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1、汽車發(fā)動機原理汽車發(fā)動機原理課件課件第三章第三章 發(fā)動機的換氣過程發(fā)動機的換氣過程 目錄第一節(jié)第一節(jié)四沖程發(fā)動機的換氣過程四沖程發(fā)動機的換氣過程 第二節(jié)四沖程發(fā)動機的充量系數(shù)第二節(jié)四沖程發(fā)動機的充量系數(shù)第三節(jié)提高第三節(jié)提高發(fā)動機發(fā)動機的充量系數(shù)的措施的充量系數(shù)的措施第四節(jié)第四節(jié)二沖程發(fā)動機的換氣過程二沖程發(fā)動機的換氣過程第一節(jié) 四沖程發(fā)動機的換氣過程一、換氣過程 四沖程發(fā)動機的換氣過程包括從排氣門開啟到進氣門關(guān)閉的整個時期。換氣過程由排氣過程和進氣過程組成，但這兩個過程不完全獨立而是有一段時間是重疊的。1排氣過程 從排氣門早開點到晚關(guān)的曲軸轉(zhuǎn)角為排氣過程。這一階段又可以細分為兩個階段。（1）自

2、由排氣階段 從排氣門打開到氣缸壓力接近于排氣管壓力的這個時期稱為自由排氣階段。圖3-1換氣過程中氣缸壓力、排氣管內(nèi)氣體壓力進排氣門流通截面積的變化圖（2）強制排氣階段 這個階段廢氣是由活塞上行強制推出。2進氣過程 由圖3-1中氣缸壓力線上看到，在進氣行程初期，由于氣門開啟面積很小，活塞也開始向下運動，同時又要克服氣流的慣性，因此，缸內(nèi)產(chǎn)生很大的負壓，新鮮充量流入氣缸。隨著氣門開啟，進入缸內(nèi)氣體量增加，氣缸壓力和溫度逐漸上升，到進氣終了時，由于進氣動能部分轉(zhuǎn)變?yōu)閴耗?，缸?nèi)氣體壓力提高接近或略高于進氣管內(nèi)壓力。3氣門重疊和燃燒室掃氣 二、排氣損失 從排氣門提前打開，直到進氣行程開始，缸內(nèi)壓力到達大

3、氣壓力前循環(huán)功的損失稱為排氣損失。它可分為自由排氣損失和強制排氣損失。圖3-2 進、排氣相位圖自由排氣損失（圖中面積W）是因排氣門提前打開，排氣壓力線從點開始偏離理想循環(huán)膨脹線，引起膨脹功的減少。強制排氣損失（圖中面積Y）是活塞將廢氣推出所消耗的功。圖3-3 四沖程發(fā)動機換氣損失W自由排氣損失 Y強制排氣損失 X近期損失 Y+X-u泵氣損失 隨著排氣提前角的增大，自由排氣損失面積形增加，而此時強制排氣損失面積Y應減小。因而最有利的排氣提前角應使面積（W+Y）之和為最小。當排氣門截面小，發(fā)動機轉(zhuǎn)速高時，按曲軸轉(zhuǎn)角計算的實際超臨界排氣時期延長，為減少排氣損失，應適當加大排氣提前角。圖3-4 排氣門

4、提前角和排氣損失a最適合 b過早 c過晚 d排氣門面積過小三、進氣損失 由于進氣系統(tǒng)的阻力，進氣過程的氣缸壓力低于進氣管壓力（非增壓發(fā)動機中一般設(shè)為大氣壓力），損失的功相當于圖X所表示的面積，稱為進氣損失。第二節(jié)第二節(jié) 四沖程發(fā)動機的充量系數(shù)四沖程發(fā)動機的充量系數(shù)一、充量系數(shù) 充量系數(shù)是衡量不同發(fā)動機換氣過程完善程度的重要指標，又叫充量效率或容積效率。它定義為每缸每循環(huán)實際吸入氣缸的新鮮空氣質(zhì)量與進氣狀態(tài)下充滿氣缸工作容積的理論空氣質(zhì)量比值。式中，是實際進入氣缸的新鮮空氣的質(zhì)量；是實際進入氣缸的新鮮空氣在進氣狀態(tài)下的體積；是進氣狀態(tài)下理論計算充滿氣缸工作容積的空氣質(zhì)量；是氣缸工作容積。進氣門關(guān)

5、閉時氣缸容積為 ，此時缸內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量 ，為 (3-1)式中，為進氣門關(guān)閉時氣缸工質(zhì)的密度。假定氣缸排氣門關(guān)閉時關(guān)閉點體積為 ，排氣門關(guān)閉時缸內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量 為 (3-2)式中，為排氣門關(guān)閉時氣缸工質(zhì)的密度。由此可得每循環(huán)充入氣缸的新鮮混合氣質(zhì)量 為 進入氣缸的混合氣量為式中，為循環(huán)燃料量。由第四章空燃比的關(guān)系得 式中，為過量空氣系數(shù)；為單位質(zhì)量的燃料燃燒理論供給空氣量。令 稱為混合氣的空氣量比例系數(shù)，所以有 式中，為進氣時大氣密度?？紤]到進、排氣門遲閉，令 ,則有 假定殘余廢氣與新鮮充量的氣體常數(shù)近似相等，應用氣體狀態(tài)方程式 代入上式，則 （3-3）為了比較不同發(fā)動機殘余廢氣量的多少，引入殘余廢

6、氣系數(shù)的概念。殘余廢氣系數(shù)是進氣過程結(jié)束時氣缸內(nèi)殘余廢氣量與進入氣缸中新鮮空氣的比值。(3-4)二、充量系數(shù)與發(fā)動機功率、轉(zhuǎn)矩的關(guān)系 充量系數(shù)與發(fā)動機功率、轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，可通過下列公式進一步看出，隨著充量系數(shù)值的提高，發(fā)動機的功率和轉(zhuǎn)矩都提高。如果將發(fā)動機的進氣過程采用當時的大氣狀態(tài)，其理論充量為:每循環(huán)的實際充量：1kg燃油實際供給的空氣量為 ，實際充量為時應供給的循環(huán)供油量為：式中：過量空氣系數(shù)；為1kg燃料完全燃燒所需的理論空氣量。每循環(huán)燃油燃燒放出的熱量為：式中：為燃料的低熱值（KJ/kg）每循環(huán)的指示功為：平均指示壓力：（2-5）式中 為氣體密度平均有效壓力：若在一般大氣狀態(tài)下，視為常

7、數(shù)，、僅與燃燒有關(guān)，通常石油中 、近乎不變，因此平均有效壓力可表示為下式：（2-6）式中：為比例常數(shù)，對每種發(fā)動機均有一定的數(shù)值。發(fā)動機的有效功率為 （3-7）式中令 ，對每種發(fā)動機為一常數(shù)。發(fā)動機轉(zhuǎn)矩可表示為下式：（3-8）式中令 ，對每種發(fā)動機也是常數(shù)。三、影響充量系數(shù)的因素 由式(3-7)、（3-8）及(3-6)可見，影響充量系數(shù)的因素有進氣（或大氣）的狀態(tài)、進氣終了的氣缸壓力和溫度、殘余廢氣系數(shù)、壓縮比及進排氣相位角等。三、影響充量系數(shù)的因素 影響充量系數(shù)的因素有進氣（或大氣）的狀態(tài)、進氣終了的氣缸壓力和溫度、殘余廢氣系數(shù)、壓縮比及進排氣相位角等。1進氣門關(guān)閉時缸內(nèi)壓力 進氣門關(guān)閉時缸

8、內(nèi)壓力對充量系數(shù)的影響較大，進氣門關(guān)閉時缸內(nèi)壓力值愈高，充量系數(shù)值愈大。2進氣門關(guān)閉時缸內(nèi)氣體溫度 進氣門關(guān)閉時，缸內(nèi)氣體溫度高于進氣狀態(tài)溫度。引起升高的原因是新鮮工質(zhì)進入發(fā)動機與高溫零件接觸而被加熱，新鮮工質(zhì)與高溫殘余廢氣混合而被加熱。氣體溫度值愈高，充入氣缸工質(zhì)密度愈小，充量系數(shù)愈低。因此，在條件允許的情況下應力求降低缸內(nèi)氣體溫度值。3殘余廢氣系數(shù) 氣缸中殘余廢氣增多會使燃燒惡化，使充量系數(shù)下降。對發(fā)動機經(jīng)濟性能和排放性能亦有影響。4進排氣相位角 由于進氣門遲閉而使新鮮充量的容積減小，但進氣時終了時氣缸壓力值卻可能因氣流慣性而有所增加。合適的配氣相位應該考慮 具有最大值。5壓縮比壓縮比增加

9、，燃燒室容積減小，殘余廢氣的相對量隨之減少，因此充量系數(shù)有所增加。6進氣狀態(tài)進氣溫度升高，進氣壓力下降均會使進入氣缸充量的密度減小，絕對進氣量減少。但影響不大。第三節(jié) 提高發(fā)動機充量系數(shù)的措施 一、降低進氣系統(tǒng)的阻力發(fā)動機的進氣系統(tǒng)（非增壓發(fā)動機）是由空氣濾清器、進氣管、進氣道和進氣門所組成。減少各段通路對氣流的阻力可以有效提高充量系數(shù)。1減少進氣門處的流動損失(1)進氣馬赫數(shù) 受氣門大小、形狀、升程規(guī)律、進氣相位等因素影響。a）發(fā)動機DS=83mm86mm、4缸、b）發(fā)動機DS=42mm35mm、1缸、L1、L2及S1、S2為不同進氣門角度及面積值 圖3-5 充氣系數(shù)與平均進氣馬赫數(shù)M的關(guān)系

10、(2)減少氣門處流動損失 增大氣門相對通過面積，提高氣門處流量系數(shù)以及合理的配氣相位是限制值是提高充量系數(shù)的主要方法。增大進氣門直徑可以擴大氣流通路截面積，提高充量系數(shù)。圖3-6 現(xiàn)代汽油機的排量、轉(zhuǎn)矩和輸出功率2減少進氣道、進氣管和空氣濾清器的阻力二、減少對進氣充量的加熱新鮮充量在吸入過程中，受到進氣管、進氣道、氣門、氣缸壁和活塞等一系列受熱零件的加熱，引起溫升。三、降低排氣系統(tǒng)流通阻力降低排氣系統(tǒng)流通阻力，使氣缸內(nèi)廢氣壓力下降，這不僅可以減少殘余廢氣系數(shù)，有利于提高充量系數(shù)，而且可以減少泵氣功。四、合理選擇進、排氣相位角 合理選擇進、排氣相位角，可以獲得較好的充氣效果，特別是在高轉(zhuǎn)速時，適

11、當推遲進氣門關(guān)閉時間，可以利用高速氣流的慣性來增加每循環(huán)氣缸充氣量。即轉(zhuǎn)速一定，氣流動能一定，則存在相應的最佳進氣門遲閉角度。五、諧振進氣與可變進氣支管 諧振進氣和可變進氣支管都是利用進氣管的動態(tài)效應來提高充量系數(shù)。圖3-7 進氣管內(nèi)壓力波動a)進氣系統(tǒng)簡圖 b)進氣門處壓力波動1吸氣波 2反射波 3合成波 進氣持續(xù)角 曲軸轉(zhuǎn)角 L進氣管長度諧振進氣系統(tǒng)利用一定長度和直徑的進氣支管與一定容積的諧振室，在特定的轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生大幅值壓力波，從而增加進氣。在此基礎(chǔ)上，隨轉(zhuǎn)速變化控制諧振室接入進氣道，可以在特定的高、低兩個轉(zhuǎn)速階段，利用進氣管的動態(tài)效應來提高充量系數(shù)。隨著電子控制技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了可變進氣

12、支管。圖3-8 進氣管長度可變系統(tǒng)1空氣濾清器 2節(jié)氣門 3轉(zhuǎn)換閥 4轉(zhuǎn)換閥控制裝置 5發(fā)動機電子控制單元 另一種可變進氣支管 圖3-9 雙通道可變進氣支管1短進氣道 2旋轉(zhuǎn)閥 3長進氣道 4噴油器 5進氣道 6進氣門第四節(jié)第四節(jié) 二沖程發(fā)動機的換氣過程二沖程發(fā)動機的換氣過程一、二沖程發(fā)動機的換氣過程 當燃燒-膨脹過程開始，活塞從上止點向下運動直至下止點前活塞頂部開啟排氣口，膨脹過程即告結(jié)束。排氣行程開始（示功圖上 點），直到活塞至下止點后，返回上行到其頂部遮閉排氣口的整個期間，即示功圖 曲線為二沖程內(nèi)燃機的換氣過程根據(jù)氣體流動情況，二沖程發(fā)動機換氣過程可分為3個階段：圖3-10 曲軸箱掃氣二

13、沖程發(fā)動機工作過程a）、b）、c）工作機構(gòu)簡圖；d）工作缸內(nèi)示功圖1排氣口 2掃氣門 3進氣門(1)自由排氣階段:從排氣口開啟到掃氣口開啟，新鮮工質(zhì)開始進入氣缸。(2)強制排氣和掃氣階段:掃氣口開啟，提高了壓力和新鮮工質(zhì)進入氣缸，并利用進入氣體強制廢氣排出缸外，即掃除廢氣又充人新鮮工質(zhì)，直至活塞到下止點后返回，上行將掃氣口遮閉，掃氣過程結(jié)束。(3)額外排氣階段:在掃氣口關(guān)閉之后，排氣口還開著，這時由于活塞上行的排擠和廢氣氣流的慣性，而繼續(xù)排出廢氣或新鮮工質(zhì)與廢氣的混合氣，直至排氣口關(guān)閉為止。二沖程發(fā)動機換氣過程與四沖程發(fā)動機換氣過程的性能特點。1)二沖程機換氣時間短，新鮮充量與廢氣又長期摻混，

14、所以換氣質(zhì)量不高，殘余廢氣系數(shù)較大，又容易出現(xiàn)新氣流失。2)二沖程機有效工作行程減小，再加之掃氣要耗費較多的能量，所以其指示熱效率明顯低于四沖程機，燃油消耗率較高。3)二沖程機變工況運行時，換氣過程變化較大，易于偏離優(yōu)化匹配狀態(tài)，所以二沖程機變工況運行時的性能較差。4)二沖程汽油機由于掃氣時新鮮混合氣的逸出，不僅使經(jīng)濟性變差，也使HC排放量增多。二、掃氣系統(tǒng)的基本方案 根據(jù)二沖程發(fā)動機氣缸內(nèi)新鮮工質(zhì)流動的性質(zhì)，換氣系統(tǒng)可分為橫流換氣型、回流換氣型和直流換氣型等三種形式。1橫流換氣型 二沖程發(fā)動機最早的換氣形式。掃氣口與排氣口在氣缸圓周下部的兩側(cè)對置。圖3-11 橫流掃氣形式以及氣口開啟高度隨曲

15、軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系 2回流換氣型 掃氣口與排氣口不對置，而往往位于氣缸同側(cè)。3直流換氣型掃氣氣流沿氣缸軸線由下向上運動，并流過整個氣缸斷面，新鮮工質(zhì)與廢氣的摻混較少，換氣質(zhì)量高。圖3-12 回流掃氣a）三口回流掃氣 b）氣門開啟高度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系 圖3-13 直流掃氣a）氣口-氣門式 b）對向活塞式 c）氣口開啟高度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系 三、換氣系統(tǒng)評價 常用下述三個指標來評定換氣效果。1掃氣系數(shù) 定義為：換氣結(jié)束后，留在氣缸內(nèi)新鮮充量的質(zhì)量與缸內(nèi)工質(zhì)總質(zhì)量之比值。2過量掃氣系數(shù)（給氣比）定義為：每循環(huán)由掃氣孔流出的新鮮充量的質(zhì)量與按氣缸排量計算的理論充量的質(zhì)量的比值。可按大氣壓力或掃氣壓

16、力來計算。3充量系數(shù) 定義與四沖程機相同。主要反映了整個進氣過程（由大氣直到缸內(nèi)）組織的好壞。式中：-殘余廢氣系數(shù)。-殘余廢氣量；圖3-14 各種掃氣形式的掃氣效率1完全掃氣 2直流式掃氣 3回流式掃氣 4橫流式掃氣 四、影響掃氣效率的因案1.掃氣方式如圖3-14所示，直流掃氣的掃氣效率最高，回流次之，橫流最低。2.掃氣壓力當過量掃氣系數(shù)一定時，掃氣壓力越高，掃氣流的擾動越強，越容易短路，掃氣效率降低，尤其是在橫流掃氣時，下降急劇。3.行程缸徑比行程缸徑比加大時，直流掃氣的掃氣效率略有提高，而回流掃氣和橫流掃氣則掃氣效率減小，特別是橫流掃氣下降顯著。因此，對氣口掃氣式二沖程發(fā)動機不適宜采用長行程。4轉(zhuǎn)速由于掃氣泵在高轉(zhuǎn)速時掃氣壓力較高而使掃氣效率下降。缸徑與轉(zhuǎn)速的乘積越大，掃氣越困難。因此，直流掃氣的；回流掃氣的。5掃氣排氣系統(tǒng)主要指排氣管的長度和直徑的影響。排氣管的長度適當減小，管內(nèi)的壓力波會使掃氣時排氣的背壓降低，改善換氣質(zhì)量。潤汽管因此做得粗而短。1.1.為什么發(fā)動機進氣門遲后關(guān)閉、排氣門提前開為什么發(fā)動機進氣門遲后關(guān)閉、排氣門提前開啟。提前與遲后的角度與哪些因素有關(guān)？啟。提前與