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1、第二章 内燃机的充量更换,第一节 四冲程内燃机的换气过程第二节 四冲程内燃机的换气损失第三节 提高内燃机充量系数的措施第四节 二冲程内燃机的换气第五节 进、排气管内动力效应的应用,第二章 内燃机的充量更换,换气过程是指排气门开到进气门关的整个过程，约占410480度曲轴转角。作用：将作过功的废气排出排气过程 吸入新鲜充量进气过程要求：排气彻底，进气充分。评价指标：c越大越好。研究目的：分析影响的各种因素，找出提高c，降低换气损失的途径；寻找调整发动机扭矩特性的方法，以适应各种使用要求。,第二章 内燃机的充量更换,第二章 内燃机的充量更换,第一节 四冲程内燃机的换气过程,一、排气阶段（一）自由排
2、气阶段：废气靠自身压力自行排出气缸。排气门开到排气下止点缸内气体压力高于排气管内的排气背压，缸内气体可以自由地排出缸外（另一种划分方法：排气门开到缸内压力接近排气管内压力）。为降低排气消耗功，排气门提前开，排气门提前角3080,第一节 四冲程内燃机的换气过程,（二）强制排气阶段下止点到上止点，活塞推出缸内气体，强制排出缸外。特点：流速高，压差大，排气损失增大。为降低排气功和降低r，排气门迟关，惯性排气，1070,第一节 四冲程内燃机的换气过程,1、超临界排气排气门打开初期：缸内压力在0.20.5MPa之间，处于超临界流动，废气以当地音速流出。,第一节 四冲程内燃机的换气过程,时，特点：废气流出
3、气缸的流量与压差无关，只决定于排气门的开启断面和气体的状态。,第一节 四冲程内燃机的换气过程,2、亚临界排气：特点：废气大量流出，缸内压力迅速下降，排气流动转入亚临界状态，废气流量由压差决定。,第一节 四冲程内燃机的换气过程,二、进气过程1、进气提前角为准备进气断面进气提前开进气提前角1040排气冲程结束，PrP0，活塞下行，残余废气膨胀，缸内压力下降，低于P0，新气进入。2、进气迟关角为利用进气流的动能，进气门晚关，过后充气进气迟关角2060，一般发动机转速增加，进气迟关角增加。,第一节 四冲程内燃机的换气过程,三、气门叠开和燃烧室扫气过程排气门晚关，进气门早开，存在同时开启现象，称为气门叠
4、开。气门叠开把进气系统、排气系统和燃烧室三者沟通起来。汽油机：进气是可燃混合气，且进气管内压力低于P0，高温废气易窜入进气管，引起回火，叠开角小，2030。非增压柴油机：进气管压力接近P0，允许适当采用较大气门重叠角，以提高常用转速内的充量，一般在2080。增压柴油机：进气压力大于排气压力，一部分新气通过燃烧室进入排气管，扫除燃烧室内的残余废气，称扫气，使高温零件温度降低，发动机缸内新鲜充量增加，故采用较大的重叠角，一般80140。,第一节 四冲程内燃机的换气过程,换气损失：理论换气功与实际换气功之差，由排气损失和进气损失两部分组成。一、排气损失 1）自由排气损失W膨胀功减少 2）强制排气损失
5、X推出损失功排气提前角增大W增大X小，最佳排气提前角，W+X最小二、进气损失进气过程消耗功，克服进气阻力，加速气体，Y换气损失：W+X+Y,第一节 四冲程内燃机的换气过程,三、泵气功与泵气损失1、泵气损失X+Y-u，在机械损失中考虑。2、影响因素（1）负荷下降汽油机：节流，进气管压力下降 泵气功增加 自由排气量下降，推出功增加 柴油机：基本不变或略有增加。（2）发动机转速n增加，Pr增加，Pa下降，泵损失增加,第二节 四行程内燃机的充气效率及影响因素,一、充量系数及其影响因素（一）充气量进入发动机中的空气或混合气量称为充气量，简称充量。两种表示法：循环充气量m1 kg/循环 单位时间充气量m
6、kg/h kg/h m1决定每个循环可能燃烧的燃料量，由此决定扭矩和平均有效压力m决定单位时间燃烧的燃料量，因而决定Pe,第二节 四行程内燃机的充气效率及影响因素,（二）充气系数Vs大，m1大，Vs小，m1小，评价换气过程的完善程度，所用指标应不受Vs大小的影响，为此引入充量系数。,第二节 四行程内燃机的充气效率及影响因素,（三）充量系数的影响因素 残余废气系数为r，进气终了时缸内残余废气质量为r m1，进气门关闭时缸内气体的总质量为：由充量系数的定义，并引入气体状态方程及压缩比的定义式，得：式中：下标s表示进气管内的状态。该式可用于分析充量系数的影响因素。,第二节 四行程内燃机的充气效率及影
7、响因素,1、进气终了压力PaPa增加c增加，Pa=Ps-Pa转速的影响：n增加Pa增加Pa下降c下降负荷的影响（n一定）：汽油机，量调节，负荷下降，节气门关小，阻力增加，Pa增加Pa下降c下降。柴油机，质调节，负荷增加，Pa不变，Ta增加c基本不变（或稍下降）,第二节 四行程内燃机的充气效率及影响因素,2、进气终了温度Ta Ta T0 Ta=Ta Ts:（1）进气予热（汽油机），分配均匀（2）接触高温机件（3）残余废气加热（4）液体燃料蒸发吸热（汽油机）Ta增加，则a下降，c下降，柴油机进排气管分在两侧。影响因素n 增加 Ta下降（接触时间短）负荷增加 Ta增加（残余气体温度增加，零件温度增加
8、）,第二节 四行程内燃机的充气效率及影响因素,3、r的影响r增加c下降排气阻力Pr=Pr-PsPr增加r增加r增加c下降n增加Pr增加Pr增加r增加c下降4、的影响增加V c下降r增加c下降,第二节 四行程内燃机的充气效率及影响因素,5、大气状态（1）TsTs下降:Ta下降a增加m1增加 新气与缸壁温差增加进气受热相对增加，c下降（2）PsPs增加Pa增加a增加，c变化不大，m1增大,第三节 提高充量系数的措施,（一）降低进气系统的阻力 进气系统包括空滤器、节气门、进气管、进气道、进气阀，降低各段阻力，均可使c增加减小进气阀处损失：进气阀处流通面积最小，且截面变化较大，进气阻力大部分发生在此处
9、。增大进气门直径 增加气门个数 合理设计进气道及气门的结构采用可变技术可变凸轮机构可变气门定时减小进气管与空滤器的阻力进气管 空滤器,第三节 提高充量系数的措施,（二）降低排气系统的阻力 排气系统包括：排气门、排气道、排气管和消声器。排气道作成扩压形，使通过的气体的部分动能转化为压能，使气缸内的残气压力下降，残余废气量下降，充量系数增加。降低消声器的阻力损失。,第三节 提高充量系数的措施,（三）减少对进气充量的加热。柴油机进排气管两侧分开布置汽油机，为利用废气加热进气，进排气管同侧布置，但予热量在保证蒸发条件下，控制在最小。有些汽油机中，为提高充量系数，进排气管两侧分开布置。,第三节 提高充量
10、系数的措施,（四）合理选择配气定时配气正时对充量系数有重要影响，合理的配气正时，可以达到最佳充气效果得到符合使用要求的扭矩曲线。配气相位中进气迟关角对充量系数影响最大，因为进气迟关期间是利用气流惯性进行过后充气的时间。,第三节 提高充量系数的措施,转速一定时，进气迟关角对充量系数的影响在某一进气迟关角，充量系数有最大值，称此迟关角为该转速下的 最佳迟关角。发动机n一定，气流惯性一定，最佳迟关角一定，动能完全利用。进气压力+惯性压力=缸压。当 进气迟关角小于最佳迟关角时，进气压力+惯性压力缸压力，气体的动能还很大，可以进行惯性充气，但进气门关了，没有充分利用，充量系数下降。当时进气迟关角大于最佳
11、迟关角时，缸压力进气压力+惯性压力，进入气缸的气体被推出气缸（进气倒流），充量系数下降。高速发动机气流惯性大，最佳迟关角大，低速发动机气流惯性小，最佳迟关角小。,第三节 提高充量系数的措施,当进气迟关角一定时，n对充量系数的影响某n下，充量系数最大，气流惯性利用最好，进气压力+惯性压力=缸压当n增加时，气流惯性大，但气门关闭了，没有充分利用，同时，进气压力降增大，缸内压力下降。进气压力+惯性压力缸压力当n下降时，气流惯性下降，缸压力进气压力+惯性压力，进气倒流，充量系数下降。,第三节 提高充量系数的措施,进气迟关角不同时，充量系数变化规律进气迟关角大，充量系数最大值出现的转速高；进气迟关角大，
12、充量系数最大值较小。发动机转速高，进气压力降增加，充量系数降低；进气迟关角大的，高转速时，充量系数增加，高速性能好，但低速不好；进气迟关角小的，低速性好，但高速性差；好果每个转速都用最佳进气迟关角，那么就可以得到最佳迟关角时的cn曲线，是一条包络线。,第三节 提高充量系数的措施,4、选择气门定时考虑的因素（1）提高充量系数（2）必要的扫气（3）合适的排温（4）合适的cn曲线（5）减小换气损失,第三节 提高充量系数的措施,（五）合理利用进气谐振,第四节 二冲程内燃机的换气,一、二冲程内燃机的换气过程及示功图（1）自由排气（先期排气）自由排气，废气以音速流出，超临界流动，排气口开到扫气口开。排气量
13、与排气管内的气体状态无关，只取决于缸内的状态和排气口流通截面的大小。排出气体约为7080%。（2）扫气与强制排气阶段用新气强制排出废气，扫气口开到扫气口关。流出部分新气。（3）过后排气或过后充气阶段扫气口关到排气口关。,第四节 二冲程内燃机的换气,有效工作容积：Vs=Vs-Ve=Vs（1-）式中：Vs活塞行程容积Ve损失容积Vs有效工作容积行程损失百分比，=Ve/Vs实际压缩比：=(Vc+Vs)/Vc 几何压缩比：=(Vc+Vs)/Vc=(-)/（1-）,第四节 二冲程内燃机的换气,二、二冲程内燃机换气过程的特点新鲜充量均需要由专门的泵（扫气泵），提高其压力，再充入气缸，称扫气，扫气是二冲程内
14、燃机的换气特点。扫气机构有三种，曲轴箱扫气，单独扫气泵与废气涡轮增压。（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,第四节 二冲程内燃机的换气,三、换气品质的评价扫气系数：换气过程结束后，留在气缸内的新鲜充量m1与缸内气体总质量m0的比值。s=m1/m0=m1/(m1+mr)式中：mr残余废气质量。评价扫气效果优劣的重要参数，越大，扫敢效果越好，极限情况是1，则mr为0，意味着完全扫气，残余废气系数是0。,第四节 二冲程内燃机的换气,过量扫气系数（给气比）：每循环流过扫气口的充量质量mk与扫气状态Ps、Ts下气缸冲程容积的充量质量ms之比。k=mk/ms扫气总量占
15、进气量的比值，扫气系统越完善，能达到同样换气效果的 k越小，消耗于驱动扫气泵的功率也越小。理想换气系统，在尽可能小的过量扫气系数前提下，获得尽可能高的扫气系数，降低残余废气系数。,第四节 二冲程内燃机的换气,四、各种换气方案比较1、横流扫气(Cross scavenge)：特点：扫气口与排气口布置在对面，扫气口，纵、横方向有倾角，控制方向，扫气定时对称，有额外排气。缺点：A区易残留废气，B区易短路换气效果差；活塞气缸受热不均匀，排气口侧受热严重，扫气口侧温度较低；由于扫气压力作用，活塞组单边摩损。,第四节 二冲程内燃机的换气,第四节 二冲程内燃机的换气,2、回流扫气(Loop scavenge
16、)：扫气口与排气口位于气缸同侧，扫气口在纵横向上有倾角，使气流沿活塞顶气缸壁向上形成回流克服横流扫气易路缺点，扫气效果好，结构简单，制造方便，应用广泛。,第四节 二冲程内燃机的换气,3、直流扫气(Uniflow scanvenge)：扫气流沿气缸轴线运动，换气品质最好，扫气口沿切线方向排列，使扫气流旋转形成气垫，避免与废气相混，并将废气推出气缸。由于是气阀气口式，可以实现不对称换气，使排气阀关闭早，实现过后充气。活塞受扫气空气冷却作用，工作条件较好。冲程损失系数小，扫气口沿整个圆周布置，孔高可以缩短。,第四节 二冲程内燃机的换气,第五节 进、排气管内动力效应的应用,由间断进气引起的进气压力波对
17、内燃机进气量影响很大，进气管长度、直径等进气系统参数会改变进气压力波，因而适当调整这些参数可以利用进气管的压力波以增加充气效率，改善扭矩。进气管的惯性效应（本循环波动效应）进气管波动效应（前一循环的波动效应）压力波的固有频率：f1=C/（4L*）式中：L*进气管当量长度 C音速进气频率：f2=n/120波动次数：q2=f1/f2=30C/（n L*）,第五节 进、排气管内动力效应的应用,q2=f1/f2=30C/（n L*）即在进气周期内压力波的波动次数，表示压力波频率与内燃机进气频率之间的配合关系。当q2=1.5、2.5时，下一次气门开启，正好与正的压力波相重合，充量系数增加；而当：q2=1、2时，下次气门开启时，与负压力波重合，充量系数下降.q2越小，需要进气管越长，q2大，由摩擦引起的压力波衰减大。q2一定，L*与n成反比，n高要小L*，n下降，要长L*。小结:本循环压力波减小，振幅大，而前一循环压力波是经过多次反射后的波，衰减大，因此，前者是主要的。利用进气系统动态效应除了必须精心设计进气管长度外，还对进气管直径、管道截面变化、弯曲方式等都要周密考虑。因为气管直径影响进气速度，因而影响压力波幅值。多缸机应使各缸进气支管长度尽可能相同，并避免各缸气波之间干涉。汽车用发动机转速范围宽广，应在常用转速区考虑动态效应。,谢 谢！,
