1、第三章第三章 發動機的換氣過程發動機的換氣過程換氣過程：從排氣門開啟到進氣門關閉的整個過程換氣過程：從排氣門開啟到進氣門關閉的整個過程。 包括排出本循環已燃廢氣本循環已燃廢氣過程和為下一循環吸入新鮮充量下一循環吸入新鮮充量的進氣過程。換氣過程的作用換氣過程的作用: : 排除缸內廢氣并充入盡可能多的新鮮工質,同時功耗要少。換氣過程對性能的影響換氣過程對性能的影響 影響發動機的動力性、經濟性、排放等主要內容主要內容l第一節第一節 四沖程發動機換氣過程四沖程發動機換氣過程 l第二節第二節 充氣效率及影響因素充氣效率及影響因素l第三節第三節 提高充氣效率的措施提高充氣效率的措施l第四節第四節 增壓技術

2、增壓技術l第五節第五節 廢氣再循環（廢氣再循環（EGREGR）系統系統3-13-1 四沖程發動機換氣過程四沖程發動機換氣過程自由排氣強制排氣進氣氣門疊開換氣過程換氣過程基本任務：盡可能基本任務：盡可能排凈廢氣，充入更多新鮮氣體。排凈廢氣，充入更多新鮮氣體。實際上：進排氣系統存在流動損失流動損失，發動機結構上壓縮容積壓縮容積的存在。一、排氣過程一、排氣過程從排氣門開啟到排氣門關閉的過程從排氣門開啟到排氣門關閉的過程排氣門一般在膨脹行程到達下止點前的某一曲軸轉角位置提前打開。排氣門一般在膨脹行程到達下止點前的某一曲軸轉角位置提前打開。1 1、自由排氣階段、自由排氣階段-廢氣根據自身的壓力自行排出

3、從排氣門打開到氣缸壓力接近了排氣管壓力的這個時期稱為自由排氣階段1) 超臨界狀態2) 亞臨界狀態超臨界流動狀特點：超臨界流動狀特點：流出速度高，排量達（流出速度高，排量達（60-70）%，伴隨有特殊刺耳的噪聲。，伴隨有特殊刺耳的噪聲。從排氣門開始打開到下止點這段曲軸轉角，稱為排氣提前角(一般為30-80曲軸轉角)當氣缸壓力與排氣背壓之比大于臨界值時，缸內氣體以當地聲速排出排出的廢氣量只取決于缸內氣體的狀態和排氣門有效流通截面積廢氣量只取決于缸內氣體的狀態和排氣門有效流通截面積的大小。與發動機轉速和排氣背壓無關。2 2、 強制排氣階段強制排氣階段-廢氣是由活塞上行強制推出 克服排氣系統阻力，通過

4、活塞強制排出廢氣在排氣終了，因排氣門將要關閉，氣門開度很小，節流作用增強，為此，常使排氣遲后關閉，從上止點到排氣門完全關閉這段曲軸轉角，稱為排氣遲排氣遲閉角閉角，一般為10-35曲軸轉角。為利用高速流經排氣門的氣流慣性盡可能多的排出廢氣，排氣門在上止點之后某一時刻關閉。-排氣遲閉角排氣遲閉角。二、二、 進氣過程進氣過程 是活塞下行，缸內容積增加，同時使缸內壓力下降使得環境壓力-缸內壓力進氣阻力，從而吸入新鮮工質。 為保證進氣門有足夠大的流通截面積，有盡可能更多的新鮮充量順利進入氣缸，進氣門在上止點前提前某一角度開啟。 進氣提前角進氣提前角：進氣門一般在上止點前0-40曲軸轉角開始打開。 在進氣

5、下止點時氣門處仍有高速氣流流入氣缸，為了充分利用氣流的慣性而多進氣，進氣門在活塞下止點后關閉。 進氣遲閉角：進氣遲閉角：進氣門一般在下止點后20-70曲軸轉角才關閉。三、配氣定時及氣門疊開現象三、配氣定時及氣門疊開現象氣門重疊 排氣門遲閉 氣門疊開 進氣門早開 非增壓發動機中，重疊角一般為20-60曲軸轉角。 增壓發動機重疊角一般為80-160曲軸轉角 氣門重疊的作用：氣門重疊的作用： 通過同時開啟的進排氣門用新鮮工質將殘余廢氣清掃干凈，這個過程為掃氣過程。掃氣過程。掃氣過程的作用: 清除殘余廢氣，減少殘余廢氣系數；減低高溫零件的溫度。 氣門重疊角以新鮮工質不進入排氣管為原則四、換氣損失四、換

6、氣損失 換氣損失由排氣損失和進氣損失組成。換氣損失由排氣損失和進氣損失組成。1.1.排氣損失：排氣損失：排氣損失排氣損失= =自由排氣損失自由排氣損失W +強制排氣損失強制排氣損失Y 自由排氣損失自由排氣損失W相當于膨脹功的減少相當于膨脹功的減少； 強制排氣損失強制排氣損失Y是把廢氣推出氣缸所消耗的功是把廢氣推出氣缸所消耗的功 。W-自由排氣損失 Y-強制排氣損失X-進氣損失 Y+X-d-泵氣損失四、換氣損失四、換氣損失（排氣損失（排氣損失+ +進氣損失）進氣損失）1.1.排氣損失：排氣損失：排氣損失排氣損失= =自由排氣損自由排氣損失失W W + +強制排氣損失強制排氣損失Y Y自由排氣損失

7、自由排氣損失W W相當于膨脹功的減少；相當于膨脹功的減少；強制排氣損失強制排氣損失Y Y是把廢氣推出氣缸所是把廢氣推出氣缸所消耗的功消耗的功 。e（排氣門太早開啟）如果排氣提前角，則w，y 所以：最有利的排氣提前角，必須是使（所以：最有利的排氣提前角，必須是使（w+yw+y） 最小最小。e（排氣門太晚開啟）排氣提前角，則w，y 如何使排氣損失最小如何使排氣損失最小? ?ee”2. 2. 進氣損失進氣損失 由于進氣阻力的存在使進氣過程中氣缸壓力低于大氣由于進氣阻力的存在使進氣過程中氣缸壓力低于大氣壓力的部分壓力的部分。 與排氣損失相比，進氣損失較小，它影響發動機的充氣效率。 排氣損失與進氣損失之

8、和稱排氣損失與進氣損失之和稱為為換氣損失換氣損失 (W(W十十Y Y十十X) X) 。 泵氣損失泵氣損失（X+Y-dX+Y-d）：在實際）：在實際循環示功圖中把面積循環示功圖中把面積(x+y-d)(x+y-d)相當的負功稱為泵氣損失。相當的負功稱為泵氣損失。這部分損失放在這部分損失放在機械損失機械損失中中加以考慮。加以考慮。 充氣效率計算公式：11cshsmVmV m1、v1：進氣狀態下，實際進入氣缸的新鮮工質質量、體積msh、vs：進氣狀態下，充滿工作容積的新鮮工質質量、氣缸工作容積一、一、充氣效率充氣效率 實際進入氣缸的新鮮工質量（m1）與進氣狀態進氣狀態下充滿氣缸工作容積的新鮮工質量（m

9、sh）的比值。3-23-2充氣效率及影響因素充氣效率及影響因素非增壓柴油機：指大氣狀態增壓柴油機：壓氣機的出口狀態二、影響充氣效率的因素二、影響充氣效率的因素 理論上在進氣狀態下（ps,Ts)下，每循環充滿氣缸工作容積Vs的新鮮充量為：ssshssssp VmVR T 假設在進氣門關閉時，氣缸內氣體的狀態為pa,Va,Ta,則氣缸內氣體的總質量ma為aaaaaaap VmVR T acrs111 aaa1cshshrrssmVmmm (1)(1)V rr1mm sacrsaTP111PT 殘余廢氣系數ma=m1+mra0V /V 氣缸總容積Vc：為燃燒室容積影響充氣效率的因素 進氣終了的壓力P

10、a和溫度Ta 殘余廢氣系數r 氣門正時引起的有效進氣體積系數 壓縮比 環境的壓力Ps和溫度Ts 進氣終了的壓力進氣終了的壓力P Pa asacrsaacaSaTP111PTPPPP 流動阻力公式：管內氣體流速：管道阻力系數22vPasaasaTTTTT進氣終了溫度對充氣進氣終了溫度對充氣效率的影響效率的影響高溫零件要給進氣加熱殘余廢氣給進氣加熱改善冷啟動性進氣加熱l進氣終了狀態的密度進氣終了狀態的密度影響充氣效率的因素l殘余廢氣系數對充氣效率的影響殘余廢氣系數對充氣效率的影響c l壓縮比對充氣效率的影響壓縮比對充氣效率的影響ccV 余 氣量l配氣定時配氣定時( (主要是進氣遲關角的影響主要是進

11、氣遲關角的影響) ) 在低速時,由于進氣慣性小,而進氣遲關角一定,產生進氣倒流現象,導致 。c當進氣遲閉角一定時，Va也隨之確定，為常數l進氣的大氣狀態進氣的大氣狀態 環境溫度增加，進氣密度降低，環境溫度與氣缸壁的溫差降低，Ts/Ta升高，Ta降低，充氣效率有所增加。課后習題1 1、為什么排氣門是在活塞到達下止點之前開啟？、為什么排氣門是在活塞到達下止點之前開啟？2 2、為什么排氣門是在活塞到達上止點之后關閉？為什么排氣門是在活塞到達上止點之后關閉？3 3、為什么進氣門是在活塞到達上止點之前開啟？為什么進氣門是在活塞到達上止點之前開啟？4 4、為什么進氣門是在活塞到達下止點之后關閉？為什么進氣

12、門是在活塞到達下止點之后關閉？5 5、氣門重疊會不會產生廢氣倒流進氣管或新鮮工質氣門重疊會不會產生廢氣倒流進氣管或新鮮工質隨廢氣排出的現象？為什么？隨廢氣排出的現象？為什么？6 6、影響充氣效率的主要因素？影響充氣效率的主要因素？1 1、為什么排氣門是在活塞到達下止點之前開啟？、為什么排氣門是在活塞到達下止點之前開啟？2 2、為什么排氣門是在活塞到達上止點之后關閉？為什么排氣門是在活塞到達上止點之后關閉？3 3、為什么進氣門是在活塞到達上止點之前開啟？為什么進氣門是在活塞到達上止點之前開啟？4 4、為什么進氣門是在活塞到達下止點之后關閉？為什么進氣門是在活塞到達下止點之后關閉？5 5、氣門重疊

13、會不會產生廢氣倒流進氣管或新鮮工質隨廢氣排出的現象？為什么？氣門重疊會不會產生廢氣倒流進氣管或新鮮工質隨廢氣排出的現象？為什么？6 6、影響充氣效率的主要因素？影響充氣效率的主要因素？1 1、a.a.增加流通截面積，降低氣缸壓力；增加流通截面積，降低氣缸壓力；b.b.減少排氣時所消耗的活塞推出功；減少排氣時所消耗的活塞推出功；c.c.高溫廢氣的早排，還可以防止發動機過熱。高溫廢氣的早排，還可以防止發動機過熱。2 2、a.a.減少活塞消耗功減少活塞消耗功, ,利用缸內外壓力差繼續排氣；利用缸內外壓力差繼續排氣；b.b.利用慣性繼續排氣利用慣性繼續排氣。3 3、增大進氣通道截面，減少氣阻。增大進氣

14、通道截面，減少氣阻。4 4、利用壓差和慣性繼續進氣。利用壓差和慣性繼續進氣。5 5、a. a. 疊開時氣門開度小，重疊時間極短；疊開時氣門開度小，重疊時間極短；b. b. 進、排氣流各自有自己的進、排氣流各自有自己的流動方向和流動慣性；流動方向和流動慣性；c. c. 進氣流有助于更好地排氣。進氣流有助于更好地排氣。6 6、進氣終了的壓力進氣終了的壓力PaPa和溫度和溫度TaTa；殘余廢氣系數殘余廢氣系數；氣門正時引起的有效進氣門正時引起的有效進氣體積系數氣體積系數；壓縮比壓縮比；環境的壓力環境的壓力PsPs和溫度和溫度Ts Ts 。 l第三節第三節 提高充氣效率的措施提高充氣效率的措施 第四節

15、第四節 增壓技術增壓技術 第五節第五節 廢氣再循環（廢氣再循環（EGREGR）系統系統主要內容主要內容3-33-3提高充氣效率的措施提高充氣效率的措施sacrsaTP111PT acrs111 提高充量系數措施提高充量系數措施降低進氣系統的阻力損失，提高氣缸內進氣終了時的壓力pa降低排氣系統的阻力損失，以減小缸內的殘余廢氣系數r減少高溫零件在進氣系統中對新鮮充量的加熱，以降低進氣終了時的充量溫度Ta合理選擇相位角有效利用進氣管內壓力波的動態波動效應一、減少進氣系統阻力一、減少進氣系統阻力（一）、進氣門（一）、進氣門 是整個進氣系統中氣流通道截面最小，也是整個進氣系統中氣流通道截面最小，也是氣流

16、阻力最大的地方。因而，提高進氣門的是氣流阻力最大的地方。因而，提高進氣門的流通能力是提高充氣效率的主要措施之一。流通能力是提高充氣效率的主要措施之一。進氣系統包括：空濾器、進氣總管、進氣支管、進氣道及進氣門進氣系統進氣系統的阻力的阻力沿程阻力沿程阻力：主要指管道的摩擦阻力。與管道長度、表面粗糙 度及氣流速度有關。局部阻力：局部阻力：主要指流動截面大小、形狀及流動方向變化造成的損失。1 1、氣門的流通能力氣門的流通能力氣門的流通能力常用時面值時面值和角面值角面值來表示。 在氣門開啟期間隨氣門升程的變化，氣門的開啟截面積開啟截面積對時間時間（或曲曲軸轉角軸轉角）的積分積分。在時間微元dt內通過氣門

17、的氣體流量 整個氣門開啟時間內進入氣缸的氣體流量 流經氣門的氣體密度 進氣門處氣體的平均流速Afdt時間內的氣門開啟截面積mfdmA dt2c1otmmfftmA dtA d6n mff1A dtA d6n6nt 角面值不隨轉速變化，只與氣門升程規律（凸輪型線）有關，所以高速時時面值減小。 提高氣門的角面值是提高不同提高氣門的角面值是提高不同轉速下進氣量的主要措施。轉速下進氣量的主要措施。 角面值的提高受配氣動力學的限制。角面值的提高受配氣動力學的限制。2 2、進氣馬赫數、進氣馬赫數MaMa 氣門處的流動損失，與其開啟截面積的大小有關；對一定的氣門處的流動損失，與其開啟截面積的大小有關；對一定

18、的開啟面積，還與該處的流動狀態有關。開啟面積，還與該處的流動狀態有關。 進氣馬赫數進氣馬赫數MaMa是進氣門處氣體的平均速度是進氣門處氣體的平均速度mm與此處的聲與此處的聲速速 c c的比值，它能反應進氣流動（流速）對充氣效率的影響。的比值，它能反應進氣流動（流速）對充氣效率的影響。 2mmvmc0vCDMa()cdc() CmCm活塞平均速度活塞平均速度D D、d dv v活塞與進氣閥盤的直徑活塞與進氣閥盤的直徑mm進氣門開啟期間的平均流量系數進氣門開啟期間的平均流量系數cc氣門處聲速氣門處聲速 當進氣馬赫數當進氣馬赫數MaMa超過一定值時（超過一定值時（0.50.5），充氣效率急劇下降。）

19、，充氣效率急劇下降。 設計進氣系統時，需要通過活塞平均速度、氣缸直徑及氣門設計進氣系統時，需要通過活塞平均速度、氣缸直徑及氣門直徑優化匹配來控制馬赫數直徑優化匹配來控制馬赫數MaMa。 控制進氣馬赫數的措施：控制進氣馬赫數的措施：增大氣門的相對通過面積、改善氣門處的氣體流動，提高流量系數、合理的配氣相位，是限制Ma值，提高充氣效率的有效方法。限制限制M Ma a值對于高速發動機尤為重要。值對于高速發動機尤為重要。2mmvmc0vCDMa()cdc() 3 3、多氣門結構、多氣門結構 在相同條件下，增加進氣門的流通面積是降低進氣阻力，減小馬赫數，提高充氣效率的重要手段。 增大進氣門直徑，可以擴大

20、氣流通路截面積擴大氣流通路截面積，提高充氣效率。進氣門直徑可達活塞的45-50%（雙氣門結構），氣門與活塞面積之比0.2-0.25。但由于受到結構限制，進一步增大比例非常困難。為進一步增大進氣門截面積，采用了多氣門多氣門結構結構。4 4、改善配氣機構改善配氣機構多氣門方案一般采用頂置凸輪軸驅動方式。單頂置凸輪軸（SOHC：Single Overhead Camshaft）雙頂置凸輪軸（DOHC：Double Overhead Camshaft）（二）、 進氣道形狀及進氣管長度2、進氣管l轉彎半徑R，表面光潔度，截面突變，流通橫截面積充氣效率l進氣管長度，流動阻力 ，但由于發動機進氣過程為動態，

21、不同轉速下為充分利用進氣管道內的氣流波動效應氣流波動效應，要求進氣管長度設計合理長度設計合理，高速時高速時盡可能縮短長度縮短長度以減小高速損失；低速時低速時適當延長進氣管長度延長進氣管長度，有利于利用進氣波動效應。1、進氣道l轉彎半徑R，表面光潔度，各管口與墊片孔口對中 流動阻力 充氣效率 l柴油機設計時還要考慮組織進氣渦流，但大的渦流比會影響充氣效率。 l電控高壓噴射技術的發展，可改善進氣道形狀，適當減小進氣渦流比，提高充氣效率。總要求總要求：保證足夠的流通截面足夠的流通截面，避免急轉彎急轉彎及截面突變截面突變，改善管道表面的光潔度光潔度（三）、 空氣濾清器l 在保證濾清效果的前提下，盡在保

22、證濾清效果的前提下，盡可能的減少它對空氣的阻力。可能的減少它對空氣的阻力。l 在使用中應經常進行清洗，及在使用中應經常進行清洗，及時更換濾芯也可以減小進氣流時更換濾芯也可以減小進氣流動阻力。動阻力。l 流動阻力流動阻力 充氣效率 二、合理選擇配氣正時二、合理選擇配氣正時l進氣門遲閉角對充氣效率的影響最大。l在一定的配氣定時下，充氣效率是在某一轉速下達到最大值。ln 氣流慣性缸內氣體易倒流進氣管充氣效率；ln氣流慣性沒充分的利用充氣效率不同的進氣遲閉角，不同的進氣遲閉角，充氣效率的最大處所對應的轉速不同。的最大處所對應的轉速不同。加大進氣門遲閉角,高轉速時充氣效率增加，可以提高最大功率。減少進氣

23、遲閉角，能防止低速倒噴，有利于提高扭矩,但降低了最大功率。對于配氣定時不能改變的發動機，應根據常用工況確定進氣遲閉角。 理想的氣門定時和升程應當是根據發動機的工作情況及時作出調整，應具有一定程度的靈活性。 傳統的凸輪挺桿氣門機構，無法作出相應的調整，難于達到上述要求，因而限制了發動機性能的進一步提高。 為了接近理想的氣門定時，采用可變配氣系統采用可變配氣系統采用可變配氣系統 可變技術可變技術(VVT,Variable Valve Timing)(VVT,Variable Valve Timing)是發動機可變氣門正時技術的簡稱。 發動機可變氣門正時技術是近些年來被逐漸應用于現代轎車上的新技術中

24、的一種，發動機采用可變氣門正時技術可以提高進氣充量，使充量系數增加，發動機的扭矩和功率可以得到進一步的提高。 相位連續可變，但升程不可變Toyota VVT-i可變相位奧迪可變相位技術寶馬電子氣門：連續可變氣門升程三、進氣管長度及氣流的動態效應三、進氣管長度及氣流的動態效應 利用動態效應增加進氣量 由于進、排氣是間歇進行的，這使得進、排氣管存在壓力波，在特定的進氣管條件下，可以利用此壓力波來提高進氣門關閉前的進氣壓力，增大充氣效率。 壓力波增壓系統具有結構簡單、慣性小、響應快等優點，適于頻繁變工況的車用。 分為慣性效應與波動效應兩類 。（一）可變進氣管長度1 1、進氣管的慣性效應、進氣管的慣性

25、效應 在進氣行程前半期，在進氣行程前半期，由于活塞下行的吸入作用，氣缸內產生負壓，由于活塞下行的吸入作用，氣缸內產生負壓，新新鮮工質從進氣管流入，同時傳出負壓波，經氣門、氣道沿進氣管向外鮮工質從進氣管流入，同時傳出負壓波，經氣門、氣道沿進氣管向外傳播，傳播速度為聲速。傳播，傳播速度為聲速。 當負壓波傳到進氣管口等空腔的開口端時，又從開口端向氣缸方向反當負壓波傳到進氣管口等空腔的開口端時，又從開口端向氣缸方向反射回正壓波，如果進氣管的長度適當，從負壓波發出到正壓波返回進射回正壓波，如果進氣管的長度適當，從負壓波發出到正壓波返回進氣門所經歷的時間正好與進氣門從開啟到關閉所需時間配合，即氣門所經歷的時間正好與進氣門從開啟到關閉所需時間配合，即正壓正壓波返回進氣門時，正值進氣門關閉前夕，從而提高了進氣門處的進氣波返回進氣門時，正值進氣門關閉前夕，從而提高了進氣門處的進氣壓力，達到增壓效果。壓力，達到增壓效果。2 2、進氣管波動效應、進氣管波動效應 當進氣門關閉后，進氣管的氣柱還在繼續波動，對各氣缸的當進氣門關閉后，進氣管的氣柱還在繼續波動，對各氣缸的進氣量有影響，這