第二章發動機的換氣過程

www.sail-shipping.com 來源：互聯網作者：panzhihao 類別：汽車構造維修時間：2007-09-05

第二章發動機的換氣過程

燃燒是做功之本。

燃燒需要空氣與燃料。重量比容積比

燃料 1 1 液態

空氣 15 1000 氣態

燃料受機械控制，容易加入。而汽缸容積就那么大，要想多加空氣就要困難得多。因此，對發動機換氣過程的研究就顯得尤為重要了。

§2-1 四沖程發動機的換氣過程

一配氣定時

與工程熱力學中介紹的不同, 進排

氣門的開啟、關閉也需要時間, 故

在下止點前排氣－排氣提前角40°～80°

在上止點后關閉－排氣遲閉角10°～35°

在上止點前吸氣－進氣提前角 0°～40°

在下止點后關閉－進氣遲閉角40°～80°

進氣提前角+排氣遲閉角－氣門疊開角

二換氣過程

（一）排氣過程

1 自由排氣階段 A

排開 p >>p’ ® p = p’

靠缸內壓力將氣體擠出氣缸，其中

p－缸內壓力, p’－排氣管內壓力。

2 強制排氣階段 B

p = p’ ® p £ p’

靠活塞上行將廢氣擠出氣缸。

3 超臨界排氣 C

排開 ® p = 1.9 p’

在氣閥最小截面處, 氣體流速等于該地音速 m/s。其流量與壓差（p - p’）無關, 只決定于排氣閥開啟面積和氣體狀態。

4 亞臨界排氣 D

p = 1.9 p’ ® 排閉。

其流量取決于壓差（p - p’）。

（二）進氣過程和氣門疊開角

由于節流作用, 缸內產生負壓；（）使新鮮介質進入缸內。

氣閥疊開角：非增壓：20°～60° CA。

太大（引起） ® 廢氣回流進氣道。

太小 ® 掃氣作用不明顯。

增壓：110°～140° CA。

進氣管p, 掃氣明顯, 氣閥疊開角可以增大很多。如6135

型高柴：非增壓：40°, 增壓：124°。

掃氣的作用：

1 清除廢氣, 增加氣缸內的新鮮充量。

2 降低排氣溫度。

3 降低熱負荷最嚴重處（如氣閥、活塞等）的溫度。

三換氣損失

理論循環換氣功與實際循環換氣功之差。

如圖：換氣損失功－X+（Y+W）, 其中（W+Y）

為排氣損失功，X為進氣損失功。

（一）排氣損失功Y

W是因排氣門提前開啟而損失的膨脹功,

稱為自由排氣損失。Y是活塞作用在廢氣上的推出功, 稱為強制排氣損失功。

排氣提前角 ® W，Y¯ 。

綜合效果, 要求（Y+W）¯, 故（W+Y）有一個最佳值（W+Y）min 。對應排氣提前角亦有一個最佳值, n ® （W+Y）min 。

（二）進氣損失功X

進氣損失功小于排氣損失功，即X < Y

（三）泵氣損失功 （X+Y-d）

在實際示功圖中, 把（W+d）歸到指示功中考慮。而把泵氣損失功（X+Y-d）歸到機械損失中考慮。

§2-2 四沖程發動機的充氣效率

一充氣效率

（一）定義

為比較不同大小、不同類型發動機的充氣品質和換氣過程的完善程度, 不受氣缸工作容積Vh 的影響, 引入充氣效率的概念。

由于有進氣阻力等因素的影響, 實際進入氣缸中的新鮮充量必然小于理論上進氣狀態下充滿工作容積的新鮮充量。二者之比稱為充氣效率 , 即

其中：－實際充量的重量，質量和體積；

－理論充量的重量，質量和體積；

進氣狀態：非增壓：空氣濾清器后進氣管內的氣體狀態, 通常取為當地的大氣

狀態。

增壓：增壓器出口狀態。

嚴格地說，充氣效率應為

更合理。這樣，在后面將要講到的大氣修正中，不同的壓力和溫度下進氣量的比值就等于其充氣效率之比。否則，按照前頭的定義式，大氣溫度越高，充氣效率反而會越高，講起來似乎無法接受。而且也不具備可比性。

（二）實際測量

其中：－實際測量 [ /h ]

充氣效率是衡量換氣過程進行得完善程度的重要指標。

柴油機 0.75～0.90

汽油機 0.70～0.85

二充氣效率的分析式

充入汽缸的新鮮充量 = 缸內氣體的總質量－缸內殘余廢氣質量

（一）進氣門關閉時缸內氣體的總質量

其中－余隙容積；－進氣門關閉時缸內工作容積；

－進氣終了缸內氣體密度。

（二）排氣門關閉時缸內殘余廢氣的質量

其中－排氣門關閉時缸內容積；－排氣門關閉時缸內殘余廢氣密度。

（三）充入汽缸的新鮮充量

其中－大氣狀態下氣體密度。

（四）充氣效率的分析式

其中－壓縮比；－有效壓縮比；。

一般～。若假設，有

帶入理想氣體狀態方程式，得

其中－大氣壓力和溫度；－進氣終了時缸內的壓力和溫度；

－排氣終了時殘余廢氣的壓力和溫度。

；。

的分析式為定性分析的影響因素提供了依據。

§2-3 影響充氣效率的各種因素

一進氣終了壓力

（一）進氣阻力

® ¯ ® ¯

對的影響最大。進氣系統的沿程阻力和局部阻力均會使增大。

（二）轉速

n ® ® ¯ ® ¯

（三）負荷

汽油機：負荷 ® 節氣們開度（質調節） ® ¯ ® ®

柴油機：負荷 ® 循環供油量（量調節）（與無關） ®

熱負荷 ® ® ¯ （不大）

二進氣終了溫度

（一）轉速

負荷一定：n ®

綜合、的影響， n ® ¯。

（二）負荷

轉速一定：負荷 ® 熱負荷 ® ® ¯

柴油機：進、排氣管分置。

避免排氣管對進氣管加熱，使 ¯ ®

汽油機：進、排氣管同置。

雖然 ® ¯，但燃油受熱增發快，可以改善混合氣形成。

三排氣終了壓力

® 殘余廢氣量 ® ¯

µ 排氣門處的阻力 µ ，所以

n ® ® ¯ （影響較小）

四排氣終了溫度

五壓縮比e

e ®

公式僅為定性分析用的，是粗略的。還有許多因素未予考慮。如：壓力升高比l，絕熱指數k，進氣馬赫數Ma，熱傳輸和過量空氣系數a等。

§2-4 提高充氣效率的措施

減小進氣系統阻力。

沿程阻力，局部阻力（節流阻力）。

汽油機：空氣濾清器 ® 化油器 ® 進氣管 ® 進氣道 ® 進氣門

柴油機：空氣濾清器 ® 進氣管 ® 進氣道 ® 進氣門

一減小流動阻力

（一）進氣門

1 進氣門直徑

一般: 0.20～0.25

® ® （影響大）

® ¯ ® （影響小）

一般： >

2 四氣門

流通面積 40%左右。但結構復雜，造價較高。

® ® （可達30%）， ¯¯

3 氣門升程h

h，時面值 ®

4 閥頂過渡圓角R

R ® ¯ ® ¯

R¯¯ ® 流動阻力 ® ¯

R應適中。

（二）進氣管

1 表面光潔度和流通面積

表面光潔度，流通面積 ® 沿程阻力¯ ®

2 轉彎和節流阻力

轉彎半徑R，截面突變¯ ®

3 截面形狀

考慮汽油機的霧化，蒸發，則

管壁面積 ® 沉積 ® 蒸發¯ ® 混合氣分配不均勻

截面形狀圓形矩形 D形

流動阻力小大中

底部蒸發小中大

柴油機不存在底部蒸發問題，故多采用流動阻力小的圓形進氣管。

（三）進氣道

轉彎半徑R，表面光潔度，各管口與墊片孔口對中 ® 流動阻力¯ ®

設計時還要考慮組織進氣渦流。

（四）空氣濾清器

通道面積，除塵效果 ® 流動阻力¯ ®

經常清洗，更換紙芯。

（五）化油器

喉口截面積¯ ® 流動阻力 ® ¯，但霧化效果。

解決這對矛盾，采用雙喉口。小喉口：霧化；大喉口：進氣。

二合理選擇配氣定時

（一）配氣定時的綜合評定

1 良好的充氣效率以保證發動機的動力性能。

2 合適的充氣效率以適應發動機的扭矩特性。

3 較小的換氣損失以適應發動機的經濟性能。

4 必要的燃燒室掃氣以保證高溫零件的熱負荷得以適當降低，達到可靠運行。

5 合適的排氣溫度。

調整：1，2－進氣遲閉角；3－排氣提前角；4，5－氣門疊開角

（二）進氣遲閉角

1 轉速n一定時，總有一個進氣遲閉角使得充氣效率為最大。

2 n¯¯ ® 氣流慣性 ¯ ® 缸內氣體易倒流進氣管 ® ¯

n ® 一部分氣體來不及進入汽缸 ® ¯

3 ® 對應的n

所以，高速發動機轉速大，要獲得好的充氣效率和動力性，進氣遲閉角應大

一些。

4 n ®

（三）排氣提前角

¯ ® d ® ，其中d－后期膨脹比。

考慮經濟性，在排氣損失最小的前提下，盡量減小排氣提前角。

（四）氣門疊開角

® 缸內氣體易倒流進氣管； ¯¯ ® ， ® ¯

增壓發動機氣門疊開角應大一些。

§2-5 進氣管內的動態效應

一現象

195柴油機：進氣管長度L = 300 mm L = 1140 mm

氣體在進排氣管中有壓力波動現象，有效組織、利用壓力波動，可以提高充

氣效率。

進氣門開閉時： ® pa ®

排氣門開閉時： ¯ ® pr¯ ®

動態效應與進排氣管的長度和直徑有關。

二波的動態機理

閉口端：進：壓縮波 ® 反射: 壓縮波－同型波

進：膨脹波 ® 反射: 膨脹波－同型波

開口端：進：壓縮波 ® 反射: 膨脹波－異型波

進：膨脹波 ® 反射: 壓縮波－異型波

三進氣動態效應

（一）慣性效應

階段：進氣門開 ® 進氣門閉

¬ 膨脹波

® 壓縮波（進氣門閉）

（二）波動效應

階段：進氣門閉 ® 下一循環進氣門開

¬ 壓縮波

® 膨脹波

¬ 膨脹波

® 壓縮波（進氣門開）

壓力波動是周期性的。

壓力波固有頻率： [ 1/s ] 其中a－進氣管內聲速。

發動機吸氣頻率： [ 1/s ]

令：

當q = 1，2，3… 時，進氣門開，則pa¯ ® ¯。

當q = … 時，進氣門開，則pa ® 。

四結論

1 慣性效應（本循環），振幅大，衰減小。

波動效應（兩循環），振幅小，衰減大。

2 高速發動機，進氣管短；低速發動機，進氣管長。

3 進氣管直徑¯¯ ® 流動阻力 ® 壓力波強度¯

進氣管直徑 ® 壓力波振幅¯ ® 壓力波強度¯

4 多缸機上，進氣管應分支，且等長。

5 避免急轉彎，則壓力波振幅不會衰減太大。

6 排氣管需要膨脹波，則pr¯ ® 掃氣作用 ®

§2-6 單位時間充氣量與循環充氣量

單位時間充氣量 G [ kg/h ]，

循環充氣量 DG [ kg ]，則

[ kg/h ]

n ® G，但n ® pa¯ ® DG¯

G ® 單位時間供油量g ® 與功率有關。

DG ® 循環供油量Dg ® 與扭矩有關。

圖中虛線為不考慮進氣損失的G和DG曲線；

實際的G和DG曲線如圖中實線所示。

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