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1、第四章内燃机的换气过程,第一节四冲程内燃机的换气过程,一、排气过程二、进气过程三、气门叠开和燃烧室扫气过程,第一节四冲程内燃机的换气过程,图4-1四冲程内燃机换气过程的示意图a)配气相位与低压p-V示功图b)气门升程与p-示功图IVO进气门开启角IVC进气门关闭角EVO排气门开启角EVC排气门关闭角余隙容积气缸工作容积,一、排气过程,由于受配气机构及其运动规律的限制，排气门不可能瞬时完全打开。在排气门开启的最初一段时间(曲轴转角)内，气门升程小，排气流通截面积小，废气排出的流量小。如果排气门刚好在膨胀行程的下止点才开始打开，则由于排气不畅造成气缸压力下降迟缓，活塞在向上止点运动强制排气时，将增
2、加排气冲程所消耗的活塞推出功。所以内燃机的排气门都在膨胀行程到达下止点前的某一曲轴转角位置提前开启，这一角度称为排气提前角。排气提前角的范围为3080(CA)，视发动机的工作方式、转速、增压与否而定，一般汽油机的排气提前角小些，柴油机的大些，增压柴油机的更大一些。,二、进气过程,从进气门开启到关闭，内燃机吸入新鲜充量的整个过程称为进气过程。为了增加进入气缸的新鲜充量，进气门在吸气上止点前要提前开启，在吸气下止点后应推迟关闭。进气门提前开启的角度称为进气提前角，一般在上止点前1040(CA)之间。,三、气门叠开和燃烧室扫气过程,四冲程内燃机换气过程还存在一个特殊的阶段：在进排气上止点前后，由于进
3、气门的提前开启与排气门的延迟关闭，使内燃机从进气门开启到排气门关闭这段曲轴转角内，出现进排气门同时开启的状态，这一现象称为气门叠开。气门叠开所对应的曲轴转角叫气门叠开角，等于排气迟闭角与进气提前角之和。内燃机的形式不同，对气门叠开角大小的要求也有所差异。,第二节四冲程内燃机的换气损失,一、排气损失二、进气损失三、泵气功与泵气损失,第二节四冲程内燃机的换气损失,图4-2四冲程内燃机的换气损失示意图a)自然吸气内燃机理论换气过程b)自然吸气内燃机实际换气过程c)增压内燃机理论换气过程d)增压内燃机实际换气过程W膨胀损失X推出损失Y吸气损失,一、排气损失,图4-3排气提前角和转速对排气损失的影响a)
4、转速不变时排气提前角的影响b)排气提前角不变时转速的影响,二、进气损失,图4-4换气损失随内燃机转速的变化,三、泵气功与泵气损失,泵气功是指缸内气体对活塞在强制排气行程和吸气行程所做的功，泵气损失则是指与理论循环相比，发动机的活塞在泵气过程所造成的功的损失2。从图4-2可以看出，对于自然吸气发动机，它的泵气功的大小可用图中面积Y+X表示，对整个循环来说为负功，泵气损失在数值上等于它的泵气功。对于增压发动机，由于进气压力高于排气背压，因此它的泵气功大于零，其泵气损失依然可以用图中面积X+Y来表示，其值为负。,第三节提高内燃机充量系数的措施,一、四冲程内燃机的充量系数二、提高充量系数的技术措施,一
5、、四冲程内燃机的充量系数,1)降低进气系统的阻力损失，提高气缸内进气终了压力pa。2)降低排气系统的阻力损失，减小缸内的残余废气系数r。3)减少高温零件在进气过程中对新鲜充量的加热，以降低进气终了时的充量温4)合理的配气正时和气门升程规律，在减小mr的同时增加m1，即增加pa，减小r。,二、提高充量系数的技术措施,1.降低进气系统的流动阻力2.采用可变配气系统技术3.合理利用进气谐振4.降低排气系统的流动阻力5.减少对进气充量的加热,1.降低进气系统的流动阻力,虽然充量系数的表达式中不直接反映进气流动过程，但所有损失恰恰是由于流动造成的。按进气系统流动阻力的性质可分为两类，一类是沿程阻力，即管
6、道摩擦阻力，它与流速、管长、管壁表面质量等有关；另一类是局部阻力，它是由于流通截面的大小、形状以及流动方向的变化造成局部产生涡流所引起的损失。在内燃机进气流动中，由于进气的管道粗短，壁面比较光滑，其沿程阻力并不大，进气流动的局部阻力损失是主要损失，是一系列不同的局部阻力叠加而成，尤其是在空气滤清器、流道转弯处和进气门座圈处，因此，降低这些部位的局部阻力损失，对降低进气系统的流动阻力，提高充量系数有显著的作用。,1.降低进气系统的流动阻力,图4-5充量系数与平均进气马赫数的关系,1.降低进气系统的流动阻力,图4-6不同进气门数的方案比较I进气门E排气门,1.降低进气系统的流动阻力,0407.ti
7、f,1.降低进气系统的流动阻力,0408.tif,2.采用可变配气系统技术,1)低速时，采用较小的气门叠开角以及较小的气门升程，防止出现缸内新鲜充量向进气系统的倒流，以增加低速转矩，提高燃油经济性。2)高速时应具有最大的气门升程和进气门迟闭角，以最大限度地减小流动阻力，并充分利用过后充气，提高充量系数，满足发动机高速时动力性的要求。3)配合以上变化，进气门从开启到关闭的进气持续角也进行相应地调整，以实现不同工况下最佳的气门正时，将泵气损失降到最低。,2.采用可变配气系统技术,图4-9发动机转速和进气迟闭角对充量系数的影响,图4-10气门正时和升程变化示意图a)固定的气门正时和气门升程b)气门正
8、时不变，气门升程可变c)气门正时可变，气门升程不变d)气门正时和气门升程均可变,图4-11三段式凸轮可变配气系统i-VTEC发动机的外特性,3.合理利用进气谐振,图4-12进气管对充量系数的影响a)进气管长度的影响b)进气管管径的影响,3.合理利用进气谐振,图4-13可变进气系统及其对发动机性能的影响,4.降低排气系统的流动阻力,降低排气系统阻力，可以使气缸内的残余废气压力下降，这样不仅减小了残余废气系数，提高充量系数，而且可以减少泵气损失，提高发动机的热效率。排气系统的设计原则是降低排气背压，减小排气噪声。与进气系统一样，排气流通截面最小处是排气门座处，此处的流速最高，压降最大，故在设计时应
9、保证排气门处的良好流体动力性能。排气道应当是渐扩型，以保证排出气体的充分膨胀。排气管也存在谐振现象，所希望的谐振效果是使排气门处的压力降低，以利于排气。良好的歧管流型与结构也有助于降低排气流动阻力，特别是对于高速多缸发动机，为避免排气压力波的互相干涉，用多枝型排气管或多排气管结构来替代单排气管，可以获得良好的低速转矩与充量系数。在排气管中往往还有消声器和排气后处理器(催化转化器)，设计时应在保证良好的消声与降污效果的前提下，尽可能降低流动阻力。,5.减少对进气充量的加热,在进气过程中，进入气缸的新鲜充量不可避免地被各种高温表面加热，从而导致温度升高，使缸内进气密度下降，充量系数减小。进气温升主
10、要受发动机的结构与运行参数的影响，如进气管结构、发动机转速、负荷、冷却水温度及冷却水道设计等。为提高充量系数，应尽量减少对进气的加热。,第四节内燃机的增压,一、内燃机增压技术概述二、涡轮增压器的工作特性三、排气涡轮增压系统简介四、涡轮增压器与内燃机的匹配五、汽油机的增压技术六、机械增压,一、内燃机增压技术概述,1.内燃机的增压方式2.增压对内燃机动力性和经济性的影响3.发动机增压技术的优势与代价,1.内燃机的增压方式,(1)机械增压发动机输出轴直接驱动机械增压装置(如螺杆式、离心式、滑片式、涡旋式、转子活塞式等压缩机)，实现对进气的压缩。(2)排气涡轮增压压气机与涡轮同轴相连，构成涡轮增压器，
11、涡轮在排气能量的推动下旋转，带动压气机工作，实现对进气增压。,(1)机械增压发动机输出轴直接驱动机械增压装置(如螺杆式、离心式、滑片式、涡旋式、转子活塞式等压缩机)，实现对进气的压缩。,(2)排气涡轮增压,图4-14内燃机增压的几种基本形式a)机械增压b)一级涡轮增压c)二级涡轮增压d)复合增压E发动机C压气机T涡轮机,3.发动机增压技术的优势与代价,优势1)增压器的质量与尺寸相对发动机而言都很小，增压可以使发动机在总质量和体积基本不变的条件下，输出功率得到大幅度的提高，升功率、比质量功率和比体积功率都有较大增加，因而可以降低单位功率的造价，提高材料的利用率，对于大型柴油机而言，经济效益更加突
12、出。2)与自然吸气内燃机相比，排气可以在涡轮中得到进一步膨胀，因而排气噪声有所降低。3)内燃机增压后有利于高原稀薄空气条件下恢复功率，使之达到或接近平原性能。4)柴油机增压后，缸内温度和压力水平提高，可以使滞燃期缩短，有利于降低压力升高率和燃烧噪声。5)增压柴油机一般采用较大的过量空气系数，HC、CO和碳烟排放降低。6)技术适用性广，适用于从低速到高速的二冲程和四冲程的各种缸径的发动机。,3.发动机增压技术的优势与代价,代价1)增压后缸内工作压力和温度明显提高，机械负荷及热负荷加大，内燃机的可靠性和耐久性受到考验。2)低速时由于排气能量不足，可能会使发动机的低速转矩受到一定影响，对工程机械和车
13、用造成不利影响。3)由于在涡轮增压器中，从排气能量的变化到新的进气压力的建立需要一定的时间，所以内燃机的加速响应性能较自然吸气机型差。4)增压发动机性能的进一步优化，受到增压器及中冷器的限制，其中增压器的问题集中在材料的机械强度、耐热性能、润滑、效率等方面，而对中冷器的要求是体积小、质量轻、效率高。,二、涡轮增压器的工作特性,(一)离心式压气机的工作特性(二)径流式涡轮机的工作原理,二、涡轮增压器的工作特性,图4-15径流式涡轮增压器结构图1压气机蜗壳2压气机叶轮3推力轴承4压气机端密封座5挡油板6中间壳体7浮动轴承8涡轮叶轮9涡轮蜗壳,(一)离心式压气机的工作特性,1.离心式压气机的工作过程
14、2.压气机中的能量转换3.离心式压气机的特性,1.离心式压气机的工作过程,图4-16离心式压气机工作过程简图a)离心式压气机简图b)空气沿压气机通道的参数变化1进气道2工作轮3扩压器4蜗壳,2.压气机中的能量转换,图4-17压气机和涡轮机前后气体状态焓熵图a)压气机中的焓熵变化b)涡轮中的焓熵变化,2.压气机中的能量转换,图4-18离心式压气机的流量特性,3.离心式压气机的特性,1)离心式压气机的特性曲线在相同转速的条件下，压气机增压比b和效率b随压气机流量qmb的变化关系，称为压气机的流量特性，简称为压气机的特性。2)压气机的喘振与堵塞在图4-18中，还有一条压气机的喘振线，是压气机稳定工作
15、的边界。3)压气机的通用特性压气机特性曲线中的参数，都是在一定的大气状态下测得的。,图4-19压气机损失分析图,图4-20压气机的通用特性曲线,(二)径流式涡轮机的工作原理,1.排气在径流式涡轮机中的流动2.涡轮中的能量转换3.涡轮机特性曲线,(二)径流式涡轮机的工作原理,图4-21径流式涡轮机的工作简图1进气蜗壳2喷嘴环3工作轮4出气道,1.排气在径流式涡轮机中的流动,径流式涡轮机主要是由进气蜗壳1、喷嘴环2、工作轮3以及出气道4等组成，如图4-21所示。涡轮机的工作原理与压气机正好相反，内燃机排气由进气蜗壳1流入喷嘴环2，喷嘴环是由周向均匀安装、带有一定倾角的多个叶片组成，叶片之间形成渐缩
16、通道，内燃机高温排气流过喷嘴环时被加速，压力、温度下降，速度大大增加，一部分排气能量转化为气流的动能。部分小型涡轮常设计为无叶喷嘴环结构。,2.涡轮中的能量转换,与压气机相反，涡轮机将排气能量通过喷嘴部分转化为动能，并在叶轮中进一步膨胀，推动涡轮叶片旋转，从而将排气能量转化为机械功,3.涡轮机特性曲线,图4-22涡轮机的通用特性曲线,三、排气涡轮增压系统简介,(一)定压涡轮增压系统(二)脉冲涡轮增压系统(三)定压系统与脉冲系统的比较(四)可变增压系统,三、排气涡轮增压系统简介,图4-23涡轮增压系统的两种基本形式a)定压系统b)脉冲系统,(一)定压涡轮增压系统,图4-24定压涡轮增压柴油机的理
17、论示功图,(二)脉冲涡轮增压系统,脉冲涡轮增压系统(简称脉冲系统)旨在提高在定压系统中损失能量(面积5-b-e)的利用率。这种方案的特点是排气管做得短而细，排气系统容积要尽可能小，使排气能直接迅速地进入涡轮机中膨胀做功，减少节流损失。此外，为减少各缸排气压力波的相互干扰，往往采用两根或更多排气支管将相邻发火气缸的排气相互隔开。图4-24b中，发火顺序为1-5-3-6-2-4，缸1、2、3共用一根排气管，缸4、5、6共用另一根排气管，例如当缸1开始排气后，排气管内的压力pT能够迅速升高到接近缸内气体压力p1，因而减少了排气的节流损失，而在缸1排气过程中，同一排气管内其他气缸尚无排气门打开，与另一
18、排气管中缸5排气也不产生排气压力波的相互干扰。随着排气流入涡轮，缸内和排气管内压力pT迅速下降，待到同一排气管内相邻发火间隔的缸3开始排气时，缸1排气门已经关闭，缸3的排气压力波不会影响缸1的排气过程。随着缸3排气的进行，管内的压力pT又迅速升高，而后又降低，于是形成了排气管内的压力周期性脉动。由于排气管内的压力周期性脉动，造成涡轮进口压力的周期性脉动，涡轮是在进口压力有较大波动的情况下工作的，所以称为脉冲涡轮增压系统。,(三)定压系统与脉冲系统的比较,1.排气能量的利用2.扫气作用3.内燃机的加速性能4.增压器的效率5.增压系统的结构,1.排气能量的利用,脉冲系统中，由于排气节流所造成的排气
19、能量的损失比定压系统的小，同时还考虑了对排气脉冲能量的利用，而在定压系统中，脉冲能量由于排气管容积大而几乎损失殆尽，所以脉冲增压对排气能量的利用比定压增压要好。但当增压比提高时，定压系统排气管内的压力也相应提高，排气能量的损失有所下降，且脉冲能量在排气能量中所占的比重也随增压比的增加而减小，所以两种系统对排气能量的利用效果将随增压比的提高而逐渐接近。一般而言，当增压比小于2.5时，采用脉冲系统对排气能量的利用比较好。,2.扫气作用,图4-25排气脉冲波与内燃机的扫气性能a)脉冲系统b)定压系统,3.内燃机的加速性能,在脉冲系统中，由于排气管容积较小，当内燃机负荷改变时，排气温度和压力的变化很快
20、传递到涡轮机，并由涡轮直接反映到压气机，从而使增压器能较快响应发动机负荷的变化，所以采用脉冲系统的内燃机加速性能好。此外，在内燃机转速降低时，脉冲系统的可用能与定压系统的可用能之比增大，有利于改善内燃机的转矩特性。在排气管容积较大的定压系统中，涡轮机前的压力变化比较缓慢，特别是在低增压时，排气能量的利用率低，加速性能差。定压系统的转矩特性也不如脉冲系统。,4.增压器的效率,从排气涡轮的效率来看，脉冲系统的平均等熵效率比定压系统略低。这是因为在内燃机开始排气时，排气以很高的流速进入涡轮，流动损失增加；涡轮前的排气温度和压力都是周期性脉动的，进入工作轮叶片的排气流动方向也是周期性地改变，这使得气流
21、的撞击损失增加；脉动的压力有时还造成涡轮机的部分进气现象，因此脉冲系统的热效率较低。定压系统的涡轮前压力恒定，且涡轮喷嘴环全周进气，涡轮的效率较高。,5.增压系统的结构,与定压系统相比，脉冲系统的尺寸较大，排气管的结构也比较复杂。综上所述，内燃机在低增压时宜采用脉冲增压系统，高增压时两种系统均可采用。车用发动机大部分时间是在部分负荷下工作，对加速性能和转矩特性要求较高，故较多采用脉冲增压系统。对于船用、发电等场合，由于变工况要求并不突出，对增压系统的空间安装位置也无严格限制，且增压度一般较高，故多采用定压增压系统。,(四)可变增压系统,图4-26可变流通截面涡轮增压器,四、涡轮增压器与内燃机的
22、匹配,(一)内燃机与涡轮增压器的匹配计算(二)涡轮增压器与内燃机联合运行特性的调整(三)内燃机的增压改造,(一)内燃机与涡轮增压器的匹配计算,1)涡轮机和压气机同轴安装：nT=nC。2)扣除机械损失，涡轮机的输出功率与压气机的消耗功率相等：Pb=mPT。3)通过压气机和涡轮机的气体流量有如下关系,(二)涡轮增压器与内燃机联合运行特性的调整,1.流量范围的选择2.联合运行线的调整3.喘振线位置的调整4.压气机堵塞的控制5.涡轮增压器超速和增压压力的调整,(二)涡轮增压器与内燃机联合运行特性的调整,图4-27柴油机与涡轮增压器联合运行特性1负荷特性2负荷特性3外特性线4螺旋桨特性线5喘振边界6最高
23、转速线7最高排温线8最低效率线,(二)涡轮增压器与内燃机联合运行特性的调整,图4-28增压器流量范围的调整,1.流量范围的选择,每个型号的涡轮增压器都有其合适的使用流量范围，它通常是指从喘振线至某一效率等值线(例如b=0.7)或堵塞线所包括的区域。图4-28所示是两种型号的增压器的运行范围示意图，型号的增压器流量特性比型号的小，内燃机的运行线为AB。当内燃机与型号的增压器配合时，联合运行线AB穿过压气机的喘振线，说明该增压器对于所匹配的内燃机而言流量偏大。当与型号匹配时，运行线远离喘振线而位于压气机低效率区，因此无论选择哪一个增压器与内燃机联合运行，都需要进行进一步的调整与匹配。,2.联合运行
24、线的调整,调整涡轮增压器的某些结构参数，如增大涡轮喷嘴环出口截面积等，将内燃机的联合运行线向右移动，使其离开喘振线而进入正常的工作区域。,3.喘振线位置的调整,因为喘振主要是由叶片扩压器引起的，所以改变叶片扩压器的结构参数就可以达到移动喘振线的目的，如改变扩压器的进口角、喉口面积等。实践证明，叶片扩压器喉口面积直接影响压气机的喘振，可以采用改变叶片扩压器喉口面积的办法来控制喘振线的左右移动。还可以通过改变涡轮喷嘴环的出口流通面积、改变运行线的方法适应压气机的特性曲线。,4.压气机堵塞的控制,压气机堵塞现象的产生，是源于在某个流通截面上，气体流动速度达到了声速而导致流量不再增加。试验表明，临界截
25、面一般出现在叶片扩压器的进口喉部附近，但当叶轮进口喉部面积过小时，也可能造成在叶轮喉口附近发生堵塞。因此，适当增大叶片扩压器喉口面积和叶轮喉口面积，可以提高压气机的堵塞流量，从而扩大压气机工作的流量范围。,5.涡轮增压器超速和增压压力的调整,涡轮增压器在运行过程中可能会出现超速现象，即增压内燃机的功率尚未达到额定值时，增压器转速已经达到了允许的最大值，若继续增加发动机功率，增压器将处于超速状态，这是不允许的。采用增大涡轮喷嘴面积的方法，减小涡轮前的排气能量，可克服增压器的超速问题。,(三)内燃机的增压改造,1.压缩比与过量空气系数2.供油系统3.配气相位4.进排气系统5.增压空气的冷却,1.压
26、缩比与过量空气系数,为了降低最高燃烧压力，增压内燃机应适当降低压缩比。增压度越高，压缩比降低幅度越大，但过高的降幅会恶化内燃机的经济性能，且会造成冷起动困难。对于汽油机而言，增压容易诱发爆燃，故降低压缩比是比较普遍的选择。,2.供油系统,为了适应增压后功率增大的要求，需要增加每循环的供油量。对于增压柴油机而言，为了使供油持续期近似不变，常采用以下方法：增大柱塞直径，增加供油速率，提高喷油压力，加大喷孔直径等，这些措施也保证了燃油喷射油束在空气密度提高的情况下有足够的贯穿距离。,3.配气相位,利用增压压力比排气压力高的有利条件，合理地加大气门叠开角，以加强燃烧室扫气，从而降低缸内受热零件的热负荷
27、。试验表明，气门叠开角每增加10(CA)，活塞平均温度降低4。增大气门叠开角除降低受热零件的热负荷以外，还有利于缸内废气的扫除和进气终点温度的降低，使充量系数增大。此外，一定量的扫气降低了排气温度，改善了涡轮的工作条件。,4.进排气系统,进排气系统的设计要与增压系统的要求相一致。如脉冲系统，为了使各缸的排气不至于互相干扰，要求同一排气支管内所连各缸内的排气不能重叠或尽可能地减小重叠。如发火次序为1-5-3-6-2-4的6缸机，可以采用缸1、2、3和缸4、5、6各连一根排气管，每一根管内相邻两缸间的工作夹角为240(CA)，与排气脉冲波的持续时间大致相同，排气干扰不大。,5.增压空气的冷却,对增
28、压器出口空气进行冷却，一方面可以进一步提高内燃机进气管内的空气密度，从而提高内燃机的功率输出，另一方面可以降低内燃机压缩始点的温度和整个循环的平均温度，从而降低内燃机的排气温度、热负荷和NOx排放。对增压器出口空气进行冷却称为中冷，可以利用循环冷却水进行“水冷”或用冷却风扇进行“风冷”。利用冷却风扇加车辆运行过程中所产生的高速气体流动来冷却增压空气的“空-空”中冷方式，可以获得比较好的冷却效果，且布置较为灵活，近年来在车用发动机上获得广泛应用。,五、汽油机的增压技术,1.爆燃2.热负荷3.对增压器的特殊要求,1.爆燃,汽油机增压后，由于混合气的压缩始点压力、温度增高，以及燃烧室受热零件热负荷提
29、高等原因，将促使爆燃的发生。为此，必须采用降低压缩比、推迟点火时刻、采用进气中冷等技术措施来控制爆燃的发生，但却会带来热效率下降、排温过高、成本增加等不利影响。正因为如此，汽油机的增压度一般比柴油机低得多，其增压比一般不超过2，功率最高增加幅度约为40%50%，而燃油经济性则不一定有所改善。目前，由于缸内直喷技术、爆燃传感器的使用，一定程度上缓解了增压汽油机控制爆燃的难度。,2.热负荷,汽油机的过量空气系数小，燃烧温度高，膨胀比小，排气温度也比柴油机高200300。增压后，汽油机的整体温度水平提高，热负荷加重，同时，为避免可燃混合气的损失，一般气门叠开角不大，燃烧室的扫气作用不明显。因此，增压
30、汽油机的排气门、活塞、涡轮等处的热负荷均比增压柴油机严重。,3.对增压器的特殊要求,汽油机增压度低、流量范围广、热负荷高、最高转速高且转速变化范围大，这就要求增压器体积要小、耐高温性能要好、转动惯量要小，同时效率也要保证在一定的范围内，并要求有增压调节装置等。,六、机械增压,1)制造工艺水平和材料科学的进步，使现代机械增压器的体积与噪声大幅度降低，效率和使用寿命有很大的提高。2)小排量发动机采用涡轮增压难度很大，采用机械增压可以比涡轮增压有更好的动力、转矩甚至经济性能。3)对于排气管中安装有催化转化器或颗粒物捕集器等后处理装置的发动机，机械增压系统中对排气系统不作任何改动。,第五节二冲程内燃机
31、的换气,一、二冲程内燃机的换气过程二、二冲程内燃机换气过程的特点三、换气过程质量评价参数四、二冲程内燃机的扫气方案,第五节二冲程内燃机的换气,图4-29二冲程内燃机换气过程示意图活塞排量余隙容积扫气行程扫气压力BDC下止点,一、二冲程内燃机的换气过程,1.自由排气阶段2.扫气阶段3.过后排气或过后充气阶段,1.自由排气阶段,二冲程内燃机的排气口一般在下止点前6075(CA)开启，且早于扫气口打开。从排气口开启到扫气口开启，缸内压力高于排气背压，燃气可以自由地流出缸外，这一排气时期称为自由排气阶段。在排气口刚开启的一段时间或曲轴转角内，气缸内压力p较高，约为300600kPa，排气口后的压力pr
32、较低，排气口前后的压力比prp超过临界值，出现临界排气。在超临界排气阶段，排气流量与排气管内的气体状态无关，只取决于缸内气体的状态和排气口流通截面的大小。在自由排气阶段，缸内燃气可以流出大约70%80%，所以它是二冲程内燃机换气过程的一个重要阶段。,2.扫气阶段,从扫气口打开到活塞运动到下止点后上行将扫气口关闭为止，这一时期称为扫气阶段。在扫气阶段，扫气和排气同时进行。当气缸压力下降到接近于扫气压力ps时，扫气口开启，由于压差很小，扫气口开启面积也很小，再加上燃气的粘性和惯性，因而不会造成倒流。随着活塞的向下运动和排气的进行(排气口已经开大)，缸内压力迅速下降，并形成较大的扫气压差，此时扫气口
33、也已开大，流通面积增加，新鲜充量大量进入气缸，并扫出缸内废气。,3.过后排气或过后充气阶段,一般二冲程发动机排气口的关闭时刻迟于扫气口，这时在活塞上行的推挤和排气气流的惯性作用下，一部分废气(可能混有少量的新鲜充量)继续由排气口排出，直到排气口关闭为止。从扫气口关闭到排气口关闭这一时期称为过后排气阶段。有些二冲程内燃机，扫气口关闭时刻晚于排气口，以获得额外的新鲜充量。这样，从排气口关闭到扫气口关闭这一阶段称为过后充气阶段。由于活塞上行速度较快，缸内气体受到压缩而压力提高，这有利于过后排气而不利于过后充气。要达到过后充气的目的，就必须提高扫气泵的扫气压力，因此过后充气阶段持续的时间较短。,二、二
34、冲程内燃机换气过程的特点,1.换气时间短2.进排气过程同时进行3.扫气消耗功大4.HC排放高,1.换气时间短,二冲程内燃机的换气过程持续的时间为120150(CA)，而四冲程内燃机的换气时间为400500(CA)。二冲程内燃机由于换气时间短，换气质量必然较差。从气门叠开角占整个内燃机换气时间的比例来看，自然吸气内燃机约为3%8%，增压内燃机为20%30%，而二冲程内燃机达到了70%80%。这就意味着在扫气期间，将有较多的新鲜充量经过排气口直接流入到排气管中，增加了新鲜充量的空气消耗量(柴油机为压缩空气，汽油机则为燃料与空气的混合气)。,2.进排气过程同时进行,四冲程内燃机的换气过程在两个不同的
35、活塞行程中进行，新鲜充量与废气掺混的机会较少，换气终了时残余废气系数较小；而二冲程内燃机换气时，进排气过程同时进行，新鲜充量与废气易于掺混，缸内残余废气系数较大。,3.扫气消耗功大,尽管二冲程内燃机换气过程没有泵气损失，但消耗的空气量大，扫气泵耗功多(也是一种损失)，再加上扫气损失，其指示热效率明显低于四种程内燃机，因此燃油消耗率较高。,4.HC排放高,对于化油器式二冲程汽油机而言，由于在扫气期间有较多新鲜充量直接流入排气管，导致其未燃HC排放较高。,三、换气过程质量评价参数,最理想的换气过程，应当是废气和新鲜充量毫不相混，扫气气流将废气全部挤出。事实上，废气与新鲜充量的混合是不可避免的，因此
36、需要对二冲程内燃机换气过程进行评价。,四、二冲程内燃机的扫气方案,1.横流扫气2.回流扫气3.直流扫气,1.横流扫气,图4-30二冲程内燃机的扫气方案a)横流扫气b)回流扫气c)直流扫气,2.回流扫气,图4-31曲轴箱三孔式扫气方案,3.直流扫气,直流扫气方案的主要特点是扫气气流沿气缸轴线运动，扫气品质最好。图4-30c所示的是直流扫气方案中的一种，即气门-气孔扫气方案。在该方案中，排气门是由凸轮机构驱动，因此可以实现不对称换气，排气门较早关闭，可以实现过后充气。为了使新鲜充量不与废气掺混，扫气口沿切线方向排列，使进入气缸的充量旋转，形成一个“空气活塞”，可以较好地避免新鲜充量与废气的互相混合，并将废气经燃烧室顶部的排气门推出气缸。活塞由于受到扫气空气的冷却作用，工作条件较好。同时，由于扫气口沿整个气缸圆周分布，气孔的高度可以缩短，以减少冲程损失。但由于它保留了类似四冲程内燃机的气门机构，结构较为复杂。,
