口：進氣。

二合理選擇配氣定時

（一）配氣定時的綜合評定

1 良好的充氣效率以保證發(fā)動機的動力性能。

2 合適的充氣效率以適應發(fā)動機的扭矩特性。

3 較小的換氣損失以適應發(fā)動機的經(jīng)濟性能。

4 必要的燃燒室掃氣以保證高溫零件的熱負荷得以適當降低，達到可靠運行。

5 合適的排氣溫度。

調(diào)整：1，2－進氣遲閉角；3－排氣提前角；4，5－氣門疊開角

（二）進氣遲閉角

1 轉速n一定時，總有一個進氣遲閉角使得充氣效率為最大。

2 n¯¯ ® 氣流慣性 ¯ ® 缸內(nèi)氣體易倒流進氣管 ® ¯

n ® 一部分氣體來不及進入汽缸 ® ¯

3 ® 對應的n

所以，高速發(fā)動機轉速大，要獲得好的充氣效率和動力性，進氣遲閉角應大

一些。

4 n ®

（三）排氣提前角

¯ ® d ® ，其中d－后期膨脹比。

考慮經(jīng)濟性，在排氣損失最小的前提下，盡量減小排氣提前角。

（四）氣門疊開角

® 缸內(nèi)氣體易倒流進氣管； ¯¯ ® ， ® ¯

增壓發(fā)動機氣門疊開角應大一些。

§2-5 進氣管內(nèi)的動態(tài)效應

一現(xiàn) 象

195柴油機：進氣管長度L = 300 mm L = 1140 mm

氣體在進排氣管中有壓力波動現(xiàn)象，有效組織、利用壓力波動，可以提高充

氣效率。

進氣門開閉時： ® pa ®

排氣門開閉時： ¯ ® pr¯ ®

動態(tài)效應與進排氣管的長度和直徑有關。

二波的動態(tài)機理

閉口端：進：壓縮波 ® 反射: 壓縮波－同型波

進：膨脹波 ® 反射: 膨脹波－同型波

開口端：進：壓縮波 ® 反射: 膨脹波－異型波

進：膨脹波 ® 反射: 壓縮波－異型波

三進氣動態(tài)效應

（一）慣性效應

階段：進氣門開 ® 進氣門閉

¬ 膨脹波

® 壓縮波（進氣門閉）

（二）波動效應

階段：進氣門閉 ® 下一循環(huán)進氣門開

¬ 壓縮波

® 膨脹波

¬ 膨脹波

® 壓縮波（進氣門開）

壓力波動是周期性的。

壓力波固有頻率： [ 1/s ] 其中a－進氣管內(nèi)聲速。

發(fā)動機吸氣頻率： [ 1/s ]

令：

當q = 1，2，3… 時，進氣門開，則pa¯ ® ¯。

當q = … 時，進氣門開，則pa ® 。

四結論

1 慣性效應（本循環(huán)），振幅大，衰減小。

波動效應（兩循環(huán)），振幅小，衰減大。

2 高速發(fā)動機，進氣管短；低速發(fā)動機，進氣管長。

3 進氣管直徑¯¯ ® 流動阻力 ® 壓力波強度¯

進氣管直徑 ® 壓力波振幅¯ ® 壓力波強度¯

4 多缸機上，進氣管應分支，且等長。

5 避免急轉彎，則壓力波振幅不會衰減太大。

6 排氣管需要膨脹波，則pr¯ ® 掃氣作用 ®

§2-6 單位時間充氣量與循環(huán)充氣量

單位時間充氣量 G [ kg/h ]，

循環(huán)充氣量 DG [ kg ]，則

[ kg/h ]

n ® G，但n ® pa¯ ® DG¯

G ® 單位時間供油量g ® 與功率有關。

DG ® 循環(huán)供油量Dg ® 與扭矩有關。

圖中虛線為不考慮進氣損失的G和DG曲線；

實際的G和DG曲線如圖中實線所示。

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