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1、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理課件汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理課件1第三章第三章 發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程 2目錄第一節(jié)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程第一節(jié)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程 第二節(jié)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的充量系數(shù)第二節(jié)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的充量系數(shù)第三節(jié)提高第三節(jié)提高發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的換氣過程二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程3第一節(jié) 四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程一、換氣過程 四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程包括從排氣門開啟到進(jìn)氣門關(guān)閉的整個(gè)時(shí)期。換氣過程由排氣過程和進(jìn)氣過程組成，但這兩個(gè)過程不完全獨(dú)立而是有一段時(shí)間是重疊的。1排氣過程 從排氣門早開點(diǎn)到晚關(guān)的曲軸轉(zhuǎn)角為排氣過程。這一階段又可以細(xì)分為兩個(gè)階段。（

2、1）自由排氣階段 從排氣門打開到氣缸壓力接近于排氣管壓力的這個(gè)時(shí)期稱為自由排氣階段。4圖3-1換氣過程中氣缸壓力、排氣管內(nèi)氣體壓力進(jìn)排氣門流通截面積的變化圖5（2）強(qiáng)制排氣階段 這個(gè)階段廢氣是由活塞上行強(qiáng)制推出。2進(jìn)氣過程 由圖3-1中氣缸壓力線上看到，在進(jìn)氣行程初期，由于氣門開啟面積很小，活塞也開始向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又要克服氣流的慣性，因此，缸內(nèi)產(chǎn)生很大的負(fù)壓，新鮮充量流入氣缸。隨著氣門開啟，進(jìn)入缸內(nèi)氣體量增加，氣缸壓力和溫度逐漸上升，到進(jìn)氣終了時(shí)，由于進(jìn)氣動(dòng)能部分轉(zhuǎn)變?yōu)閴耗?，缸?nèi)氣體壓力提高接近或略高于進(jìn)氣管內(nèi)壓力。3氣門重疊和燃燒室掃氣 6二、排氣損失 從排氣門提前打開，直到進(jìn)氣行程開始，缸

3、內(nèi)壓力到達(dá)大氣壓力前循環(huán)功的損失稱為排氣損失。它可分為自由排氣損失和強(qiáng)制排氣損失。圖3-2 進(jìn)、排氣相位圖7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(diǎn)開始偏離理想循環(huán)膨脹線，引起膨脹功的減少。強(qiáng)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(dòng)機(jī)換氣損失W自由排氣損失 Y強(qiáng)制排氣損失 X近期損失 Y+X-u泵氣損失8 隨著排氣提前角的增大，自由排氣損失面積形增加，而此時(shí)強(qiáng)制排氣損失面積Y應(yīng)減小。因而最有利的排氣提前角應(yīng)使面積（W+Y）之和為最小。當(dāng)排氣門截面小，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高時(shí)，按曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)算的實(shí)際超臨界排氣時(shí)期延長，為減少排氣損失，應(yīng)適當(dāng)加大排氣提前角。

4、圖3-4 排氣門提前角和排氣損失a最適合 b過早 c過晚 d排氣門面積過小9三、進(jìn)氣損失 由于進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力，進(jìn)氣過程的氣缸壓力低于進(jìn)氣管壓力（非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中一般設(shè)為大氣壓力），損失的功相當(dāng)于圖X所表示的面積，稱為進(jìn)氣損失。10第二節(jié)第二節(jié) 四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的充量系數(shù)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)換氣過程完善程度的重要指標(biāo)，又叫充量效率或容積效率。它定義為每缸每循環(huán)實(shí)際吸入氣缸的新鮮空氣質(zhì)量與進(jìn)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(shí)際進(jìn)入氣缸的新鮮空氣的質(zhì)量；是實(shí)際進(jìn)入氣缸的新鮮空氣在進(jìn)氣狀態(tài)下的體積；是進(jìn)氣狀態(tài)下理論計(jì)算充滿氣缸工作容積的空氣質(zhì)量；是

5、氣缸工作容積。11 進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)氣缸容積為 ，此時(shí)缸內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量 ，為 (3-1)式中，為進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)氣缸工質(zhì)的密度。假定氣缸排氣門關(guān)閉時(shí)關(guān)閉點(diǎn)體積為 ，排氣門關(guān)閉時(shí)缸內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量 為 (3-2)式中，為排氣門關(guān)閉時(shí)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(jìn)入氣缸的混合氣量為式中，為循環(huán)燃料量。12 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(jìn)氣時(shí)大氣密度?？紤]到進(jìn)、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(yīng)用氣體狀態(tài)方程式 代入上式，則 （3-3）13 為了比

6、較不同發(fā)動(dòng)機(jī)殘余廢氣量的多少，引入殘余廢氣系數(shù)的概念。殘余廢氣系數(shù)是進(jìn)氣過程結(jié)束時(shí)氣缸內(nèi)殘余廢氣量與進(jìn)入氣缸中新鮮空氣的比值。(3-4)二、充量系數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)功率、轉(zhuǎn)矩的關(guān)系 充量系數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)功率、轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，可通過下列公式進(jìn)一步看出，隨著充量系數(shù)值的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩都提高。14如果將發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣過程采用當(dāng)時(shí)的大氣狀態(tài)，其理論充量為:每循環(huán)的實(shí)際充量：1kg燃油實(shí)際供給的空氣量為 ，實(shí)際充量為時(shí)應(yīng)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：15平均指示壓力：（2-5）式中 為

7、氣體密度平均有效壓力：若在一般大氣狀態(tài)下，視為常數(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(duì)每種發(fā)動(dòng)機(jī)均有一定的數(shù)值。16 發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率為 （3-7）式中令 ，對(duì)每種發(fā)動(dòng)機(jī)為一常數(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩可表示為下式：（3-8）式中令 ，對(duì)每種發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)氣（或大氣）的狀態(tài)、進(jìn)氣終了的氣缸壓力和溫度、殘余廢氣系數(shù)、壓縮比及進(jìn)排氣相位角等。17 三、影響充量系數(shù)的因素 影響充量系數(shù)的因素有進(jìn)氣（或大氣）的狀態(tài)、進(jìn)氣終了的氣缸壓力和溫度、殘余廢氣系數(shù)、壓

8、縮比及進(jìn)排氣相位角等。1進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)缸內(nèi)壓力 進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)缸內(nèi)壓力對(duì)充量系數(shù)的影響較大，進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)缸內(nèi)壓力值愈高，充量系數(shù)值愈大。2進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)缸內(nèi)氣體溫度 進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)，缸內(nèi)氣體溫度高于進(jìn)氣狀態(tài)溫度。引起升高的原因是新鮮工質(zhì)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)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(yīng)力求降低缸內(nèi)氣體溫度值。183殘余廢氣系數(shù) 氣缸中殘余廢氣增多會(huì)使燃燒惡化，使充量系數(shù)下降。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性能和排放性能亦有影響。4進(jìn)排氣相位角 由于進(jìn)氣門遲閉而使新鮮充量的容積減小，但進(jìn)氣時(shí)終了時(shí)氣缸壓力值卻可能因氣流慣性而

9、有所增加。合適的配氣相位應(yīng)該考慮 具有最大值。5壓縮比壓縮比增加，燃燒室容積減小，殘余廢氣的相對(duì)量隨之減少，因此充量系數(shù)有所增加。6進(jìn)氣狀態(tài)進(jìn)氣溫度升高，進(jìn)氣壓力下降均會(huì)使進(jìn)入氣缸充量的密度減小，絕對(duì)進(jìn)氣量減少。但影響不大。19第三節(jié) 提高發(fā)動(dòng)機(jī)充量系數(shù)的措施 一、降低進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)（非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)）是由空氣濾清器、進(jìn)氣管、進(jìn)氣道和進(jìn)氣門所組成。減少各段通路對(duì)氣流的阻力可以有效提高充量系數(shù)。1減少進(jìn)氣門處的流動(dòng)損失(1)進(jìn)氣馬赫數(shù) 受氣門大小、形狀、升程規(guī)律、進(jìn)氣相位等因素影響。20a）發(fā)動(dòng)機(jī)DS=83mm86mm、4缸、b）發(fā)動(dòng)機(jī)DS=42mm35mm、1缸、L1、L2及S1、

10、S2為不同進(jìn)氣門角度及面積值 圖3-5 充氣系數(shù)與平均進(jìn)氣馬赫數(shù)M的關(guān)系 21(2)減少氣門處流動(dòng)損失 增大氣門相對(duì)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(jìn)氣門直徑可以擴(kuò)大氣流通路截面積，提高充量系數(shù)。圖3-6 現(xiàn)代汽油機(jī)的排量、轉(zhuǎn)矩和輸出功率222減少進(jìn)氣道、進(jìn)氣管和空氣濾清器的阻力二、減少對(duì)進(jìn)氣充量的加熱新鮮充量在吸入過程中，受到進(jìn)氣管、進(jìn)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。23四、合理選

11、擇進(jìn)、排氣相位角 合理選擇進(jìn)、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(shí)，適當(dāng)推遲進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)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(dòng)能一定，則存在相應(yīng)的最佳進(jìn)氣門遲閉角度。五、諧振進(jìn)氣與可變進(jìn)氣支管 諧振進(jìn)氣和可變進(jìn)氣支管都是利用進(jìn)氣管的動(dòng)態(tài)效應(yīng)來提高充量系數(shù)。24圖3-7 進(jìn)氣管內(nèi)壓力波動(dòng)a)進(jìn)氣系統(tǒng)簡圖 b)進(jìn)氣門處壓力波動(dòng)1吸氣波 2反射波 3合成波 進(jìn)氣持續(xù)角 曲軸轉(zhuǎn)角 L進(jìn)氣管長度25諧振進(jìn)氣系統(tǒng)利用一定長度和直徑的進(jìn)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(jìn)氣。在此基礎(chǔ)上，隨轉(zhuǎn)速變化控制諧振室接入進(jìn)氣道，可以在特定的

12、高、低兩個(gè)轉(zhuǎn)速階段，利用進(jìn)氣管的動(dòng)態(tài)效應(yīng)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(jìn)氣支管。圖3-8 進(jìn)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(dòng)機(jī)電子控制單元 26另一種可變進(jìn)氣支管 圖3-9 雙通道可變進(jìn)氣支管1短進(jìn)氣道 2旋轉(zhuǎn)閥 3長進(jìn)氣道 4噴油器 5進(jìn)氣道 6進(jìn)氣門27第四節(jié)第四節(jié) 二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程一、二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程 當(dāng)燃燒-膨脹過程開始，活塞從上止點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)直至下止點(diǎn)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(diǎn)），直到活塞至下止點(diǎn)后，返回上行到其頂部遮閉排氣口的整個(gè)期間，即示功圖 曲線

13、為二沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣過程根據(jù)氣體流動(dòng)情況，二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程可分為3個(gè)階段：圖3-10 曲軸箱掃氣二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程a）、b）、c）工作機(jī)構(gòu)簡圖；d）工作缸內(nèi)示功圖1排氣口 2掃氣門 3進(jìn)氣門 28(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(jìn)入氣缸。(2)強(qiáng)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(jìn)入氣缸，并利用進(jìn)入氣體強(qiáng)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(diǎn)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(shí)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

14、止。29二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程與四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程的性能特點(diǎn)。1)二沖程機(jī)換氣時(shí)間短，新鮮充量與廢氣又長期摻混，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(jī)有效工作行程減小，再加之掃氣要耗費(fèi)較多的能量，所以其指示熱效率明顯低于四沖程機(jī)，燃油消耗率較高。3)二沖程機(jī)變工況運(yùn)行時(shí)，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(jī)變工況運(yùn)行時(shí)的性能較差。4)二沖程汽油機(jī)由于掃氣時(shí)新鮮混合氣的逸出，不僅使經(jīng)濟(jì)性變差，也使HC排放量增多。30二、掃氣系統(tǒng)的基本方案 根據(jù)二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)新鮮工質(zhì)流動(dòng)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

15、型 二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)置。圖3-11 橫流掃氣形式以及氣口開啟高度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系 312回流換氣型 掃氣口與排氣口不對(duì)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(yùn)動(dòng)，并流過整個(gè)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(duì)向活塞式 c）氣口開啟高度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系 32三、換氣系統(tǒng)評(píng)價(jià) 常用下述三個(gè)指標(biāo)來評(píng)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

16、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(jì)算的理論充量的質(zhì)量的比值。可按大氣壓力或掃氣壓力來計(jì)算。3充量系數(shù) 定義與四沖程機(jī)相同。主要反映了整個(gè)進(jìn)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；33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。342.掃氣壓力當(dāng)過量掃氣系數(shù)一定時(shí)，掃氣壓力越高，掃氣流的擾動(dòng)越強(qiáng)，越容易短路，掃氣效率降低，尤其是在橫流掃氣時(shí)，下降急劇。3.行程缸徑比行程缸徑比加大時(shí)，

17、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(duì)氣口掃氣式二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)不適宜采用長行程。4轉(zhuǎn)速由于掃氣泵在高轉(zhuǎn)速時(shí)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(dāng)減小，管內(nèi)的壓力波會(huì)使掃氣時(shí)排氣的背壓降低，改善換氣質(zhì)量。潤汽管因此做得粗而短。35 1.1.為什么發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門遲后關(guān)閉、排氣門提前開為什么發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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。提前與遲后的角度與哪些因素有關(guān)？2 2四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程包括哪幾個(gè)

18、階段，這四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程包括哪幾個(gè)階段，這幾個(gè)階段是如何界定的？幾個(gè)階段是如何界定的？3 3影響充量系數(shù)的主要因素有哪些？影響充量系數(shù)的主要因素有哪些？4 4提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速，從換氣方面會(huì)遇到哪提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速，從換氣方面會(huì)遇到哪些阻礙因素，如何克服？些阻礙因素，如何克服？5 5什么是進(jìn)氣管動(dòng)力效應(yīng)，怎樣利用它來提高什么是進(jìn)氣管動(dòng)力效應(yīng)，怎樣利用它來提高充量系數(shù)？充量系數(shù)？366什么叫進(jìn)氣馬赫數(shù)？它對(duì)充量系數(shù)有什么影響？什么叫進(jìn)氣馬赫數(shù)？它對(duì)充量系數(shù)有什么影響？7.二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程包括哪幾個(gè)階段，這幾個(gè)二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程包括哪幾個(gè)階段，這幾個(gè)階段是如何界定的？階段是如何界定的？8.二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)換氣系統(tǒng)基本形式。二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)換氣系統(tǒng)基本形式。9.評(píng)價(jià)二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)換氣系統(tǒng)質(zhì)量的參數(shù)。評(píng)價(jià)二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)換氣系統(tǒng)質(zhì)量的參數(shù)。10.影響二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)掃氣效率的因素有哪些？影響二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)掃氣效率的因素有哪些？3738