第二章發動機的換氣過程EngineGasExchangeProcess12021第二章發動機的換氣過程EngineGasExch下止點上止點22021下止點上止點22021換氣過程排氣過程進氣過程

研究的內容換氣過程的進行情況

分析影響充氣量的各種因素

提高充氣量

減少換氣損失方向與措施。找出換氣過程的任務

排除廢氣充入盡可能多的新鮮工質功耗要少32021換氣過程排氣過程進氣過程研究的內容換氣過程的進行情況分析主要內容第一節四沖程發動機的換氣過程第二節四沖程發動機的充量系數第三節提高發動機充量系數的措施作業及復習題42021主要內容第一節四沖程發動機的換氣過程42021第一節四沖程發動機的換氣過程一、換氣過程：四沖程發動機的換氣過程包括從排氣門開啟到進氣門關閉的整個時期。約占410o~480o曲軸轉角。p25換氣過程可分作自由排氣、強制排氣、進氣和燃燒室掃氣四個階段。52021第一節四沖程發動機的換氣過程一、換氣過程：52021四沖程發動機換氣過程的典型曲線62021四沖程發動機換氣過程的典型曲線620211、自由排氣階段：從排氣門開啟到氣缸壓力接近于排氣管內壓力的時期，稱為自由排氣階段。排氣提前角：從排氣門開啟到活塞行至下止點所對應的曲軸轉角稱為，一般為30o~80o曲軸轉角。720211、自由排氣階段：從排氣門開啟到氣缸壓力接近于自由排氣階段超臨界狀態亞臨界狀態

（1）超臨界狀態排氣門開啟時，氣缸內廢氣壓力較高（0.2~0.5Mpa），缸內壓力與排氣管壓力之比＞1.9，排氣流動處于超臨界狀態，可利用廢氣自身的壓力自行排出。82021自由排氣階段超臨界狀態亞臨界狀態（1）超臨界狀態8202通過排氣門口廢氣的流速等于該狀態下的音速（m/s）式中K——絕熱指數；T——氣體的絕對溫度；R——氣體常數〔N?m/（kg·K）〕。

在超臨界排氣時期，廢氣流量與排氣管內壓力pr、發動機轉速無關，只與氣缸內的氣體狀態及氣門開啟截面積有關。并且因排氣流速甚高，在排氣過程中伴有刺耳的噪聲，所以排氣系統必須裝有消聲器。92021通過排氣門口廢氣的流速等于該狀態下的音速（m/s）（2）亞臨界狀態缸內壓力與排氣管內壓力之比下降到1.9以下時，排氣流動轉入亞臨界狀態，廢氣流速降低，產生的噪音較小。排出的廢氣量決定于氣缸內及排氣管內的壓力差。壓力差越大排出廢氣越多。當到某一時刻氣缸內與排氣管內壓力相等，自由排氣階段結束（一般下止點后10o~30o曲軸轉角）。此階段雖然歷程很短，但因排氣流速甚高，排出廢氣量達60%以上。102021（2）亞臨界狀態排出的廢氣量決定于氣缸內及排

高速發動機其排氣提前角要大一些：在自由排氣階段中，排出的廢氣量與發動機轉速無關。發動機轉速高時，在同樣的排氣時間（以秒計）所相當的曲軸轉角增大，因此，高速發動機排氣提前角要大。但不宜過大，否則會使排氣損失加大。112021高速發動機其排氣提前角要大一些：在自由一般排氣提前角為30o~80o曲軸轉角。隨發動機轉速的增加應相應增大排氣提前角。一般持續到下止點后10o~30o(CA)結束。自由排氣階段排出的廢氣量可達60%以上。122021一般排氣提前角為30o~80o曲軸轉角。1220212、強制排氣階段：

自由排氣階段結束后，氣缸內的廢氣將被上行活塞強制推出，直到排氣門關閉．這一過程就是強制排氣階段。1320212、強制排氣階段：自由排氣階段結束后，氣缸內的廢缸內平均壓力要略高于排氣管內的平均壓力。克服排氣門、排氣道處的阻力，一般高出10kpa左右。氣體的流速越高，此壓差越大，消耗的功越多。一般排氣門遲閉角為10o~35o(CA)。慣性排氣142021缸內平均壓力要略高于排氣管內的平均壓力。克服排氣門、排氣道3、進氣過程：從進氣門開啟到關閉的全過程準備進氣：進氣提前角一般為0o~40o(CA)。正常進氣：新鮮氣體充入氣缸。慣性進氣：進氣遲閉角一般為40o~70o(CA)。1520213、進氣過程：從進氣門開啟到關閉的全過程準備進氣：進氣提前角盡管利用過后充氣可以有效地增加進入氣缸的空氣量，但過大的進氣遲閉角，會使得低速時發生缸內氣流倒流進入進氣管的現象，也會影響有效壓縮比，從而影響壓縮終了溫度，使發動機的冷起動困難。因此，合理的進氣定時是十分重要的。162021盡管利用過后充氣可以有效地增加進入氣缸的空氣量，但過4、氣門重疊和燃燒室掃氣過程在排氣行程上止點附近出現進、排氣門同時開啟的特殊現象，稱為氣門重疊，相應的角度是氣門重疊角，它是排氣遲閉角與進氣提前角之和。一方面，有利于掃除缸內殘余廢氣，增加進氣量，特別是增壓發動機，掃氣更明顯；另一方面，又可以降低燃燒室內氣缸蓋、排氣門、活塞頂、缸套的溫度。作用：1720214、氣門重疊和燃燒室掃氣過程在排氣行程上止點附近出現氣門重疊角的選擇以新鮮充量不流入排氣管為原則。增壓柴油機都采用比非增壓柴油機大的氣門重疊角，一般為80o~160o(CA)；氣門重疊角過大，會使氣門與活塞發生相撞，一般非增壓柴油機的氣門疊開角在20o~60o(CA)范圍內。182021氣門重疊角的選擇以新鮮充量不流入排氣管為原則。182021換氣損失排氣損失進氣損失192021換氣損失排氣損失進氣損失192021二、排氣損失定義:從排氣門提前開啟，直到進氣行程開始、缸內壓力到達大氣壓力之前,所損失的循環功。構成:a.自由排氣損失W：由于排氣門提前打開而引起的膨脹功的減少。b.強制排氣損失Y：活塞上行強制推出廢氣所消耗的功。202021二、排氣損失定義:從排氣門提前開啟，直到進氣行程開始、缸內壓影響因素:(1)隨著排氣提前角的增大，膨脹損失增加，而推出損失功減小，因此，最有利的排氣提前角，應當是使兩者損大之和(W+Y)為最小。(2)發動機的轉速增高時兩者之和在總體上呈現增加的趨勢。降低排氣損失的主要方法:減小排氣系統的阻力和排氣門處的流動損失。212021影響因素:降低排氣損失的主要方法:212021三、進氣損失X進氣損失主要是指進氣過程中，因進氣系統的阻力面引起的功的損失，與排氣損失相比進氣損失較小。合理調整配氣定時，加大進氣門的流通截面、正確設計進氣管及進氣道的流動路徑以及降低活塞平均速度等，都會使進氣損失減少。222021三、進氣損失X進氣損失主要是指進氣過程中，因進氣系統的阻力面排氣損失與進氣損失之和稱為換氣損失(W十Y十X)。泵氣損失（X+Y-u）：在實際循環示功圖中把面積(x+y-u)相當的負功稱為泵氣損失。這部分損失放在機械損失中加以考慮。232021排氣損失與進氣損失之和稱為換氣損失(W十Y十X)。232一般而言，所有減少換氣損失的措施以及以后將要討論到的提高充量系數的途徑，對降低泵氣損失都是有利的。另外，由于二沖程內燃機沒有單獨的進、排氣活塞行程，所以泵氣功為零。

242021一般而言，所有減少換氣損失的措施以及以后將要討論到的提高充量第二節四沖程發動機的充量系數換氣的目的是盡量排凈廢氣，最大限度充入新氣，以完善燃燒，提高效率。評價發動機的換氣質量，可用充量系數(充量效率、容積效率)、殘余廢氣系數來衡量。252021第二節四沖程發動機的充量系數換氣的目的是盡量排凈廢氣，一、充量系數φc定義：內燃機每缸每循環實際進入氣缸的新鮮空氣質量與進氣狀態下理論計算充滿氣缸工作容積的空氣質量比值。進氣狀態：指空氣濾清器后進氣管內的氣體狀態，即進人氣缸前氣體的熱力學狀態，如溫度與壓力等。非增壓：通常取為當地的大氣狀態。增壓：增壓器出口狀態。262021一、充量系數φc定義：內燃機每缸每循環實際進入氣缸的新鮮空氣式中：ma實際進入氣缸的新鮮空氣質量V1實際進入氣缸的新鮮空氣在進氣狀態下的體積ms進氣狀態下理論計算充滿氣缸工作容積的空氣質量Vs氣缸工作容積＜1272021式中：＜1272021一般非增壓發動機在全負荷時的φc汽油機頂置氣門：0.75~0.85側置氣門：0.70~0.80柴油機0.75~0.90282021一般非增壓發動機在全負荷時的φc汽油機頂置氣門：0.75~0二、影響充量系數的因素1）進氣門關閉時，缸內工質的總質量ma′：

進氣門關閉時氣缸容積：（Vs’+Vc），則式中：進氣門關閉時氣缸工質的密度292021二、影響充量系數的因素1）進氣門關閉時，缸內工質的總質量ma2）排氣門關閉時缸內工質的質量mr′排氣門關閉時缸內體積為Vr′，則式中：排氣門關閉時氣缸工質的密度3）每循環充入氣缸新鮮充量的質量m1為殘余廢氣3020212）排氣門關閉時缸內工質的質量mr′式中：4)進入氣缸的混合氣量：式中：循環燃料量又，則：令：混合氣的空氣量比例系數3120214)進入氣缸的混合氣量：式中：循環燃料令式中：p、T的下標s、a’、r’分別代表大氣和進、排氣門管比時缸內壓力和溫度的狀態。322021令式中：p、T的下標s、a’、r’分別代表大氣和進、排3殘余廢氣系數：進氣過程結束時氣缸內殘余廢氣量與進入氣缸內的新鮮空氣的比值。影響充量系數的因素有進氣的狀態、進氣終了的汽缸壓力和溫度、殘余廢氣系數、壓縮比及進排氣相位角等。332021殘余廢氣系數：進氣過程結束時氣缸內殘余廢氣量與進入氣缸內的（二）影響充氣效率的因素1．進氣終了時的壓力Pa’

Pa’對φc有重要影響，Pa’愈高，φc值愈大

Pa’=Ps－△Pa式中，△pa為氣體流動時，克服進氣系統阻力而引起的壓降(kPa)。342021（二）影響充氣效率的因素1．進氣終了時的壓力Pa’34202一般可寫成

式中——管道阻力系數；——進氣狀態下氣體的密度；V——管道內氣體的流速（m/s）。可見，△pa主要取決于各段管道的阻力系數和氣體流速。若大、V高時，△pa增加，使pa’下降。352021一般可寫成可見，△pa主要取決于各段管道的阻轉速和負荷對進氣壓力的影響1）轉速當節氣門位置一定時，n增加，Pa’降低。2）負荷汽油機：當節氣門關小時，節流損失增加，引起Pa’下降。

且Pa’隨轉速的增加而下降的愈快，即曲線變化愈陡。柴油機：負荷調節為“質調節”，負荷減小時Pa’變化很小。362021轉速和負荷對進氣壓力的影響1）轉速2）負荷362021

2．進氣終了的溫度Ta’Ta’高于進氣狀態溫度，Ta’越高，充入氣缸的工質密度越小，φc值愈低。引起Ta’升高的原因是:1）新鮮工質進入發動機與高溫零件接觸而被加熱。2）新鮮工質與高溫殘余廢氣混合而被加熱。3720212．進氣終了的溫度Ta’引起Ta’升轉速和負荷對Ta’的影響1）轉速：當負荷不變而轉速增加時，由于新鮮工質與缸壁等接觸時間短，傳熱量少，所以Ta’稍有下降。2）負荷：當轉速不變而增加發動機負荷時，缸壁等零件溫度升高，Ta’有所上升。措施：將高溫排氣管與進氣管分置于氣缸兩側，控制進氣預熱，適當加大氣門疊開角等，均有利于降低Ta’。382021轉速和負荷對Ta’的影響措施：將高溫排氣管與進氣管分置于氣缸3.殘余廢氣系數1）增加，φc降低，燃燒惡化，油耗、排放增加，2）壓縮比提高，殘余廢氣系數減小。3）排氣壓力高，廢氣多，充氣效率降低。4）排氣系統阻力大，排氣壓力高，廢氣多。3920213.殘余廢氣系數3920214．配氣定時由于進氣門遲閉而＜1,新鮮充量的容積減小,但Pa’值卻可能因有氣流慣性而使進氣有所增加,合適的配氣定時應考慮ξPa’具有最大值。5．壓縮比壓縮比增加,壓縮容積減小,殘余廢氣量隨之減小,因而φc有所增加。6.進氣狀態4020214．配氣定時6.進氣狀態402021第三節提高發動機充量系數的措施進氣系統：空氣濾清器或加進氣消聲器、化油器或噴油器、節氣門、進氣管、進氣道和進氣門等組成。減少各段通道的阻力，增大其流通能力，是提高充氣效率，改善發動機性能的主要途徑。412021第三節提高發動機充量系數的措施進氣系統：空氣濾清器或加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φr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重要結構一定,即εc一定合理選擇相位角諧振進氣與可變進氣支管422021提高充量系數措施降低進氣系統的阻力損失，提降低排氣系統的阻力進氣阻力沿程阻力局部阻力管道摩擦阻力管長和管內流動面上的表面質量有關它是由于流通截面大小、形狀以及流動方向變化，在局部產生渦流損失所引起的(一)降低進氣系統的流動阻力432021進氣阻力沿程阻力局部阻力管道摩擦阻力管長和管內流動面上的表面進氣系統的構成442021進氣系統的構成442021沿程阻力局部阻力進氣阻力沿程阻力并不大管道較短，壁面比較光滑流道中的主要損失它由一系列的局部阻力疊加而成進氣門座處空氣濾清器流道轉彎處452021沿程阻力局部阻力進氣阻力沿程阻力并不大管道較短，流道中的主要降低進氣系統的流動阻力的措施1、降低進氣門處的流動損失2、減少進氣道、進氣管、空氣濾清器的阻力462021降低進氣系統的1、降低進2、減少進氣道、4620211．降低進氣門處的流動損失4720211．降低進氣門處的流動損失472021進氣門座處局部阻力最大阻力系數ξ有關與該處的流動速度vs的平方成正比降低進氣門處的流動損失，可以從降低氣門座處的流速和改善氣門座處的流動情況以提高流量系數入手解決forward482021進氣門座處阻力系數與該處的降低進氣門處的流動損失，可以從降低return補充492021return補充492021過高的氣體流速，還會發生氣體阻塞現象。考察氣門座處的流動情況，并定義平均進氣馬赫數M。p30進氣平均馬赫數Ma綜合了進氣門大小、形狀、升程規律以及活塞速度等因素，并且其大小與發動機的轉速成正比。研究發現，對于小型四沖程發動機，當M超過0.5后，充量系數急劇下降(參見圖)。502021過高的氣體流速，還會發生氣體阻塞現象。考察氣門座處的流動情況512021512021減小進氣門流通截面處

流動損失的具體措施加大進氣門直徑增加進氣門數目合理設計進氣道及氣門的結構522021減小進氣門流通截面處

流動損失的具體措施加大進增加進合理設計由于進氣過程的重要性，一般應盡可能布置較大尺寸的進氣門，以降低流經進氣門截面時的氣體流速，從而降低局部流動阻力。在現代高速內燃機2氣門結構中，進氣門直徑d與缸徑D的比值可達45%~50%。面積比為0.2~0.25，這樣排氣門不得不縮小，但過小的排氣門又會導致排氣阻力的增大。因此，通過加大進氣門直徑的方式來提高充量系數，是受到限制的。(1)加大進氣門直徑532021由于進氣過程的重要性，一般應盡可能布置較大尺寸的進氣門，增加進氣門數，可以取得與加大進氣門直徑同樣的效果，即增大了進氣門的有效流通截面積。高速柴油機以往僅在缸徑大于120mm時才考慮采用兩進（進氣門)、兩排(排氣門)即4氣門的可能性；現在對于D=80~90mm的柴油機，也認為采用4氣門利大于弊。除了換氣損失小、充量系數高以外，噴油器的垂直中置對混合氣形成極為有利。

4氣門柴油機對具有進氣中冷的高增壓系統也非常合適對于汽油機來說．其效果也是相當好的(表4—1)。

(2)增加進氣門數目

542021增加進氣門數，可以取得與加大進氣門直徑同樣的效果，即增大采用兩進、兩排的氣門結構后，進氣門面積之和可以達到氣缸面積的30%，幾乎比2氣門提高30%~50%。表4—l列出了采用雙頂置凸輪軸(DOHC，DoubleOverheadCamshaft)4氣門發動機的優、缺點，總的結論是優點大于缺點。近年來，幾乎所有強化程度高的車用發動機均采用了這一技術，發動機轉速可達6000r／min或更高，平均有效壓力達1.0MPa以上。最小的4氣門發動機，其缸徑僅為80mm。552021采用兩進、兩排的氣門結構后，進氣門面積之和可以達到氣缸面562021562021圖4—6是一個2L排量的4氣門發動機與同排量2氣門發動機的性能比較，顯然，采用頂置凸輪軸4氣門技術,可以便發動機的功率提高約15%~30%，轉矩增大約5%~10%。經濟性能也得到改善。572021圖4—6是一個2L排量的4氣門發動機與同排量2氣門發動機單頂置凸輪軸四氣門結構582021單頂置凸輪軸四氣門結構582021雙頂置凸輪軸四氣門592021雙頂置凸輪軸四氣門592021對于D＜80mm的點燃式內燃機，若采用兩進、兩排的4氣門結構在氣缸蓋缸中間部位往往難以布置即便是最小尺寸的火花塞，這時只好適當縮小進氣門直徑。若采用三進二排的氣門結構，既能充分利用氣缸外圍尺寸，又能利用氣缸中心布置火花塞。

圖4—7是采用5氣門(三個進氣門，兩個排氣門)的發動機與4氣門發動機的比較情況，可見其高速性能進一步改善。對于排量較小(1.5L以下)的4缸小型轎車用汽油機來說，也有采用2進、1排的3氣門結構，這樣既能發揮多氣門的優越性，結構又相對簡單。602021對于D＜80mm的點燃式內燃機，若采用兩進、兩排的4氣門612021612021五氣門布置622021五氣門布置622021單頂置凸輪軸三氣門632021單頂置凸輪軸三氣門632021進氣道以及氣門頭部的結構，也有助于降低局部阻力，提高氣門流通截面的流量系數。一般在高速內燃機中，均利用氣道使進氣在其中發生彎曲和旋轉，以便在氣缸中形成定向的空氣運動，以利于燃燒的進行。但這勢必影響氣門的流量系數，增大流動損失，因此，在設計及制造中，應盡可能保證氣道內壁面的過渡圓滑、平穩，避免氣流急轉彎現象。在進氣門頭部以及氣門座面處設計合理的形狀，對改善氣流的流動阻力也有十分顯著的效果。(3)合理設計進氣道及氣門的結構642021進氣道以及氣門頭部的結構，也有助于降低局部阻力，提高氣門流通改善配氣機構的新措施（補充）652021改善配氣機構的新措施（補充）652021662021662021理想的配氣系統應當要滿足以下要求：1)低速時，采用較小的氣門疊開角以及較小的氣門升程，防止出現缸內新鮮充量向進氣系統的倒流，以便增加轉矩，提高燃油經濟性。2)高速時應具有最大的氣門升程和進氣門遲閉角，以最大限度地減小流動阻力，充分利用過后充氣，提高充量系數，以滿足動力性要求。2．采用可變進氣系統技術672021理想的配氣系統應當要滿足以下要求：2．采用可變進氣系統技術63)配合以上變化，對進氣門從開啟到關閉的持續期(又稱作用角)也應進行調整，以實現最佳的進氣定時。理想的氣門定時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。顯然，對于傳統的凸輪挺桿氣門機構，由于在工作中無法作出相應的調控，也就難于達到上述要求，因而限制了發動機性能的進一步提高6820213)配合以上變化，對進氣門從開啟到關閉的持續期(又稱作用角)實際上，完全滿足上述各項要求的機構是相當復雜的，目前還僅僅處于研究階段．如(GM汽車公司推出的無凸輪的電磁氣門驅動機構以及Ford汽車公司的液壓氣門驅動機構。由于制造成本和可靠性等原因，若將這種全電控的技術應用于實際發動機中氣門要時間。目前較為常見的商品化系統可以分成兩大類，即可變凸輪機構(VCS，VariableCamshaftSystem)和可變氣門定時(VVT，VariableValveTiming)。除此之外，也有可變氣門升程、可變氣門作用角等其他形式，其原理基本相近，只是實現方式不同而已。692021實際上，完全滿足上述各項要求的機構是相當復雜的，目前還僅(1)可變凸輪機構

可變凸輪機構技術一般都是通過兩套凸輪或搖臂來實現的，即在高速時采用高速凸輪，其升程與作用角都較大；而在低速時切換到低速凸輪，升程與作用角均較小，如圖4—8a所示。圖4—8b是采用可變凸輪機構后，發動機的性能與傳統配氣機構的性能比較，顯然低速轉矩和高速動力性能都得到了改善。702021(1)可變凸輪機構702021可凸輪機構（補充）712021可凸輪機構（補充）712021(2)可變氣門定時

相對于可變凸輪機構，可變氣門定時技術的應用較多一些：對于DOHC系統而言，由于進、排氣門是分別通過兩根凸輪軸單獨驅動的，可以通過一套特殊的機構將進氣凸輪軸按要求轉過一定的角度，從而達到改變進氣相位的目的。根據實現機構的不向，這種改變又可以分成分級可變與連續可變兩類，調節范圍最高可達60o(CA)。由于技術上相對成熟，很多高性能的汽油發動機均采用了這一技術。從圖4—9可以看出采用VVT技術可以使得發功機的低速轉矩性能得到大幅度的改善。某3L排量的6缸車用發動機上運用這一技術，油耗最大降低了4.5%，HC及NO2排放下降幅度分別達到10%和4%。722021(2)可變氣門定時722021732021732021可變定時機構（補充）742021可變定時機構（補充）742021進氣管的截面和通道流線，對進氣過程影響也很大。其設計原則是：空氣濾清器的阻力低；各氣缸間的新鮮充量分配均勻；對于汽油機而言，還要求適當加熱進氣以提高燃油的霧化質量；對于采用EGR以及進氣道燃油噴射式發動機而言，還要滿足專門機構的持殊要求。合理利用進氣調諧圖4—10a和圖4—10b分別是進氣管的長度與管徑的大小對充量系數的影響。出圖可見，隨著進氣管長度的增大以及管徑的減小，充量系數的峰值向低速一側移動。這就是調諧現象的結果

。3．減少進氣管的阻力752021進氣管的截面和通道流線，對進氣過程影響也很大。其設計原762021762021其它可變進氣系統結構形式（補充）772021其它可變進氣系統結構形式（補充）772021空氣濾清器是進氣系統阻力的主要來源之一，應當在保證濾潔效果的前提下盡可能減少空氣濾清器的流動阻力，同時，定時對空濾器進行清理與保養也是減小進氣流動阻力的一個重要措施。782021空氣濾清器是進氣系統阻力的主要來源之一，應當在保證濾潔效降低排氣系統阻力，可以使氣缸內的殘余廢氣壓力下降，這樣不僅可以減少殘余廢氣系數，有利于提高充量系數，而且可以減少泵氣損失，提高指示效率。排氣系統的設計目標是：降低排氣背壓，減小排氣噪聲。與進氣系統一樣，排氣流通截面最小處是排氣門座處，此處的流速最高、壓降最大，故在設計時應保證氣門及其座面的良好結構。排氣道應當是漸擴型，以保證排出氣體的充分膨脹，從而降低氣缸與排氣管內的壓力差，使得氣缸內的廢氣壓力得以迅速下降，達到提高充量系數和降低泵氣損失的目的。

(二)降低排氣系統的流動阻力792021降低排氣系統阻力，可以使氣缸內的殘余廢氣壓力下降，這樣不僅可現代轎車排氣系統構成802021現代轎車排氣系統構成802021在進氣的過程中，進入氣缸的新鮮充量將會被各種高溫表面所加熱而溫度升高。從而導致進氣密度下降，充量系數減小，還可能促使發功機整體熱負荷提高和不正常燃燒的發生。進氣溫升受到各種結構與運行參數的影響，如進氣管結構、發動機轉速、負荷、冷卻水溫度。(三)減少對進氣充量的加熱812021(三)減少對進氣充量的加熱812021對于化油器式汽油機來說，由于需要進氣加熱來保證部分液態燃料在進氣管中的蒸發。所以進氣管與排氣管布置在同一側。對于進氣道噴射的汽油機以及柴油機，均采用進、排氣管兩側布置的方案，以提高充量系數。對于高速內燃機，有時也采用進氣冷卻技術，以降低進氣溫度。增壓內燃機則將進氣中冷技術作為進一步提高增壓壓力、降低熱負荷的重要途徑之一。822021對于化油器式汽油機來說，由于需要進氣加熱來保證部分液態燃料在作業P35充量系數?832021作業P35832021第二章發動機的換氣過程EngineGasExchangeProcess842021第二章發動機的換氣過程EngineGasExch下止點上止點852021下止點上止點22021換氣過程排氣過程進氣過程

研究的內容換氣過程的進行情況

分析影響充氣量的各種因素

提高充氣量

減少換氣損失方向與措施。找出換氣過程的任務

排除廢氣充入盡可能多的新鮮工質功耗要少862021換氣過程排氣過程進氣過程研究的內容換氣過程的進行情況分析主要內容第一節四沖程發動機的換氣過程第二節四沖程發動機的充量系數第三節提高發動機充量系數的措施作業及復習題872021主要內容第一節四沖程發動機的換氣過程42021第一節四沖程發動機的換氣過程一、換氣過程：四沖程發動機的換氣過程包括從排氣門開啟到進氣門關閉的整個時期。約占410o~480o曲軸轉角。p25換氣過程可分作自由排氣、強制排氣、進氣和燃燒室掃氣四個階段。882021第一節四沖程發動機的換氣過程一、換氣過程：52021四沖程發動機換氣過程的典型曲線892021四沖程發動機換氣過程的典型曲線620211、自由排氣階段：從排氣門開啟到氣缸壓力接近于排氣管內壓力的時期，稱為自由排氣階段。排氣提前角：從排氣門開啟到活塞行至下止點所對應的曲軸轉角稱為，一般為30o~80o曲軸轉角。9020211、自由排氣階段：從排氣門開啟到氣缸壓力接近于自由排氣階段超臨界狀態亞臨界狀態

（1）超臨界狀態排氣門開啟時，氣缸內廢氣壓力較高（0.2~0.5Mpa），缸內壓力與排氣管壓力之比＞1.9，排氣流動處于超臨界狀態，可利用廢氣自身的壓力自行排出。912021自由排氣階段超臨界狀態亞臨界狀態（1）超臨界狀態8202通過排氣門口廢氣的流速等于該狀態下的音速（m/s）式中K——絕熱指數；T——氣體的絕對溫度；R——氣體常數〔N?m/（kg·K）〕。

在超臨界排氣時期，廢氣流量與排氣管內壓力pr、發動機轉速無關，只與氣缸內的氣體狀態及氣門開啟截面積有關。并且因排氣流速甚高，在排氣過程中伴有刺耳的噪聲，所以排氣系統必須裝有消聲器。922021通過排氣門口廢氣的流速等于該狀態下的音速（m/s）（2）亞臨界狀態缸內壓力與排氣管內壓力之比下降到1.9以下時，排氣流動轉入亞臨界狀態，廢氣流速降低，產生的噪音較小。排出的廢氣量決定于氣缸內及排氣管內的壓力差。壓力差越大排出廢氣越多。當到某一時刻氣缸內與排氣管內壓力相等，自由排氣階段結束（一般下止點后10o~30o曲軸轉角）。此階段雖然歷程很短，但因排氣流速甚高，排出廢氣量達60%以上。932021（2）亞臨界狀態排出的廢氣量決定于氣缸內及排

高速發動機其排氣提前角要大一些：在自由排氣階段中，排出的廢氣量與發動機轉速無關。發動機轉速高時，在同樣的排氣時間（以秒計）所相當的曲軸轉角增大，因此，高速發動機排氣提前角要大。但不宜過大，否則會使排氣損失加大。942021高速發動機其排氣提前角要大一些：在自由一般排氣提前角為30o~80o曲軸轉角。隨發動機轉速的增加應相應增大排氣提前角。一般持續到下止點后10o~30o(CA)結束。自由排氣階段排出的廢氣量可達60%以上。952021一般排氣提前角為30o~80o曲軸轉角。1220212、強制排氣階段：

自由排氣階段結束后，氣缸內的廢氣將被上行活塞強制推出，直到排氣門關閉．這一過程就是強制排氣階段。9620212、強制排氣階段：自由排氣階段結束后，氣缸內的廢缸內平均壓力要略高于排氣管內的平均壓力。克服排氣門、排氣道處的阻力，一般高出10kpa左右。氣體的流速越高，此壓差越大，消耗的功越多。一般排氣門遲閉角為10o~35o(CA)。慣性排氣972021缸內平均壓力要略高于排氣管內的平均壓力。克服排氣門、排氣道3、進氣過程：從進氣門開啟到關閉的全過程準備進氣：進氣提前角一般為0o~40o(CA)。正常進氣：新鮮氣體充入氣缸。慣性進氣：進氣遲閉角一般為40o~70o(CA)。9820213、進氣過程：從進氣門開啟到關閉的全過程準備進氣：進氣提前角盡管利用過后充氣可以有效地增加進入氣缸的空氣量，但過大的進氣遲閉角，會使得低速時發生缸內氣流倒流進入進氣管的現象，也會影響有效壓縮比，從而影響壓縮終了溫度，使發動機的冷起動困難。因此，合理的進氣定時是十分重要的。992021盡管利用過后充氣可以有效地增加進入氣缸的空氣量，但過4、氣門重疊和燃燒室掃氣過程在排氣行程上止點附近出現進、排氣門同時開啟的特殊現象，稱為氣門重疊，相應的角度是氣門重疊角，它是排氣遲閉角與進氣提前角之和。一方面，有利于掃除缸內殘余廢氣，增加進氣量，特別是增壓發動機，掃氣更明顯；另一方面，又可以降低燃燒室內氣缸蓋、排氣門、活塞頂、缸套的溫度。作用：10020214、氣門重疊和燃燒室掃氣過程在排氣行程上止點附近出現氣門重疊角的選擇以新鮮充量不流入排氣管為原則。增壓柴油機都采用比非增壓柴油機大的氣門重疊角，一般為80o~160o(CA)；氣門重疊角過大，會使氣門與活塞發生相撞，一般非增壓柴油機的氣門疊開角在20o~60o(CA)范圍內。1012021氣門重疊角的選擇以新鮮充量不流入排氣管為原則。182021換氣損失排氣損失進氣損失1022021換氣損失排氣損失進氣損失192021二、排氣損失定義:從排氣門提前開啟，直到進氣行程開始、缸內壓力到達大氣壓力之前,所損失的循環功。構成:a.自由排氣損失W：由于排氣門提前打開而引起的膨脹功的減少。b.強制排氣損失Y：活塞上行強制推出廢氣所消耗的功。1032021二、排氣損失定義:從排氣門提前開啟，直到進氣行程開始、缸內壓影響因素:(1)隨著排氣提前角的增大，膨脹損失增加，而推出損失功減小，因此，最有利的排氣提前角，應當是使兩者損大之和(W+Y)為最小。(2)發動機的轉速增高時兩者之和在總體上呈現增加的趨勢。降低排氣損失的主要方法:減小排氣系統的阻力和排氣門處的流動損失。1042021影響因素:降低排氣損失的主要方法:212021三、進氣損失X進氣損失主要是指進氣過程中，因進氣系統的阻力面引起的功的損失，與排氣損失相比進氣損失較小。合理調整配氣定時，加大進氣門的流通截面、正確設計進氣管及進氣道的流動路徑以及降低活塞平均速度等，都會使進氣損失減少。1052021三、進氣損失X進氣損失主要是指進氣過程中，因進氣系統的阻力面排氣損失與進氣損失之和稱為換氣損失(W十Y十X)。泵氣損失（X+Y-u）：在實際循環示功圖中把面積(x+y-u)相當的負功稱為泵氣損失。這部分損失放在機械損失中加以考慮。1062021排氣損失與進氣損失之和稱為換氣損失(W十Y十X)。232一般而言，所有減少換氣損失的措施以及以后將要討論到的提高充量系數的途徑，對降低泵氣損失都是有利的。另外，由于二沖程內燃機沒有單獨的進、排氣活塞行程，所以泵氣功為零。

1072021一般而言，所有減少換氣損失的措施以及以后將要討論到的提高充量第二節四沖程發動機的充量系數換氣的目的是盡量排凈廢氣，最大限度充入新氣，以完善燃燒，提高效率。評價發動機的換氣質量，可用充量系數(充量效率、容積效率)、殘余廢氣系數來衡量。1082021第二節四沖程發動機的充量系數換氣的目的是盡量排凈廢氣，一、充量系數φc定義：內燃機每缸每循環實際進入氣缸的新鮮空氣質量與進氣狀態下理論計算充滿氣缸工作容積的空氣質量比值。進氣狀態：指空氣濾清器后進氣管內的氣體狀態，即進人氣缸前氣體的熱力學狀態，如溫度與壓力等。非增壓：通常取為當地的大氣狀態。增壓：增壓器出口狀態。1092021一、充量系數φc定義：內燃機每缸每循環實際進入氣缸的新鮮空氣式中：ma實際進入氣缸的新鮮空氣質量V1實際進入氣缸的新鮮空氣在進氣狀態下的體積ms進氣狀態下理論計算充滿氣缸工作容積的空氣質量Vs氣缸工作容積＜11102021式中：＜1272021一般非增壓發動機在全負荷時的φc汽油機頂置氣門：0.75~0.85側置氣門：0.70~0.80柴油機0.75~0.901112021一般非增壓發動機在全負荷時的φc汽油機頂置氣門：0.75~0二、影響充量系數的因素1）進氣門關閉時，缸內工質的總質量ma′：

進氣門關閉時氣缸容積：（Vs’+Vc），則式中：進氣門關閉時氣缸工質的密度1122021二、影響充量系數的因素1）進氣門關閉時，缸內工質的總質量ma2）排氣門關閉時缸內工質的質量mr′排氣門關閉時缸內體積為Vr′，則式中：排氣門關閉時氣缸工質的密度3）每循環充入氣缸新鮮充量的質量m1為殘余廢氣11320212）排氣門關閉時缸內工質的質量mr′式中：4)進入氣缸的混合氣量：式中：循環燃料量又，則：令：混合氣的空氣量比例系數11420214)進入氣缸的混合氣量：式中：循環燃料令式中：p、T的下標s、a’、r’分別代表大氣和進、排氣門管比時缸內壓力和溫度的狀態。1152021令式中：p、T的下標s、a’、r’分別代表大氣和進、排3殘余廢氣系數：進氣過程結束時氣缸內殘余廢氣量與進入氣缸內的新鮮空氣的比值。影響充量系數的因素有進氣的狀態、進氣終了的汽缸壓力和溫度、殘余廢氣系數、壓縮比及進排氣相位角等。1162021殘余廢氣系數：進氣過程結束時氣缸內殘余廢氣量與進入氣缸內的（二）影響充氣效率的因素1．進氣終了時的壓力Pa’

Pa’對φc有重要影響，Pa’愈高，φc值愈大

Pa’=Ps－△Pa式中，△pa為氣體流動時，克服進氣系統阻力而引起的壓降(kPa)。1172021（二）影響充氣效率的因素1．進氣終了時的壓力Pa’34202一般可寫成

式中——管道阻力系數；——進氣狀態下氣體的密度；V——管道內氣體的流速（m/s）。可見，△pa主要取決于各段管道的阻力系數和氣體流速。若大、V高時，△pa增加，使pa’下降。1182021一般可寫成可見，△pa主要取決于各段管道的阻轉速和負荷對進氣壓力的影響1）轉速當節氣門位置一定時，n增加，Pa’降低。2）負荷汽油機：當節氣門關小時，節流損失增加，引起Pa’下降。

且Pa’隨轉速的增加而下降的愈快，即曲線變化愈陡。柴油機：負荷調節為“質調節”，負荷減小時Pa’變化很小。1192021轉速和負荷對進氣壓力的影響1）轉速2）負荷362021

2．進氣終了的溫度Ta’Ta’高于進氣狀態溫度，Ta’越高，充入氣缸的工質密度越小，φc值愈低。引起Ta’升高的原因是:1）新鮮工質進入發動機與高溫零件接觸而被加熱。2）新鮮工質與高溫殘余廢氣混合而被加熱。12020212．進氣終了的溫度Ta’引起Ta’升轉速和負荷對Ta’的影響1）轉速：當負荷不變而轉速增加時，由于新鮮工質與缸壁等接觸時間短，傳熱量少，所以Ta’稍有下降。2）負荷：當轉速不變而增加發動機負荷時，缸壁等零件溫度升高，Ta’有所上升。措施：將高溫排氣管與進氣管分置于氣缸兩側，控制進氣預熱，適當加大氣門疊開角等，均有利于降低Ta’。1212021轉速和負荷對Ta’的影響措施：將高溫排氣管與進氣管分置于氣缸3.殘余廢氣系數1）增加，φc降低，燃燒惡化，油耗、排放增加，2）壓縮比提高，殘余廢氣系數減小。3）排氣壓力高，廢氣多，充氣效率降低。4）排氣系統阻力大，排氣壓力高，廢氣多。12220213.殘余廢氣系數3920214．配氣定時由于進氣門遲閉而＜1,新鮮充量的容積減小,但Pa’值卻可能因有氣流慣性而使進氣有所增加,合適的配氣定時應考慮ξPa’具有最大值。5．壓縮比壓縮比增加,壓縮容積減小,殘余廢氣量隨之減小,因而φc有所增加。6.進氣狀態12320214．配氣定時6.進氣狀態402021第三節提高發動機充量系數的措施進氣系統：空氣濾清器或加進氣消聲器、化油器或噴油器、節氣門、進氣管、進氣道和進氣門等組成。減少各段通道的阻力，增大其流通能力，是提高充氣效率，改善發動機性能的主要途徑。1242021第三節提高發動機充量系數的措施進氣系統：空氣濾清器或加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φr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重要結構一定,即εc一定合理選擇相位角諧振進氣與可變進氣支管1252021提高充量系數措施降低進氣系統的阻力損失，提降低排氣系統的阻力進氣阻力沿程阻力局部阻力管道摩擦阻力管長和管內流動面上的表面質量有關它是由于流通截面大小、形狀以及流動方向變化，在局部產生渦流損失所引起的(一)降低進氣系統的流動阻力1262021進氣阻力沿程阻力局部阻力管道摩擦阻力管長和管內流動面上的表面進氣系統的構成1272021進氣系統的構成442021沿程阻力局部阻力進氣阻力沿程阻力并不大管道較短，壁面比較光滑流道中的主要損失它由一系列的局部阻力疊加而成進氣門座處空氣濾清器流道轉彎處1282021沿程阻力局部阻力進氣阻力沿程阻力并不大管道較短，流道中的主要降低進氣系統的流動阻力的措施1、降低進氣門處的流動損失2、減少進氣道、進氣管、空氣濾清器的阻力1292021降低進氣系統的1、降低進2、減少進氣道、4620211．降低進氣門處的流動損失13020211．降低進氣門處的流動損失472021進氣門座處局部阻力最大阻力系數ξ有關與該處的流動速度vs的平方成正比降低進氣門處的流動損失，可以從降低氣門座處的流速和改善氣門座處的流動情況以提高流量系數入手解決forward1312021進氣門座處阻力系數與該處的降低進氣門處的流動損失，可以從降低return補充1322021return補充492021過高的氣體流速，還會發生氣體阻塞現象。考察氣門座處的流動情況，并定義平均進氣馬赫數M。p30進氣平均馬赫數Ma綜合了進氣門大小、形狀、升程規律以及活塞速度等因素，并且其大小與發動機的轉速成正比。研究發現，對于小型四沖程發動機，當M超過0.5后，充量系數急劇下降(參見圖)。1332021過高的氣體流速，還會發生氣體阻塞現象。考察氣門座處的流動情況1342021512021減小進氣門流通截面處

流動損失的具體措施加大進氣門直徑增加進氣門數目合理設計進氣道及氣門的結構1352021減小進氣門流通截面處

流動損失的具體措施加大進增加進合理設計由于進氣過程的重要性，一般應盡可能布置較大尺寸的進氣門，以降低流經進氣門截面時的氣體流速，從而降低局部流動阻力。在現代高速內燃機2氣門結構中，進氣門直徑d與缸徑D的比值可達45%~50%。面積比為0.2~0.25，這樣排氣門不得不縮小，但過小的排氣門又會導致排氣阻力的增大。因此，通過加大進氣門直徑的方式來提高充量系數，是受到限制的。(1)加大進氣門直徑1362021由于進氣過程的重要性，一般應盡可能布置較大尺寸的進氣門，增加進氣門數，可以取得與加大進氣門直徑同樣的效果，即增大了進氣門的有效流通截面積。高速柴油機以往僅在缸徑大于120mm時才考慮采用兩進（進氣門)、兩排(排氣門)即4氣門的可能性；現在對于D=80~90mm的柴油機，也認為采用4氣門利大于弊。除了換氣損失小、充量系數高以外，噴油器的垂直中置對混合氣形成極為有利。

4氣門柴油機對具有進氣中冷的高增壓系統也非常合適對于汽油機來說．其效果也是相當好的(表4—1)。

(2)增加進氣門數目

1372021增加進氣門數，可以取得與加大進氣門直徑同樣的效果，即增大采用兩進、兩排的氣門結構后，進氣門面積之和可以達到氣缸面積的30%，幾乎比2氣門提高30%~50%。表4—l列出了采用雙頂置凸輪軸(DOHC，DoubleOverheadCamshaft)4氣門發動機的優、缺點，總的結論是優點大于缺點。近年來，幾乎所有強化程度高的車用發動機均采用了這一技術，發動機轉速可達6000r／min或更高，平均有效壓力達1.0MPa以上。最小的4氣門發動機，其缸徑僅為80mm。1382021采用兩進、兩排的氣門結構后，進氣門面積之和可以達到氣缸面1392021562021圖4—6是一個2L排量的4氣門發動機與同排量2氣門發動機的性能比較，顯然，采用頂置凸輪軸4氣門技術,可以便發動機的功率提高約15%~30%，轉矩增大約5%~10%。經濟性能也得到改善。1402021圖4—6是一個2L排量的4氣門發動機與同排量2氣門發動機單頂置凸輪軸四氣門結構1412021單頂置凸輪軸四氣門結構582021雙頂置凸輪軸四氣門1422021雙頂置凸輪軸四氣門592021對于D＜80mm的點燃式內燃機，若采用兩進、兩排的4氣門結構在氣缸蓋缸中間部位往往難以布置即便是最小尺寸的火花塞，這時只好適當縮小進氣門直徑。若采用三進二排的氣門結構，既能充分利用氣缸外圍尺寸，又能利用氣缸中心布置火花塞。

圖4—7是采用5氣門(三個進氣門，兩個排氣門)的發動機與4氣門發動機的比較情況，可見其高速性能進一步改善。對于排量較小(1.5L以下)的4缸小型轎車用汽油機來說，也有采用2進、1排的3氣門結構，這樣既能發揮多氣門的優越性，結構又相對簡單。1432021對于D＜80mm的點燃式內燃機，若采用兩進、兩排的4氣門1442021612021五氣門布置1452021五氣門布置622021單頂置凸輪軸三氣門1462021單頂置凸輪軸三氣門632021進氣道以及氣門頭部的結構，也有助于降低局部阻力，提高氣門流通截面的流量系數。一般在高速內燃機中，均利用氣道使進氣在其中發生彎曲和旋轉，以便在氣缸中形成定向的空氣運動，以利于燃燒的進行。但這勢必影響氣門的流量系數，增大流動損失，因此，在設計及制造中，應盡可能保證氣道內壁面的過渡圓滑、平穩，避免氣流急轉彎現象。在進氣門頭部以及氣門座面處設計合理的形狀，對改善氣流的流動阻力也有十分顯著的效果。(3)合理設計進氣道及氣門的結構1472021進氣道以及氣門頭部的結構，也有助于降低局部阻力，提高氣門流通改善配氣機構的新措施（補充）1482021改善配氣機構的新措施（補充）6520211492021662021理想的配氣系統應當要滿足以下要求：1)低速時，采用較小的氣門疊開角以及較小的氣門升程，防止出現缸內新鮮充量向進氣系統的倒流，以便增加轉矩，提高燃油經濟性。2)高速時應具有最大的氣門升程和進氣門遲閉角，以最大限度地減小流動阻力，充分利用過后充氣，提高充量系數，以滿足動力性要求。2．采用可變進氣系統技術1502021理想的配氣系統應當要滿足以下要求：2．采用可變進氣系統技術63)配合以上變化，對進氣門從開啟到關閉的持續期(又稱作用角)也應進行調整，以實現最佳的進氣定時。理想的氣門定時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。顯然，對